一種適用于認知無線網絡的對稱同步跳頻通信方法
【專利摘要】本發明屬于通信技術領域，尤其涉及一種用于認知無線網絡的基于頻率跳變的通信交互方法。本發明基于兩種整數序列設計而成，所述兩種整數序列為循環升(circular increasing，CI)序列和循環降(circular decreasing，CD)序列。CI序列是從初始整數b∈ZK開始并以單次增加d∈ZK的速度不斷生成的包含K個整數的序列，即CD序列是從初始整數b∈ZK開始并以單次減少d∈ZK的速度不斷生成的包含K個整數的序列，即與現有對稱同步跳頻系統相比，本發明所提出的對稱同步跳頻系統能夠提供更短的平均匯聚間隔和更小的平均信道負載。
【專利說明】
一種適用于認知無線網絡的對稱同步跳頻通信方法
技術領域
[0001] 本發明屬于通信技術領域，尤其涉及一種用于認知無線網絡的基于頻率跳變的通 信交互方法。
【背景技術】
[0002] 為了在不干擾授權網絡通信的前提下靈活利用授權網絡的空閑頻譜資源進行通 信，認知無線網絡需要具備一套高效的控制信息交互機制，以實現在認知節點之間傳遞包 括頻譜感知結果、時鐘同步、網絡拓撲和通信握手預約等大量控制信息。而基于頻率跳變的 控制信息交互方式能夠通過不斷地改變認知節點交互控制信息的通信頻段(或信道），靈活 而快速地尋找到未被授權用戶占用的通信頻段(或信道），因而具備較好的抗授權用戶干擾 能力。
[0003] 與此同時，只有當發送和接收認知節點實現了跳頻匯聚，即在同一個時隙內同時 跳躍到同一個信道上，它們才能進行控制信息的交互。如果每個認知節點均采用對稱的方 式選擇其跳頻序列，即無論是控制信息的發送方還是接收方均需要從同一個的跳頻序列集 合中獨立而隨機地選擇其跳頻序列，那么不同認知節點在同一時隙內可以實現在多個信道 上的跳頻匯聚，從而有效避免基于單個固定控制信道交互控制信息所導致的控制信道流量 飽和問題。因此，如何為認知節點設計可選跳頻序列集合就成為影響基于跳頻匯聚的控制 信息交互性能的主要因素。
[0004]通常，衡量一個跳頻序列集合優劣的參數包括：
[0005] 可匯聚信道個數，即該集合任意兩個跳頻序列可以匯聚的信道總個數。當可匯聚 信道個數越多，則基于跳頻匯聚的控制信息交互具備更強的抗授權用戶干擾能力。
[0006] 平均匯聚時間間隔，即該集合任意兩個跳頻序列實現連續兩次匯聚的平均時間間 隔。當平均匯聚時間間隔越短，則基于跳頻匯聚的控制信息交互具備更短的交互時延和更 高的控制信息傳輸吞吐量。
[0007] 平均信道負載，即在同一時隙內出現同一信道上的平均跳頻序列個數與跳頻序列 總個數之間的比值。該比值的可能范圍為[0，1]。當平均信道負載越小，則認知無線網絡基 于跳頻匯聚的控制信息交互所產生的控制信息碰撞或擁塞情況就越少，而控制信息交互的 性能就越好。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的在于為基于頻率跳變的認知無線通信網絡提供一種能支持認知節 點以對稱方式選擇其跳頻序列和能在所有可接入信道上實現跳頻匯聚的控制信息交互機 制。與現有基于跳頻匯聚的控制信息交互方式相比，該機制在滿足任意可匯聚信道個數的 前提下，可以獲取更小的平均會聚間隔和更小的信道負載。
[0009] 本發明的技術原理為：
[0010] 本發明基于兩種整數序列設計而成，所述兩種整數序列為循環升（circular increasing，Cl)序列和循環降（circular decreasing，⑶)序列。CI序列/丨夕是從初始整數b e Ζ κ開始并以單次增加d e Ζ κ的速度不斷生成的包含K個整數的序列，即 /匕1 =丨/，,/? + (6/ mod uloA：,+ (7C -1) modu丨〇 /C卜CD序列A匕1是從初始整數b e Ζκ開始并以單 次減少d e Ζ κ的速度不斷生成的包含Κ個整數的序列，即 OA說,…，力-(尤-丨Wmodulo尤j。其中，Ζκ表示對整數K取模所獲得的所有 非負整數集合。例如：/;7 ==.!2, 3, 4, 5, 6, 7, 0,丨丨.，Ζ^==.!2,丨，0, 7, 6, 5, 4, 3}， Df 1 = [6, 3, d, 5,2,1, 4, 1} 0
