认知移动自组织网络控制信道选择方法与流程

本发明涉及控制信道选择
技术领域：
，具体的说是一种认知移动自组织网络控制信道选择方法。
背景技术：
：认知无线电(cognitiveradio,CR)作为一种智能频谱共享技术，通过感知当前通信环境的变化，基于人工智能学习外部环境特征，并自适应调整工作参数，能机会接入主用户(primaryuser,PU)暂时未用的空闲信道，从而有效提高频谱利用率。移动adhoc网络(mobileadhocnetwork,MANET)是一种无需部署固定基础设施的无线自组织网络。将认知无线电技术融入MANET网络，可灵活、快捷构建和部署认知MANET(CR-MANET)网络。CR-MANET网络是认知无线电技术对MANET的拓展，其无线频谱不固定，而是通过频谱感知寻找频谱空穴，动态接入。CR-MANET网络通常未配置专门的控制信道，但执行网络管理、路由协议、频谱感知等需要在节点之间交互控制信息。在CR-MANET网络中，分布在通信范围内的主用户对授权信道的随机占用会造成不同认知用户(secondaryuser,SU)的可用信道集具有空间差异性，且随主用户活动状态动态变化。近年来，基于跳频序列选择控制信道受到了广泛研究。但现有的基于交会技术的控制信道选择中，大多以信道可用、不变为前提设计跳频序列，未考虑主用户活动规律和信道质量对控制信道选择的影响，无论是跳频序列设计，还是平均交会时间、最大交会时间等指标均有改进和提升空间。技术实现要素：针对上述问题，本发明提供了一种认知移动自组织网络控制信道选择方法，通过提取可用信道属性，基于多属性决策对信道质量进行评估和排序，并依据评估结果设计等时隙跳频图样，该方法减小了交会时间，提高了对主用户活动的鲁棒性。为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：一种认知移动自组织网络控制信道选择方法，其关键在于按照以下步骤进行：S1：所有认知用户执行频谱感知，获得各自潜在的可用信道集合C和可用信道数M；S2：根据可用信道的属性，对可用信道集合C中所有可用信道的质量进行评估和排序，生成可用信道列表X；S3：采用特定的映射准则构造跳频序列集合Y，进而生成跳频图样；S4：依据跳频图样执行信道跳转，并运行握手协议进行交会；S5：判断是否交会成功，若是，结束，完成控制信道选择；否则返回步骤S4。进一步地，步骤S2中对可用信道质量进行评估和排序，生成可用信道列表X的方法具体包括，S21：根据可用信道质量评估标准，确定应用场景及该应用场景对信道的需求；S22：利用层次分析法确定信道属性主观权重；S23：收集信道属性参数值，利用熵权法确定信道属性客观权重；S23：由步骤S22得到的主观权重和步骤S23得到的客观权重结合构建复合权重；S25：采用TOPSIS法，结合复合权重，计算各信道的贴近度，对潜在的可用信道集合C排序，生成可用信道列表X。再进一步描述，所述可用信道质量评估标准包括：主用户活跃度、信干噪比、工作频点、信号带宽、相干带宽和相干时间。再进一步描述，步骤S21中确定应用场景对信道需求的具体方式为：根据应用场景对信道属性的要求，构建判决矩阵。再进一步描述，步骤S3的具体方法为：S31：分别对可用信道集合C、可用信道列表X进行编号，得到可用信道集合C＝{c1,c2,…}，可用信道列表X＝{x1,x2,…}；S32：确定反比例函数关系设计映射准则，根据yi与xi的关系式求得yi，从而得到跳频序列集合Y＝{y1,y2,…}；其中yi为信道ci在跳频图样中出现次数，xi为信道ci在可用信道列表X中的序号；Mi为第i个认知用户在一个运行周期通过频谱感知获得的潜在可用信道数；S33：计算序列长度L：其中，[·]表示舍零取整；S34：依据伪随机序列对步骤S32得到的跳频序列集合Y不重复抽取生成跳频图样。本发明的有益效果：基于本发明提出的反比例映射准则执行可用信道列表生成跳频序列集合，进而设计跳频图样，其交会时间短，所选择的控制信道对主用户活跃度鲁棒性更强，能充分利用频谱空洞，提高了频谱利用率。附图说明图1是本发明认知移动自组织网络控制信道选择方法流程图；图2是本发明可用信道列表生成方法流程图；图3是本发明构造跳频序列集合进而生成跳频图样方法流程图；图4是三种映射准则下的平均交会时间对比示意图；图5是三种映射准则下的最大交会时间对比示意图；图6是三种映射准则下最优信道在跳频图样中所占比例对比示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。从图1可以看出，一种认知移动自组织网络控制信道选择方法，以下步骤进行：S1：所有认知用户执行频谱感知，获得各自潜在的可用信道集合C和可用信道数M；S2：根据可用信道的属性，对可用信道集合C中所有可用信道的质量进行评估和排序，生成可用信道列表X；结合图2可以看出，其具体方法为，S21：根据可用信道质量评估标准，确定应用场景及该应用场景对信道的需求；S22：利用层次分析法确定信道属性主观权重；S23：收集信道属性参数值，利用熵权法确定信道属性客观权重；S23：由步骤S22得到的主观权重和步骤S23得到的客观权重结合构建复合权重；S25：采用TOPSIS法，结合复合权重，计算各信道的贴近度，对潜在的可用信道集合C排序，生成可用信道列表X。