認知移動自組織網絡控制信道選擇方法與流程

本發明涉及控制信道選擇
技術領域：
，具體的說是一種認知移動自組織網絡控制信道選擇方法。
背景技術：
：認知無線電(cognitiveradio,CR)作為一種智能頻譜共享技術，通過感知當前通信環境的變化，基于人工智能學習外部環境特征，并自適應調整工作參數，能機會接入主用戶(primaryuser,PU)暫時未用的空閑信道，從而有效提高頻譜利用率。移動adhoc網絡(mobileadhocnetwork,MANET)是一種無需部署固定基礎設施的無線自組織網絡。將認知無線電技術融入MANET網絡，可靈活、快捷構建和部署認知MANET(CR-MANET)網絡。CR-MANET網絡是認知無線電技術對MANET的拓展，其無線頻譜不固定，而是通過頻譜感知尋找頻譜空穴，動態接入。CR-MANET網絡通常未配置專門的控制信道，但執行網絡管理、路由協議、頻譜感知等需要在節點之間交互控制信息。在CR-MANET網絡中，分布在通信范圍內的主用戶對授權信道的隨機占用會造成不同認知用戶(secondaryuser,SU)的可用信道集具有空間差異性，且隨主用戶活動狀態動態變化。近年來，基于跳頻序列選擇控制信道受到了廣泛研究。但現有的基于交會技術的控制信道選擇中，大多以信道可用、不變為前提設計跳頻序列，未考慮主用戶活動規律和信道質量對控制信道選擇的影響，無論是跳頻序列設計，還是平均交會時間、最大交會時間等指標均有改進和提升空間。技術實現要素：針對上述問題，本發明提供了一種認知移動自組織網絡控制信道選擇方法，通過提取可用信道屬性，基于多屬性決策對信道質量進行評估和排序，并依據評估結果設計等時隙跳頻圖樣，該方法減小了交會時間，提高了對主用戶活動的魯棒性。為達到上述目的，本發明采用的具體技術方案如下：一種認知移動自組織網絡控制信道選擇方法，其關鍵在于按照以下步驟進行：S1：所有認知用戶執行頻譜感知，獲得各自潛在的可用信道集合C和可用信道數M；S2：根據可用信道的屬性，對可用信道集合C中所有可用信道的質量進行評估和排序，生成可用信道列表X；S3：采用特定的映射準則構造跳頻序列集合Y，進而生成跳頻圖樣；S4：依據跳頻圖樣執行信道跳轉，并運行握手協議進行交會；S5：判斷是否交會成功，若是，結束，完成控制信道選擇；否則返回步驟S4。進一步地，步驟S2中對可用信道質量進行評估和排序，生成可用信道列表X的方法具體包括，S21：根據可用信道質量評估標準，確定應用場景及該應用場景對信道的需求；S22：利用層次分析法確定信道屬性主觀權重；S23：收集信道屬性參數值，利用熵權法確定信道屬性客觀權重；S23：由步驟S22得到的主觀權重和步驟S23得到的客觀權重結合構建復合權重；S25：采用TOPSIS法，結合復合權重，計算各信道的貼近度，對潛在的可用信道集合C排序，生成可用信道列表X。再進一步描述，所述可用信道質量評估標準包括：主用戶活躍度、信干噪比、工作頻點、信號帶寬、相干帶寬和相干時間。再進一步描述，步驟S21中確定應用場景對信道需求的具體方式為：根據應用場景對信道屬性的要求，構建判決矩陣。再進一步描述，步驟S3的具體方法為：S31：分別對可用信道集合C、可用信道列表X進行編號，得到可用信道集合C＝{c1,c2,…}，可用信道列表X＝{x1,x2,…}；S32：確定反比例函數關系設計映射準則，根據yi與xi的關系式求得yi，從而得到跳頻序列集合Y＝{y1,y2,…}；其中yi為信道ci在跳頻圖樣中出現次數，xi為信道ci在可用信道列表X中的序號；Mi為第i個認知用戶在一個運行周期通過頻譜感知獲得的潛在可用信道數；S33：計算序列長度L：其中，[·]表示舍零取整；S34：依據偽隨機序列對步驟S32得到的跳頻序列集合Y不重復抽取生成跳頻圖樣。