基于信道跳变的分布式多信道握手方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于信道跳变的分布式多信道握手方法，主要解决现有方法频谱利用率和公平性低的问题。其实现步骤是：1)在协商阶段，所有的认知用户按照信道跳变序列进行协商；2)协商成功的认知用户对计算可用于数据传输的目标信道集合O；3)协商成功的认知用户对使用置信上限UCB1算法进行数据传输；4)在数据传输阶段，更新目标信道集合O，协商成功的认知用户对使用置信上限UCB1算法进行数据传输；5)没有协商成功的认知用户对等待下一个周期的协商阶段继续协商。本发明经过接入优先级和通信阶段的周期性循环，使系统性能达到最优，提高了频谱利用率和公平性，可用于认知无线电网络中。
【专利说明】基于信道跳变的分布式多信道握手方法
【技术领域】
[0001]本发明属于通信【技术领域】，涉及一种分布式多信道握手方法，可用在认知无线电网络中。
【背景技术】
[0002]近年来，随着无线通信的快速发展，可用的频谱资源变得越来越稀缺，但是美国联邦通讯委员会FCC发现:全球移动通信系统GSM蜂窝移动业务下行频段占用度特别高达70%以上，而其他业务频段的占用度都很低。得出的结论为:无线频谱没有得到充分的利用。目前研究的认知无线电技术可以对不可再生的频谱资源实现再利用，通过认知节点感知频谱空洞，然后利用频谱空洞进行机会接入，提高了频谱的利用率，因此受到了广泛的关注。
[0003]然而随着认知无线电技术的发展，很多传统通信网络不曾遇到的挑战陆续出现，比如:在一个认知无线电网路中，存在多个认知用户，认知用户和授权用户要同时使用频谱资源，并且保证认知用户不会对授权用户造成干扰，如何解决认知用户对之间有效协商并且在数据传输中能够最大化系统吞吐量的问题，学者们主要由两个方向对其进行研究，一个方面是基于固定控制信道的握手方法，另一个是基于信道跳变的握手方法。在基于固定控制信道的握手方法中的信道，一类是控制信道，仅用来传输信令信息，所有的控制信息都在该信道上交互；另一类是数据信道，仅用来传输数据信息和确认信息；在基于信道跳变的握手方法中，每个信道都可以传输信令信息和数据信息，所有的认知节点都按照序列在不同的信道上跳变。在基于固定控制信道的握手方法中，一旦授权用户连续使用固定控制信道很长时间，一切控制信息的交换将会被阻塞，存在信道不稳定和饱和问题。所以基于信道跳变的握手方法更适用于未来的认知无线电网络。
[0004]目前，认知网络中基于信道跳变的多信道握手方法都在数据传输时还是利用信道跳变序列在不同的信道上跳变，如Guey-Yun Chang等在IEEE TRANSACT1NS ON MOBILECOMPUTING 2014((Novel Channel-Hopping Schemes for Cognitive Rad1 Networks))一文中，提出了一种基于信道跳变的握手方法，此方法以各个信道跳变序列的重合度达到最大为目的，很好地解决多个认知用户对的协商，但此方法的不足有两点:一是频谱利用率低，表现在两个方面:一方面是没有考虑到认知用户对在数据传输时的信道跳变序列频繁重合问题，从而会造成多个认知用户之间频繁地发生碰撞；另一个方面是当认知用户个数比较少的时候，没必要用所有信道来构造信道跳变序列，因为构造信道跳变序列的信道数越多，序列之间重合的间隔时间越长，从而导致所有认知用户对协商成功花费的时间越长；二是认知用户之间成功接入信道的公平性低。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于信道跳变的多用户多信道握手方法，以提高频谱利用率和认知用户之间成功接入信道的公平性。
