一种基于循环仲裁集合的定向天线信道汇合方法与流程

本发明涉及认知无线电网络技术，具体是一种基于循环仲裁集合(Torus-Quorum)的定向天线信道汇合方法。

背景技术：

认知无线电技术是目前解决无线频谱供需矛盾、提高频谱利用率的关键技术，其动态频谱接入方式允许次用户(Secondary User,SU)机会式地访问空闲的授权频谱，从而可以缓解频谱资源稀缺的问题。在认知无线电网络中，主用户(Primary User,PU)使用授权频谱的优先级要高于次用户。为避免影响主用户的正常通信，次用户在接入信道之前需要感知频谱的可用性，之后采用衬底(Underlay)或叠加(Overlay)的频谱共享机制与主用户共存。

认知无线电网络实现组网及通信的首要环节是邻居次用户能彼此发现对方，并接入公共可用信道以进行数据传输，此过程即为信道汇合，是实现邻居用户通信握手、报文交换、拓扑控制及路由维护等步骤的前提。

根据是否需要在网络中维护专用的公共控制信道，目前信道汇合策略分为有公共控制信道辅助的信道汇合和无公共控制信道辅助的盲信道汇合两类。有公共控制信道辅助的信道汇合方法虽然可简化次用户之间实现信道汇合的过程，但在认知无线电网络中，公共控制信道很容易被主用户占用，不能保证任何时刻都可用，从而阻塞了次用户的汇合。此外，公共控制信道易受到恶意用户干扰而产生单点失效的问题。盲信道汇合策略不需要维护公共控制信道，是一种基于信道跳频序列的信道汇合策略，充分利用了认知无线电设备优良的信道切换性能，可增加汇合信道的多样性，从而避免了公共控制信道的不足，是一种被普遍采用的信道汇合技术。基于信道跳频序列的信道汇合策略技术运行在时分多址接入(Time Division Multiple Access,TDMA)系统上，每个次用户均按照预定义的序列构造方法生成自己的信道跳频序列，该序列决定了次用户访问信道的顺序。一旦在通信范围内的一对邻居用户通过信道跳频在同一时隙切换至同一可用信道，即为汇合成功。信道跳频序列包含有时钟同步约束的同步序列和无时钟同步约束的异步序列，显然后者的适用性更广。为此，所设计的信道跳频序列应满足在跳频节点的时钟偏移任意的情形下，确保汇合。此外，为防止汇合信道出现饱和拥塞的问题，应充分利用认知无线电网络信道多样性的特点，使汇合机会均匀地分布在网络中的所有信道上，保证信道被访问的公平性。然而，采用跳频方法的次用户为了实现均衡的信道负载，需要频繁地切换信道，时间开销较大。因而，所设计的跳频序列应在尽可能短的时间内实现确定性汇合。

目前对信道汇合的研究大多数都考虑次用户配置全向天线，即向天线通信范围内的所有方向都发射信号，这样对整个天线信号覆盖范围内的主用户都将产生干扰，如附图1a所示。为减少干扰，配置定向天线，即只向某个特定的方向发射信号，是一项很有前景的通信技术，如附图1b所示。但定向天线场景下的汇合问题，其难点在于一对邻居用户的天线朝向必须相对且访问相同信道时才可能汇合，否则即便在彼此的通信范围内也不可能汇合。为此，本发明将分为两步实现：第一步，使初始朝向任意的定向天线尽快旋转至相互朝向的位置；第二步，收发双方按照预定义的确定性跳频序列切换信道，尽快接入公共可用信道。

技术实现要素：

针对目前普遍采用的全向天线信道汇合方法对传输范围内的主用户干扰较大的问题，本发明提出一种通过配置定向天线减轻对主用户干扰的方法，即每个时隙只向某个特定的方向发射信号。该方法中各通信节点的跳频序列均按照循环仲裁集合元素独立地生成，只要收发双方的定向天线在相同时隙内旋转至相互朝向的位置并访问同一信道，即可成功实现汇合。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于循环仲裁集合的定向天线信道汇合方法，包括以下步骤：

