一种最优的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法与流程

本发明涉及认知无线电网络领域，特别设计一种最优的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法。

背景技术：

随着无线通信业务需求的快速增长，频谱资源日益紧张，人们通过无线通信理论和技术，致力于提高频谱利用效率。而频谱资源供需矛盾的根本原因不在于频谱资源稀缺，而是和当前静态频谱管理策略有关，即授权用户对其频谱具有独占性。在全球授权频段，尤其是信号传播特性较好的低频段的频谱利用率较低。因此，相比于日益拥挤的非授权频段，授权频段的低利用率成为研究人员解决频谱资源供需紧张问题的突破口。认知无线电作为一种更加智能的频谱共享技术，能够感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时自适应地改变系统工作参数，动态检测并有效利用空闲频谱，使得未被授权的用户能有效利用已被授权的频谱资源。采用动态频谱接入方式的认知无线电网络能有效提高授权频段的利用率，被认为是无线网络未来演化和发展的方向。

信道交汇针对解决认知无线电网络中接入协商问题，是实现动态频谱接入网络组网的基础，也是实现网络管理和控制的前提条件。其中盲信道交汇策略不依赖网络预设的专用公共控制信道，是一种动态按需的信道交汇策略，也是目前最适合认知无线电网络信道可用性动态变化特性的策略。认知无线电设备优良的信道切换性能使得基于信道跳转序列的信道交汇策略显示出较大优势，其将认知用户通过频谱感知获取的所有可用信道组织成有特定序列结构的信道跳转序列，并按照序列以时隙的工作方式执行信道跳转过程。若交汇的两个用户在同一时隙跳转到同一信道上并且此信道没有被授权用户占用，即认为这两个用户成功交汇并建立起连接，并且能够在这一时隙进行数据的发射和接收，完成信道交汇。为了避免时钟同步带来的控制开销，研究者提出了异步序列策略，从而实现时钟异步条件下完成信道交汇。但认知无线电网络信道数多且信道可用性动态变，因此交汇搜索的时延开销仍然很大。

为了衡量信道交汇序列的时延开销，我们通常选取以下两个指标来比较。最大交汇时间(maximumtimetorendezvous，mttr)是不考虑授权用户活动时，通信双方在最坏情况下(交汇信道第1次出现的最坏情况)实现信道交汇所消耗的时间；最大条件交汇时间(maximumconditionaltimetorendezvous，mcttr)是考虑授权用户活动时，通信双方在最坏情况下完成信道交汇的消耗时间。其中，mttr是否存在决定了盲信道交汇策略是否为确定性策略，即能在一个序列周期保证至少一次交汇成功；mcttr存在的前提是信道交汇策略可以保证确定性交汇。

为了解决认知无线电网络中信道交汇算法时延开销较大的问题，已经有一些序列构造方法被提出。在总可用信道数为n的情况下：kaiguibian等人在2013年发表的“maximizingrendezvousdiversityinrendezvousprotocolsfordecentralizedcognitiveradionetworks”中提出的ach构造方法使得mttr＝n²-n+1，mcttr＝n²；guey-yunchang等人在2014年发表的“novelchannel-hoppingschemesforcognitiveradionetworks”中提出的arch构造方法使得mttr＝2n-1，mcttr＝n²，而n须为偶数；jang-pingsheu等人在2016年发表的“asynchronousquorum-basedblindrendezvousschemesforcognitiveradio”中提出的d-qch构造方法使得mttr＝2n-1，mcttr＝n²；cheng-shangchang等人在2016年发表的“tightlowerboundsforchannelhoppingschemesincognitiveradionetworks”中提出的wfm构造方法使得mttr＝n+1，mcttr＝n²。而根据计算推导目前所得的理论最优值是mttr＝n，mcttr＝n²，这些算法均没有能够达到mttr的理论最优值，如何进一步减小mttr和mcttr这两个衡量值指标成为本领域人员需要研究的问题。

因此，需要一种新的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法来进一步减小信道交汇搜索的时延开销，从而达到更优的交汇性能。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种最优的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法，使信道交汇的时延开销达到目前计算推导所得的理论最优值。

本发明提供一种包括认知无线电网络中发送方信道跳转序列构造方法、接收方信道跳转序列构造方法和实现信道交汇的系统模型；所述发送方和所述接收方按照各自生成的信道交汇序列跳转，当双方在同一时隙跳转到同一信道并且此信道没有授权用户占用时，成功交汇并建立起连接，并且在这一时隙进行数据的发射和接收，完成信道交汇。

进一步地，所述的发送方信道交汇序列的构造过程包括：s11.择奇数n个可用信道依次编号，随机排序生成全排列，即得到一个长度为n的子序列w；s12.把子序列w重复n次，则构造出长度为n²的发送方信道跳转序列。

进一步地，所述的接收方信道交汇序列的构造过程包括：s21.用s11的方法生成信道跳转的子序列w；s22.除子序列w中位置最中间的元素，提取出中间位置向前向后i位置对称的两个元素并且交替重复n次，生成长度为2n的序列，把序列前后拆分为等长的两个序列r1,i，r2,i。s23.把s22中生成的2i个序列按照的顺序相连接，接着在序列首部接上子序列w，则构造出长度为n²的接收方信道跳转序列。