[0006]实现本发明目的的技术方案是:假定认知无线电通信系统的每个通信阶段由协商阶段和数据传输阶段构成。在协商阶段，所有认知用户按照默认的信道跳变序列进行协商，协商成功的认知用户对根据序列特征剔除其他用户在此时隙可能用于协商的信道，得出在协商阶段的剩余时间内可用于数据传输的目标信道集合，并使用解决多臂赌博机模型算法之一的置信上限UCBl算法，对信道空闲概率进行预测；再根据当前的预测结果，将目标信道集合中的信道进行排序，利用接入优先级分别接入对应的信道进行数据传输；在数据传输阶段，将数据传输信道集合更新为所有的信道，协商成功的认知用户对都利用置信上限UCBl算法进行数据传输；经过接入优先级和通信阶段的多次周期性循环，使系统性能达到最优。具体实现步骤包括如下:
[0007]I)初始化:
[0008]Ia)设系统中共有N条信道，M对认知用户，即发送端和接收端认知用户个数分别为M，且M≤N;
[0009]设发送端认知用户d的编号r和接收端认知用户h的编号V为:
[0010]r e {I, 2，…，M}，V e {I, 2，…，M}；
[0011 ] 设发送端信道跳变序列集合TCH和接收端信道跳变序列集合RCH为:
[0012]TCH = Itch1, tch2,..., tchM}, RCH = Irch1, rch2,..., rchM},
[0013]其中，tchb是第b个发送端信道跳变序列，b = I, 2,..., M, rch。是第c个接收端信道跳变序列，c = 1，2，...，M;
[0014]lb)每个认知用户对每一条信道进行一次感知，初始化置信上限UCBl算法的参数为:
[0015]当前时隙数n:n=l;
[0016]发送端认知用户d感知信道f的次数:Tf，d(l) = 1，发送端认知用户d感知信道f
且是空闲的次数:
【权利要求】
1.一种基于信道跳变的分布式多信道握手方法，包括如下步骤: 1)初始化: Ia)设系统中共有N条信道，M对认知用户，即发送端和接收端认知用户个数分别为M，且M≤N ; 设发送端认知用户d的编号r和接收端认知用户h的编号V为: r e {1,2,V e {1,2,； 设发送端信道跳变序列集合TCH和接收端信道跳变序列集合RCH为:
TCH = {tchj, tch2,..., tchM}, RCH = Irch1, rch2,..., rchM}， 其中，tchb是第b个发送端信道跳变序列，b = 1，2，...，M，rchc是第c个接收端信道跳变序列，c = I, 2,..., M ； Ib)每个认知用户对每一条信道进行一次感知，初始化置信上限UCBl算法的参数为: 当前时隙数η:n = I ; 发送端认知用户d感知信道f的次数:Tf，d(l) = 1，发送端认知用户d感知信道f且是
空闲的次数:
，其中f e {0，1，...，Ν-1}； 接收端认知用户h感知信道P的次数:Tp，h(l) = I，接收端认知用户h感知信道P且是
空闲的次数:
，其中1)￡ {0，1，...，Ν-1}； 2)认知用户根据编号在相应的信道跳变序列集合中选择信道跳变序列，即发送端认知用户d在发送端信道跳变序列集合TCH中选择发送端信道跳变序列tchp接收端认知用户h在接收端信道跳变序列集合RCH中选择rchv ； 3)设通信阶段发生在第U个周期，发送端认知用户d根据编号r、认知用户对数M和通信阶段发生的周期号U计算接入优先级a ； 4)根据步骤2)得到的信道跳变序列，每对认知用户对所选择的信道进行感知，得到信道状态为空闲或者忙碌的不同状态； 5)根据不同的信道状态做出相应的决策； 5a)对于发送端认知用户d，若感知信道f的状态为空闲，则执行步骤5al)，否则等待下一时隙继续感知，执行步骤5a2)； 5al)发送控制帧sd，该控制帧包括:发送端认知用户d的编号r、接收端认知用户h的编号V与发送端认知用户d的接入优先级a，再执行步骤5a2)； 5a2)更新置信上限UCBl算法中的时隙数n = η+1、发送端认知用户d感知信道f的次数Tf，d(n) = Tf，d(n-1)+1、发送端认知用户d感知信道f且是空闲的次数
