一种支持节点优先级的认知无线网络跳频通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种用于认知无线网络的基于频率跳变的通 信交互机制设计。
【背景技术】
[0002] 为了在不干扰授权网络通信的前提下灵活利用授权网络的空闲频谱资源进行通 信，认知无线网络需要具备一套高效的控制信息交互机制，以实现在认知节点之间传递包 括频谱感知结果、时钟同步和通信频段预约等大量的控制信息。而基于频率跳变的控制信 息交互方式能够通过不断地改变认知节点交互控制信息的通信频段(或信道），灵活而快速 地寻找到未被授权用户占用的通信频段(或信道），因而具备较好的抗授权用户干扰能力。
[0003] 与此同时，只有当发送和接收认知节点实现了跳频汇聚，即在同一个时隙内同时 跳跃到同一个信道上，它们才能进行控制信息的交互。如果每个认知节点均从一定的跳频 序列集合中独立地选择其跳频序列，那么不同认知用户在同一时隙内可以实现在多个信道 上的跳频汇聚，从而有效避免基于单个固定控制信道交互控制信息所导致的控制信道流量 饱和问题。因此，如何为认知节点设计可选跳频序列集合就成为影响基于跳频汇聚的控制 信息交互性能的主要因素。
[0004]通常，衡量一个跳频序列集合优劣的参数包括：
[0005] 可汇聚信道个数，即该集合任意两个跳频序列可以产生汇聚的信道总个数。当可 汇聚信道个数越多，则基于跳频汇聚的控制信息交互具备更强的抗授权用户干扰能力。
[0006] 平均汇聚时间间隔，即该集合任意两个跳频序列实现连续两次汇聚的平均时间间 隔。当平均汇聚时间间隔越短，则基于跳频汇聚的控制信息交互具备更短的交互时延和更 高的控制信息传输吞吐量。
[0007] 信道负载，即在同一时隙跳到同一信道上的认知节点个数与认知节点总个数之间 的比值。该比值的可能范围为[0，1]。当信道负载越小，则认知节点基于跳频汇聚的控制信 息交互所产生的控制信息碰撞或拥塞情况就越少，控制信息交互的性能就越好。
[0008] 在现有基于频率跳跃的控制信息交互方式中，所有认知发送节点均会从同一发送 跳频序列集合中随机选择一个跳频序列，而所有认知发送节点均会从同一接收跳频序列集 合中随机选择一个跳频序列。虽然该控制信息交互机制可以确保任意一个发送跳频序列和 任意一个接收跳频序列都能在所有可接入信道上实现跳频汇聚，但会导致所有的认知发送 和接收节点对均具备相同的平均汇聚时间间隔，无法为不同的认知发送和接收节点对区分 不同的通信优先级别，从而不能为重要性较高的认知发送和接收节点对(例如网络骨干节 点）提供优于重要性较低的认知发送和接收节点对(例如网络终端节点）的通信传输性能。 同时，该交互机制所产生的信道负载也比较大，不利于认知无线网络整体通信传输性能的 提升。
【发明内容】
[0009] 本发明针对现有技术的不足，提出一种支持节点优先级的认知无线网络跳频通信 方法。与现有基于频率跳跃的控制信息交互方式相比，本发明需要为不同优先级别的发送 和接收认知节点对分别设计不同的发送和接收跳频序列集合，以确保高优先级认知节点能 够获得比低优先级认知节点更短的平均汇聚时间间隔，并且能够有效降低控制信息交互的 信道负载
[0010] 本发明的技术方案为：
[0011] 每个认知发送或接收节点的收发信机均会在所有N个授权信道上根据一定的跳频 序列进行周期性的跳跃，在避免对授权用户通信产生干扰的前提下达到充分利用空闲授权 频谱资源的目的。在每个时隙的开始，每个发送或接受节点会首先将其收发信机切换到一 个新的授权信道上，然后对该授权信道进行实时的频谱感知。