进一步地，所述的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法中系统模型条件为：收发方信道跳转起始时间异步，但单位时隙持续时间相等；单天线即认知用户在每个时隙仅能跳转到一个信道。

进一步地，所述的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法中系统模型条件为：无专用控制信道；非对称，即区分发送方和接收方。

进一步地，所述的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法中系统模型条件为：收发双方可感知到的空闲信道情况相同，所有认知用户共享一系列已授权信道；在信道跳转序列生成结束前，不会通过频谱预感知排除忙碌信道。

通过本发明的方法，减小信道交汇的时延开销，相较于其他交汇算法达到最优的交汇性能。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，本发明的有益效果将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明实施例提供的认知无线电网络信道交汇序列构造及交汇过程的示意图。

图2是本发明实施例提供的认知无线电网络无授权用户信道交汇信道跳转序列的示意图。

图3是本发明实施例提供的认知无线电网络有授权用户信道交汇信道跳转序列的示意图。

图4是本发明方法提供的认知无线电网络信道交汇mcttr时延开销的仿真实验图。

图5是现有技术和本发明方法提供的认知无线电网络信道交汇mttr时延开销的仿真实验图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提供的一种包括认知无线电网络中发送方信道跳转序列构造、接收方信道跳转序列构造和实现信道交汇的系统模型；所述发送方和所述接收方按照各自生成的序列跳转，当双方在同一时隙跳转到同一信道时，信道交汇成功。

作为优选方案，所述的发送方信道交汇序列的构造过程包括：s11.选择奇数n个可用信道依次编号，随机排序生成全排列，即得到一个长度为n的子序列w；s12.子序列w重复n次，则得到长度为n²的发送方信道跳转序列。

作为优选方案，所述的接收方信道交汇序列的构造过程包括：s21.用s11的方法生成信道跳转的子序列w；s22.除子序列w中位置最中间的元素，把中间位置向前向后i位置对称的两个元素提取出并交替重复n次，生成长度为2n的序列，将序列从中间直接拆分为等长的两个序列r1,i，r2,i。s23.把s22中生成的2i个序列按照的顺序相连接，再在序列最前端插入子序列w，则得到长度为n²的接收方信道跳转序列。

作为优选方案，在所述的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法中系统模型条件设定为：收发方信道跳转起始时间异步，但单位时隙持续时间相等；单天线即认知用户在每个时隙仅能跳转到一个信道。

作为优选方案，在所述的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法中系统模型条件设定为：无专用控制信道；非对称，即区分发送方和接收方。

作为优选方案，在所述的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法中系统模型条件设定为：收发双方可感知到的空闲信道情况相同，所有认知用户共享一系列已授权信道；在信道跳转序列生成结束前，不会通过频谱预感知排除忙碌信道。

图1示出了本发明实施例提供的认知无线电网络信道交汇序列构造及交汇过程。认知用户通过频谱感知获取的所有可用信道组织成有特定序列结构的信道跳转序列，并依据序列以时隙为时间单位在信道上执行跳转。认知用户之间的时钟是异步的，并且交汇双方的时钟差异为随机值。当交汇的两个用户在同一时隙跳转到同一编号的信道上时，判断此信道是否已被其它授权用户占用。若已被占用，则交汇时间增加，双方按照既定序列继续跳转重复判断过程；若没有占用即认为这两个用户成功交汇并建立起链接，并且能够在这一时隙进行数据的发射和接收，完成信道交汇。

图2和图3分别示出了本发明实施例提供的认知无线电网络没有和存在授权用户时信道交汇信道跳转序列。在选取总信道数为5的情况下，发送方和接收方均按照本发明所述方法构造信道交汇序列。双方开始跳转的异步时间差为随机值，交汇时间从后开始的一方跳转开始计算。图2情况下没有授权用户占用信道，双方在第4个时隙同时跳转到信道“3”，信达交汇成功，交汇时间(ttr)为4；图3情况下授权用户占用信道“3”，双方在第4个时隙虽然同时跳转到信道“3”，但由于授权用户占用，信达交汇失败继续跳转，直到第12个时隙双方同时跳转到信道“2”，交汇时间(ttr)为12。

本发明采用matlab对现有算法和本发明方法进行实施。基于异步交汇的模型假设，收发双方随机相差若干个时隙开始信道跳转，并且独立互不干扰地生成各自的跳转序列。每个仿真结果均是20000次独立仿真所得结果。交汇时延开销用交汇时间(ttr)的具体指标来衡量。

图4示出了本发明方法提供的认知无线电网络信道交汇mcttr时延开销的仿真实验图，反映了本发明方法信道交汇mcttr随总可用信道数变化的曲线。从图中可以看出本发明方法的mcttr已经达到理论最优值n²。

图5是现有技术和本发明方法提供的认知无线电网络信道交汇mttr时延开销的仿真实验图，反映了现有技术和本发明方法信道交汇mttr随总可用信道数变化的曲线。从图中可以看出本发明方法的mttr低于现有技术所需的mttr，并且达到理论最优值n，相较于其他交汇算法达到最优的交汇性能。

以上应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。