5b)对于接收端认知用户h，若感知信道p的状态为空闲，执行步骤5bl);否则等待下一时隙继续感知，执行步骤5b2)； 5bl)等待接收控制帧，如果接收到正确的控制帧sd，则发送确认帧ACK，再执行步骤5b2);否则不发送，直接执行步骤5b2)；.5b2)更新置信上限UCBl算法中的时隙数n = η+1、接收端认知用户h感知信道P的次数Tp，h(n) = Tp，h(n-1)+1和接收端认知用户h感知信道P且是空闲的次数
6)如果发送端认知用户d接收到步骤5bl)中的确认帧ACK，则发送端认知用户d和接收端认知用户h协商成功，执行步骤7);否则协商失败，等待下一时隙继续感知，返回步骤4)； 7)根据步骤2)得到的信道跳变序列，协商成功的认知用户对计算可用于传输数据的目标信道集合O; 8)协商成功的认知用户对，根据步骤5a2)和5b2)更新后的参数使用置信上限UCBl算法，计算目标信道集合O中的每条信道的空闲概率预测值，并根据空闲概率预测值的大小对这些信道进行排序； 9)根据步骤8)得到的信道排序结果X，协商成功的认知用户对进行协商阶段的数据传输; 10)协商阶段结束之后，将目标信道集合O中的信道更新为系统中的所有信道，协商成功的认知用户对再进入数据传输阶段完成数据传输；没有协商成功的认知用户对，等待下一个周期的协商阶段继续协商； 11)本周期通信阶段结束之后进入下一周期，所有的认知用户执行步骤3)到步骤10)。
2.根据权利要求1所述的基于信道跳变的分布式多信道握手方法，其中所述步骤3)中的接入优先级a，按如下计算公式计算:
a = mod ((r+U), Μ) +1, a e {I, 2,.., Μ}, 其中，r为发送端认知用户d的编号，M为认知用户对数，U为通信阶段发生的周期号。
3.根据权利要求1所述的基于信道跳变的分布式多信道握手方法，其中步骤7)所述的协商成功的认知用户对计算可用于传输数据的目标信道集合0，是先根据所述步骤2)得到的信道跳变序列，计算出其他认知用户在此时隙不用于协商的信道集合CH;再计算该集合和备选数据传输信道集合C的并集，即用于传输数据的目标信道集合0，其中，C={L, L+1,..., N-1}，O = CH U C，L是用于构造信道跳变序列的信道个数，2≤L < N且mod(L, 2) = O。
4.根据权利要求1所述的基于信道跳变的分布式多信道握手方法，其中步骤9)所述协商成功的认知用户对进行协商阶段的数据传输，按如下步骤进行: 9a)对于发送端认知用户d，选择与接入优先级a相对应的信道Chz进行感知，若对其感知的结果为空闲状态，则执行步骤9al);否则等待下一时隙继续感知，执行步骤9a2)，其中Chz是信道排序结果X中的第z个信道，Z = a; 9al)发送端认知用户d接入信道chz，并利用该时隙中剩余的可用时间Ta发送数据，再执行步骤9a2)，其中，Ta = T- τ s，T表示时隙长度，τ s表示感知一次信道所需时间； 9a2)更新置信上限UCBl算法中的时隙数η = η+1、发送端认知用户d感知信道chz的次数Tch jj(n) = TcKA(n -1) + 1、发送端认知用户d感知信道chz且是空闲的次数
9b)接收端认知用户h根据接入优先级a，选择与其相对应的信道Chz进行感知，若对其感知的结果为空闲状态，则执行步骤9bl);否则等待下一时隙继续感知，执行步骤9b2)；9bl)接收端认知用户h接收数据，如果接收到正确数据，则发送确认信号，再执行步骤9b2);否则不发送，直接执行步骤9b2)；9b2)更新置信上限UCBl算法中的时隙数n = η+1、接收端认知用户h感知信道chz的次数Tchz h (n) = Ti,: -1) +1、接收端认知用户h感知信道chz且是空闲的次数
【文档编号】H04W40/24GK104168622SQ201410441325
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】赵林靖, 王彩霞, 齐书丽, 张岗山, 李钊, 刘勤 申请人:西安电子科技大学