进一步地，在本实施例中，可用信道质量评估标准包括：主用户活跃度、信干噪比、工作频点、信号带宽、相干带宽和相干时间。其中，主用户活跃度：主用户活跃度是影响信道对认知用户可用性的决定性因素。信干噪比：信干噪比定义为认知用户的接收信号功率与干扰和噪声功率之比，表征接收信号质量，是认知用户能正常通信和频谱判决的指标之一。第i个认知用户在信道ck上的信干噪比为：其中，和分别为第i个认知用户发射端、其他认知用户发射端和主用户的发射功率及其到第i个认知用户接收端的信道增益；N0为噪声功率；Ns,Np分别为认知用户数和主用户数；ai为第i个认知用户发射端的信号传输空间覆盖范围，如果否则f(am,ai)＝1。工作频点：高频段电波覆盖范围小，传输速率高；低频段覆盖范围大，穿透能力强。信号带宽：信号带宽B＝f2-f1，其中f1,f2分别是信号的最低频率和最高频率分量。相干带宽：电波在传播过程中的多径效应导致时延扩展。相干带宽是表征多径信道特性的参数，定义为信道处于强相关的频率差范围。相干时间：电波在传播过程中的多普勒效应导致多普勒扩展。相干时间是在时域描述信道频率色散的参数，定义为信道处于强相关的时间差范围。确定应用场景对信道需求的具体方式为：根据应用场景对信道属性的要求，构建判决矩阵。S3：采用特定的映射准则构造跳频序列集合Y，进而生成跳频图样；结合图3，其具体方法为：S31：分别对可用信道集合C、可用信道列表X进行编号，得到可用信道集合C＝{c1,c2,…}，可用信道列表X＝{x1,x2,…}；S32：确定反比例函数关系设计映射准则，根据yi与xi的关系式求得yi，从而得到跳频序列集合Y＝{y1,y2,…}；其中yi为信道ci在跳频图样中出现次数，xi为信道ci在可用信道列表X中的序号；Mi为第i个认知用户在一个运行周期通过频谱感知获得的潜在可用信道数；S33：计算序列长度L：其中，[·]表示舍零取整；S34：依据伪随机序列对步骤S32得到的跳频序列集合Y不重复抽取生成跳频图样。S4：依据伪随机序列，跳频图样执行信道跳转，并运行握手协议进行交会；S5：判断是否交会成功，若是，结束，完成控制信道选择；否则返回步骤S4。不同应用场景对信道属性的要求不同，例如城区和郊区两个应用，对信道属性的要求不同。在城区，用户密度大、移动速度慢。主用户活动对认知用户的影响是首要因素，一旦主用户激活占用信道，认知用户必须立即退出。城区的干扰和噪声显著，对信干噪比要求高；城区高楼林立，多径效应明显，对信道相干带宽要求高；用户移动速度较慢，多普勒效不明显，可降低对信道相干时间的要求。在郊区，用户密度小、环境开阔。主用户激活仍是首要因素，对信干噪比要求高；用户移动速度快，多普勒效应明显，对信道相干时间要求高；环境开阔，多径效应不明显，可放宽对信道相干带宽的要求。低频段覆盖范围大，在其他信道属性同等条件下，优选低频点信道。不同应用场景对信道属性的主观要求如表1所示。在本实施例中，为了分析本发明提出的可用信道质量评估方法和控制信道选择方法的性能，各可用信道质量评估标准参数如表2所示：信道属性分布主用户主用户活跃度服从0-0.1次/单位时隙的均匀分布信干噪比服从5-30dB的均匀分布带宽200kHz频点GSM900频段频点相干带宽时延扩展服从10-500ns的均匀分布相干时间多普勒扩展服从30-90Hz的均匀分布在本实施例中，认知用户经过频谱感知获得的可用信道数为5，其信道编号为C＝{c1,c2,c3,c4,c5}。以城区应用场景为例，以主用户活跃度、信干噪比、工作频点、信号带宽、相干带宽和相干时间为可用信道质量评估标准，城区应用场景各可用信道质量评估标准取值如表3所示：根据城区应用场景对可用信道质量评估标准的要求，构建如表4所示的判决矩阵。利用层次分析法确定信道属性主观权重：WS＝[0.39130.26090.08700.17390.04350.0435]利用熵权法确定信道属性客观权重：WN＝[0.75740.1378-0.00000.10240.00120.0012]则复合权重W：W＝[0.57430.19930.04350.13820.02240.0223]根据TOPSIS法，结合复合权重计算各信道的贴近度，并对候选信道排序，得到可用信道列表X，具体见表5：信道贴近度排序c30.91301c10.83342c20.56583c50.41214c40.12295表征控制信道选择方法性能的重要指标是交会时间(timetorendezvous,TTR)，过长的交会时间无法满足应用对时延的需求。本实施例选择平均交会时间(averagetimetorendezvous,ATTR)和最大交会时间(maximumtimetorendezvous,MTTR)作为评估映射准则交会时间的指标。将本实施例设计的反比例映射准则与线性映射准则、抛物线映射准则进行5000次MonteCarlo对比仿真。得出基于反比例映射准则生成的跳频图样执行控制信道选择，其平均交会时间和最大交会时间均比线性映射准则和抛物线映射准则短，具体见图4和图5所示。执行信道质量评估获得可用信道列表，其中排序最前的信道质量最好。最优信道在跳频图样中所占比例越大，交会成功率越高，也更能保证次用户的通信质量。从图6可以看出，三种映射准则下最优信道在跳频图样中所占比例，结果表明：在三种映射准则中，基于反比例映射准则生成的跳频图样中，最优信道所占比例最高。当前第1页1 2 3