[0012] 如图1所示，如果一个有通信需求的认知发送节点感知到当前信道未被授权用户 占用，那么它会根据其通信需求向某一接收节点发出通信预约请求，并在与接收节点成功 预约数据传输信道之后暂时停止跳频并切换到相应的传输信道上发送数据；否则，它会在 当前信道上保持静默，直到当前时隙结束为止。如图2所示，如果一个认知接收节点感知到 当前信道未被授权用户占用，那么它会持续监听该信道，在收到某一发送节点发给它的通 信预约请求之后回复数据传输信道的确认信息，暂时停止跳频，并切换到相应的传输信道 上接收数据；否则，它会在当前信道上保持静默，直到当前时隙结束为止。在本发明所提的 控制信息交互方法中，当认知无线网络中的所有发送和接收节点对均具备一定的优先级别 时，可以为不同优先级别的节点设计不同的发送和接收跳频序列集合，并使得每个优先级 组别中的所有节点均从相应的跳频序列集合中随机选择一个，就能为具备不同优先级的所 有发送和接收节点对提供不同的跳频汇聚间隔，最终为不同优先级别的认知发送和接收节 点对提供不同的数据传输吞吐量和时延性能。
[0013] 为了更好的理解本发明，首先对本发明用到的几个定理进行介绍：
[0014] 定理1、在由0，1，. . .，N-1共N个数字所构成的圆上，如果一个由初始数字为bse [0，N-1]和固定移动速率为rse[0，N-l]的顺时针移动所产生的序列s和一个由初始数字为 bae[0，N_l]和固定移动速率为rae[0，N_l]的逆时针移动所产生的序列a同时满足如下一 些条件，即1^+1' ￡1 = 1'1/^，1^ = 13￡11]1〇(1(1'1/^)，；1^和1'1互为质数，1'￡1和1'1互为质数，并且9为1'1的一个 非1真因子，那么序列s和a在每N次连续移动中一定会在N/q个不同的数字上实现汇聚，并且 它们连续两次汇聚所间隔的移动次数均为q:
[0015] 如图3所示，以序列X、5^Pz为例，N = 8。对于序列X和y，它们的初始数字分别为bx = by=2,而它们的移动速率分别为rx=l和ry=l。由于它们满足rx+ry=N/q = 2，bx = bymod2，rx 和N互为质数，ry和N互为质数，并且q = 4为N = 8的一个非1真因子，因此序列X和序列y在每8 次连续移动中一定会在2个不同的数字上实现汇聚，并且它们连续两次汇聚所间隔的移动 次数均为4。另一方面，对于序列z来说，它的初始数字和移动速率分别为b z = 2和Zz = 3。由于 序列y和z满足ry+rz = N/q = 4，bz = bymod4，rz和N互为质数，并且q = 2为N=8的一个非l真因 子，因此序列X和y在每8次连续移动中一定会在4个不同的数字上实现汇聚，并且它们连续 两次汇聚所间隔的移动次数均为2。也就是说，随着q取值的变化，两个序列汇聚的频率和时 间间隔也会发生变化。
[0016] -种支持节点优先级的认知无线网络跳频通信方法，包括如下步骤：
[0017] S1、每个认知发送或接收节点的收发信机在N个授权信道上根据一定的跳频序列 进行周期性的跳跃，其中，N是不为零的自然数；
[0018] 32、将认知无线网络中所有节点划分为1个优先级，1^,3+；1^3 = 1^/^^,」=1^,」 m〇dul〇(N/qi)，其中，Me [1，m]，m为认知无线网络可用信道个数N的非1真因子个数，ri, s为 优先级为i的认知发送节点单次跳频的信道间隔，r1>t为优先级为i的认知接收节点单次跳 频的信道间隔，ai,j为优先级为i认知接收节点跳频序列的初始信道，bi,j为优先级为i认知 发送节点跳频序列的初始信道，r 1>s与N互质，ri,t与N互质，qi*N的非1真因子，表示优先级 为i的认知发送和接收节点对实现连续两次汇聚所需的跳频次数，i = l，2,3, . . .，M，qM< qM-i< . . . <qi;
[0019] S3、优先级为i的认知接收节点的接收跳频序列集合为Wi，优先级为i的认知发送 节点的发送跳频序列集合为Φ i;
[0020] S4、每个优先级为j的认知发送节点和每个优先级为j的接收节点对均能够在一定 时间段内实现多于每个优先级为k的认知发送和接收节点对的跳频汇聚次数，在优先满足 高优先级的认知发送和接收节点对通信需求的同时，为低优先级的认知发送和接收节点对 提供一定的通信机会，其中，j>k，j = l，2,3,. . .，M，k=l，2,3,. . .，M。
[0021 ]进一步地，S3所述接收跳频序列集合Wi的生成方法为：
[0022] S311、认知无线网络的可接入信道编号集合为{0，1，. . .，N_1}，所有认知发送节点