本發明的有益效果：基于本發明提出的反比例映射準則執行可用信道列表生成跳頻序列集合，進而設計跳頻圖樣，其交會時間短，所選擇的控制信道對主用戶活躍度魯棒性更強，能充分利用頻譜空洞，提高了頻譜利用率。附圖說明圖1是本發明認知移動自組織網絡控制信道選擇方法流程圖；圖2是本發明可用信道列表生成方法流程圖；圖3是本發明構造跳頻序列集合進而生成跳頻圖樣方法流程圖；圖4是三種映射準則下的平均交會時間對比示意圖；圖5是三種映射準則下的最大交會時間對比示意圖；圖6是三種映射準則下最優信道在跳頻圖樣中所占比例對比示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式以及工作原理作進一步詳細說明。從圖1可以看出，一種認知移動自組織網絡控制信道選擇方法，以下步驟進行：S1：所有認知用戶執行頻譜感知，獲得各自潛在的可用信道集合C和可用信道數M；S2：根據可用信道的屬性，對可用信道集合C中所有可用信道的質量進行評估和排序，生成可用信道列表X；結合圖2可以看出，其具體方法為，S21：根據可用信道質量評估標準，確定應用場景及該應用場景對信道的需求；S22：利用層次分析法確定信道屬性主觀權重；S23：收集信道屬性參數值，利用熵權法確定信道屬性客觀權重；S23：由步驟S22得到的主觀權重和步驟S23得到的客觀權重結合構建復合權重；S25：采用TOPSIS法，結合復合權重，計算各信道的貼近度，對潛在的可用信道集合C排序，生成可用信道列表X。進一步地，在本實施例中，可用信道質量評估標準包括：主用戶活躍度、信干噪比、工作頻點、信號帶寬、相干帶寬和相干時間。其中，主用戶活躍度：主用戶活躍度是影響信道對認知用戶可用性的決定性因素。信干噪比：信干噪比定義為認知用戶的接收信號功率與干擾和噪聲功率之比，表征接收信號質量，是認知用戶能正常通信和頻譜判決的指標之一。第i個認知用戶在信道ck上的信干噪比為：其中，和分別為第i個認知用戶發射端、其他認知用戶發射端和主用戶的發射功率及其到第i個認知用戶接收端的信道增益；N0為噪聲功率；Ns,Np分別為認知用戶數和主用戶數；ai為第i個認知用戶發射端的信號傳輸空間覆蓋范圍，如果否則f(am,ai)＝1。工作頻點：高頻段電波覆蓋范圍小，傳輸速率高；低頻段覆蓋范圍大，穿透能力強。信號帶寬：信號帶寬B＝f2-f1，其中f1,f2分別是信號的最低頻率和最高頻率分量。相干帶寬：電波在傳播過程中的多徑效應導致時延擴展。相干帶寬是表征多徑信道特性的參數，定義為信道處于強相關的頻率差范圍。相干時間：電波在傳播過程中的多普勒效應導致多普勒擴展。相干時間是在時域描述信道頻率色散的參數，定義為信道處于強相關的時間差范圍。確定應用場景對信道需求的具體方式為：根據應用場景對信道屬性的要求，構建判決矩陣。S3：采用特定的映射準則構造跳頻序列集合Y，進而生成跳頻圖樣；結合圖3，其具體方法為：S31：分別對可用信道集合C、可用信道列表X進行編號，得到可用信道集合C＝{c1,c2,…}，可用信道列表X＝{x1,x2,…}；S32：確定反比例函數關系設計映射準則，根據yi與xi的關系式求得yi，從而得到跳頻序列集合Y＝{y1,y2,…}；其中yi為信道ci在跳頻圖樣中出現次數，xi為信道ci在可用信道列表X中的序號；Mi為第i個認知用戶在一個運行周期通過頻譜感知獲得的潛在可用信道數；S33：計算序列長度L：其中，[·]表示舍零取整；S34：依據偽隨機序列對步驟S32得到的跳頻序列集合Y不重復抽取生成跳頻圖樣。