[0011] 如果存在整數j e [ 1，Κ]滿足/二(7> ^ ,keZK，則稱在整 數k上實現匯聚，其中，〇j)表示ci序列的第j個整數，DG(y)表示⑶序列乃以的第j 個整數。例如，序列和4s/在整數2和6上實現匯聚，即 /^(1) = /)^(1) = 2, 巧⑶=叱;(5) = 6，并且當j辛1，5時# (J·)笑鴻1⑴，而序列4!?和 1^在整數3,5,7和1上實現匯聚，即；(2) = /^(2) = 3，；(4) = /^(4) = 5， ^(6)=城；(6) = 7，^(8)=哎3>(8) = 1，并且當護2,4,6,8時/!81>(./)#代83 )(義
[0012] -種適用于認知無線網絡的對稱同步跳頻通信方法，具體如下：
[0013] 基于21^1個發送跳頻序列·^^，, 5^2L_]xui l和21^1個接收跳頻序 列和….構建-個包含2k/21_1 = 2k+1_1個周期性跳頻序列的同 步對稱跳頻系統，其中，1 e [ 1，k-Ι ]，所述同步對稱跳頻系統的跳頻序列 migW)的周期時間長度為(k+i-i)22k-1個時隙，跳頻序列的周期可以被劃 分為k+1-l幀，即幀0，1，. . .，j，. . .，k-l，所述幀0，1，. . .，j，. . .，k-l為幀的編號，每幀均包 含 22k4 個時隙，ie[0，k-l]。
[0014] 進一步地，對于任意幀j，
[0015] 若!_// 2^1為偶數，則跳頻序列(0的幀j即為22 k-1時隙跳頻序列
[0016] 若[/ / 為奇數，則跳頻序列《SSCi/i& (/)的幀j即為22 h1時隙跳頻序列
[0017] 本發明的有益效果是：
[0018] 與現有對稱同步跳頻系統相比，本發明所提出的對稱同步跳頻系統能夠提供更短 的平均匯聚間隔和更小的平均信道負載。而基于所提對稱同步跳頻系統的控制信息交互機 制能支持認知節點具備靈活選擇控制信息發送和接收的能力，并使得認知無線網絡能充分 利用所有可接入的信道資源以實現跳頻匯聚，從而能夠有效避免對授權用戶的通信干擾和 極大地緩解基于單個公共控制信道進行控制信息交互所面臨的控制信道流量飽和問題。與 基于跳頻匯聚的認知無線網絡控制信息交互機制相比，基于所提對稱同步跳頻系統的控制 信息交互機制能有效地提高認知無線網絡控制信息的整體傳輸吞吐量，并且降低所有認知 用戶控制信息交互的平均傳輸時延。
【附圖說明】
[0019]圖1為（3,2)循環差集構造的quorum系統。
[0020]圖2為(8,4)循環差集構造的quorum系統。
[0021] 圖3為SSC//;?與Q-MCH、L-MCH的吞吐量的結果對比。
[0022] 圖4為SSC/f^Q-MCH^-MCH的時延的結果對比。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖，對本發明作進一步地詳細描述。
[0024] 實施例、
[0025] -種適用于認知無線網絡的對稱同步跳頻通信方法，具體如下：
[0026] 基于2k4個發送跳頻序列巧；^…個接收跳頻序 列, 構建一個包含2V21-1個周期性跳頻序列的同 步對稱跳頻系統，其中，1 e [1，k_l]，所述同步對稱跳頻系統的跳頻序列 的周期時間長度為(k+l-l)22H個時隙，跳頻序列的周期可以被劃 分為k+1-l幀，即幀0，1，. . .，j，. . .，k-l，所述幀0，1，. . .，j，. . .，k-l為幀的編號，每幀均包 含221-1個時隙，ie[0，k-l]。對于任意幀j，若為偶數，則跳頻序列的幀 j即為22k-1時隙跳頻序列5p--1-~卩_2;-1，若μ/ 怒的幀j即為22k-1時隙跳頻序列部:丨…叫]力.
[0027] 當j = 0時，跳頻序列…，島⑶丨么口"-1)的幀〇分別為22k-1 時隙發送跳頻序列破匕_1:,…，虞，而-il),…， &^#:11以-《-1)的幀〇分別為22^1時隙接收跳頻序列<:丨_ 1,42:11，一，4::)11:。 1。類似 地，當j>〇時，有2k<個跳頻序列的幀0分別為221- 1時隙發送跳頻序列d, 丄？1-1，· . · ， * 而剩余個跳頻序列的幀0分別為221-1時隙接收跳頻序列 , .因此，所有2k+l_l個跳頻序列在幀je[0,k_l]內的平均信道負載 為21/2k。
[0028] 例如，當k = 3和1 = 2時，基于本發明方法所生成的同步對稱跳頻系統55(??包含 以下4(=2k+l-l)個周期時間長度為32( = (k+l-l)22k-l)個時隙的跳頻序列：
[0029] 55^^(0) = (5,^:,5 !
[0030] SSCX^(1) = {C：,； </,：,}
[0031] SSC/i;s3)⑵={ iC;文8人4
[0032] ss'a/3(3)={iC; ?