S4：依據偽隨機序列，跳頻圖樣執行信道跳轉，并運行握手協議進行交會；S5：判斷是否交會成功，若是，結束，完成控制信道選擇；否則返回步驟S4。不同應用場景對信道屬性的要求不同，例如城區和郊區兩個應用，對信道屬性的要求不同。在城區，用戶密度大、移動速度慢。主用戶活動對認知用戶的影響是首要因素，一旦主用戶激活占用信道，認知用戶必須立即退出。城區的干擾和噪聲顯著，對信干噪比要求高；城區高樓林立，多徑效應明顯，對信道相干帶寬要求高；用戶移動速度較慢，多普勒效不明顯，可降低對信道相干時間的要求。在郊區，用戶密度小、環境開闊。主用戶激活仍是首要因素，對信干噪比要求高；用戶移動速度快，多普勒效應明顯，對信道相干時間要求高；環境開闊，多徑效應不明顯，可放寬對信道相干帶寬的要求。低頻段覆蓋范圍大，在其他信道屬性同等條件下，優選低頻點信道。不同應用場景對信道屬性的主觀要求如表1所示。在本實施例中，為了分析本發明提出的可用信道質量評估方法和控制信道選擇方法的性能，各可用信道質量評估標準參數如表2所示：信道屬性分布主用戶主用戶活躍度服從0-0.1次/單位時隙的均勻分布信干噪比服從5-30dB的均勻分布帶寬200kHz頻點GSM900頻段頻點相干帶寬時延擴展服從10-500ns的均勻分布相干時間多普勒擴展服從30-90Hz的均勻分布在本實施例中，認知用戶經過頻譜感知獲得的可用信道數為5，其信道編號為C＝{c1,c2,c3,c4,c5}。以城區應用場景為例，以主用戶活躍度、信干噪比、工作頻點、信號帶寬、相干帶寬和相干時間為可用信道質量評估標準，城區應用場景各可用信道質量評估標準取值如表3所示：根據城區應用場景對可用信道質量評估標準的要求，構建如表4所示的判決矩陣。利用層次分析法確定信道屬性主觀權重：WS＝[0.39130.26090.08700.17390.04350.0435]利用熵權法確定信道屬性客觀權重：WN＝[0.75740.1378-0.00000.10240.00120.0012]則復合權重W：W＝[0.57430.19930.04350.13820.02240.0223]根據TOPSIS法，結合復合權重計算各信道的貼近度，并對候選信道排序，得到可用信道列表X，具體見表5：信道貼近度排序c30.91301c10.83342c20.56583c50.41214c40.12295表征控制信道選擇方法性能的重要指標是交會時間(timetorendezvous,TTR)，過長的交會時間無法滿足應用對時延的需求。本實施例選擇平均交會時間(averagetimetorendezvous,ATTR)和最大交會時間(maximumtimetorendezvous,MTTR)作為評估映射準則交會時間的指標。將本實施例設計的反比例映射準則與線性映射準則、拋物線映射準則進行5000次MonteCarlo對比仿真。得出基于反比例映射準則生成的跳頻圖樣執行控制信道選擇，其平均交會時間和最大交會時間均比線性映射準則和拋物線映射準則短，具體見圖4和圖5所示。執行信道質量評估獲得可用信道列表，其中排序最前的信道質量最好。最優信道在跳頻圖樣中所占比例越大，交會成功率越高，也更能保證次用戶的通信質量。從圖6可以看出，三種映射準則下最優信道在跳頻圖樣中所占比例，結果表明：在三種映射準則中，基于反比例映射準則生成的跳頻圖樣中，最優信道所占比例最高。當前第1頁1 2 3