[0033] 將相應的發送和接收跳頻序列帶入，即得：
[0038]另一方面，當k = 3和1 = 1時，基于本發明方法所生成的同步對稱跳頻系統 包含下述8個長度為96時隙的周期性跳頻序列：
[0047] 可以看出，跳頻序列~中的任意兩個均可在每個32時隙周期內 在所有8個可接入信道上實現跳頻匯聚，其平均匯聚時間間隔和平均信道負載分別為3.33 和1/2;而跳頻序列~ 的任意兩個均可在每個96時隙周期內在所有8個可 接入信道上實現跳頻匯聚，其平均匯聚時間間隔和平均信道負載分別為8.28和1/4。
[0048]基于0ΡΝΕΤ軟件進行仿真性能分析。
[0049] 當K = 8，q = 4時，由SSCH構建算法得到對稱同步跳頻系統SSC//G，經過SSCH構建 算法改進協議后，得到的跳頻序列為：
[0054] 現有的對稱同步跳頻協議是基于循環松弛差集(relaxed cyclic difference s e t)的思想提出了 quorum系統的概念，由此設計了同步對稱算法M-QCH與L-QCH。quorum系 統即由一個(n，k)循環差集與它的η個旋轉集合構成。所有的(n，k)循環差集中，任意兩個集 合都存在至少一個元素的交集，并將此元素所在的所有位置設置為某一個信道編號。對于K 個信道的序列構建，即將quorum系統順序延長K倍即可得到全部的信道匯聚。M-QCH構造跳 頻序列是基于(3，2)的循環差集，而L-QCH構造跳頻序列L-QCH是基于最小循環差集，其參數 n，k的值可以根據需要進行調整。圖1為(3,2)循環差集構造的M-QCH跳頻系統，其中，編號h 表示為隨機選擇的一個可用信道編號，圖2為(8,4)循環差集構造的L-QCH跳頻系統。將(3， 2)循環差集與（8,4)循環差集進行8倍長度的延長，便得到8個信道的1-0〇1系統與1^-0〇1系 統。這些算法在可匯聚信道個數及平均匯聚時間間隔上都表現出了很大的優勢，但是信道 負載(ACL)較大。依然相對于信道個數K = 8的情況，表1總結了在此仿真中的所有的跳頻系 統的ATTR和ACL。所有的認知節點均從所設計的對稱同步序列集合中隨機的選取跳頻序列。
[0055] 表1Κ = 8時，不同的跳頻序列的參數對比
[0056]
[0057] 在仿真中，考慮了由4-108個認知用戶組成的基于頻率跳躍的認知無線網絡通信 場景。在這一通信場景中，所有認知用戶均勻的分布在l〇〇〇m在的認知無線的正方形區域當 中。每個授權用戶在一個授權信道上以指數分布的方式出現，即授權用戶占用該授權信道 的平均時間和平均空閑時間均為1秒。每個認知發送節點均從同一個發送序列集合中選擇 一個發送跳頻序列，而每個認知接收節點均從同一個接收序列集合中選擇一個接收跳頻序 列。為實現認知發送和接收節點對之間的跳頻匯聚，
[0058]根據本發明所提出的SSCHg系統和現有的M-QCH、L-QCH進行了仿真分析。仿真中 的相關參數設置如表2所示。
[0059]表2網絡中節點屬性仿真參數設計 [0060]
[0061]為減小波動同時提高仿真的準確定，每次仿真的結果都是至少10次仿真的均值。 圖3表示不同的節點密度下，使用算法SSC//匕對整個網絡的吞吐量的影響 結果對比。圖4表示不同的節點密度下，使用算法與M-QCH、L-MCH對整個網絡的時延 的影響結果對比。從圖中顯然可以看出：無論節點密度如何，的性能始終優于L-MCH 和M-QCH;而在節點密度較小時，M-QCH比L-MCH的性能要好一些，反之，節點密度大時，L-MCH 比M-QCH好一些。這都是由這些算法的ACL與ATTR相互制衡的結果。
【主權項】
1. 一種適用于認知無線網絡的對稱同步跳頻通信方法，其特征在于，具體如下： 基于21-1個發送跳頻序列卜接收跳頻序列勾建一個包含272^ = 215+1個周期性跳頻序列的同步 對稱跳頻系統，其中，ie [i，k-i]，所述同步對稱跳頻系統的跳頻序列 ⑴的周期時間長度為(k+l-l)22H個時隙，跳頻序列的周期可以被劃 分為k+1-l幀，即幀0，1，.. .，j，.. .，k-l，所述幀0，1，. ..，j，. ..，k-l為幀的編號，每幀均包 含 221^1 個時隙，ie[〇，k-l]。2. 根據權利要求1所述的一種適用于認知無線網絡的對稱同步跳頻通信方法，其特征 在于:對于任意幀j， 若[// 為偶數，則跳頻序列MCW1H (/)的幀j即為2 2 k - 1時隙跳頻序列若L//2lb'J為奇數，則跳頻序列MCWg \ (〇的幀j即為2 2 k - 1時隙跳頻序列
【文檔編號】H04W16/14GK106028347SQ201610322061
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月13日
【發明人】譚雪松, 吳玉香
【申請人】電子科技大學