通过Torus-Quorum系统的旋转闭合属性使初始朝向任意的一对定向天线在一个Torus-Quorum系统周期内相互指向对方；

收发双方按照跳频序列切换至同一可用信道，实现信道汇合。

所述通过Torus-Quorum系统的旋转闭合属性使初始朝向任意的一对定向天线在一个Torus-Quorum系统周期内相互指向对方包括以下步骤：

将定向天线扫描序列的周期抽象为Torus-Quorum的通用集元素个数，即通用集中的每个元素对应一个时隙；对天线方向的转动按照Torus-Quorum系统的选取规则旋转，即定向天线在每个时隙都旋转Φ＝2π/N角度，N为网络中全部信道数；

Torus-Quorum的旋转闭合属性引导两个定向天线在一个周期长度内相互指向对方。

所述Torus-Quorum的旋转闭合属性引导两个定向天线在一个周期长度内相互指向对方包括以下步骤：

1)将定向天线扫描序列依次逐行排成一个h×w的矩阵，n＝h×w作为节点的序列周期长度；h为行数，w为列数；

2)任选其中一列c的所有元素，再从所选列中任选第r行的元素作为起点，在其后连续选个元素作为一个Torus-Quorum；其中1≤c≤w，1≤r≤h；同时，所选的个元素按照矩阵的循环重复进行排列：当所选元素的列超过最右边的列时，就循环回到矩阵最左边的列再依次向后选择；

3)两个定向天线各自选取的元素在矩阵内某一位置重合，即在各自的扫描序列内实现两个定向天线相互指向对方。

所述收发双方按照跳频序列切换至同一可用信道包括以下步骤：

接收方、发送方分别选取不小于局部可用信道数|C_A|、|C_B|的最小素数作为跳频周期P_A、P_B；

若P_A>|C_A|或/和P_B>|C_B|，则接收方或/和发送方在各周期遍历所有局部信道后分别随机补充P_A-|C_A|、P_B-|C_B|个信道；C_A为接收方的可用信道集合，C_B为发送方的可用信道集合。

发送方的后一周期的序列依次是前一周期序列循环向前轮转一位而得。

收发双方的跳频序列周期长度互质。

本发明提出的一种基于循环仲裁集合(Torus-Quorum)的定向天线信道汇合方法，是在充分考虑认知无线电网络天线方向旋转和多信道切换特点的前提下提出的，通过Torus-Quorum系统的旋转闭合属性，可在一个Torus-Quorum系统周期(即通用集元素个数)内，快速引导一对定向天线相互指向对方。具体表现在：

1.本发明提出的基于循环仲裁集合(Torus-Quorum)的定向天线信道汇合方法，依据循环仲裁集合对定向天线进行旋转，Torus-Quorum系统的旋转闭合属性使得在有限时间内确保元素(即时隙)的重合，亦即方向相对，有效缩短了定向天线信道汇合的时间。

2.本发明方法充分利用收发双方分别按照固定和循环轮转的规则遍历局部可用信道的特点，在天线朝向相对的基础上进一步确保了快速接入公共信道，可实现定向天线的快速汇合，适合应用于大规模的无线网络。

3.本发明方法所提出的信道汇合方法具备通用性，适用于时钟异步、信道异构的场景，是一种能保证定向天线汇合的有效方法。

附图说明

图1a为全向天线与定向天线的比较示意图一；

图1b为全向天线与定向天线的比较示意图二；

图2为定向天线主发射角示意图；

图3为Torus-Quorum矩阵的示意图；

图4为将Torus-Quorum矩阵展开为定向天线扫描序列的示意图；

图5为邻居用户天线朝向相对后收发双方的跳频序列示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明涉及认知无线电网络技术，是一种可以使配备定向天线的次用户在时钟异步且信道异构的情况下实现信道汇合的方法。该方法在设计定向天线扫描序列时，充分考虑定向天线旋转特性、信道多样性和循环仲裁集合的旋转闭合属性等特性，利用循环仲裁集合矩阵按行展开连接而成的定向天线扫描序列来确定邻居次用户所在的方位。在此基础上，收发双方分别按照固定和循环轮转方式遍历局部可用信道而生成的周期性跳频序列对公共接入信道进行协商，以确保在有限时间内尽快实现定向天线的朝向相对且接入信道相同。本发明所提出的方法是一种可广泛应用的定向天线信道汇合方法。

一种基于循环仲裁集合(Torus-Quorum)的定向天线信道汇合方法，包括以下步骤：

是一种适用于配置定向天线节点的盲信道汇合方法；

利用循环仲裁集合(Torus-Quorum)在有限周期内出现元素重合的封闭性，使得配置定向天线的节点(即次用户)获取邻居节点天线的确切方位，以期望在有限时间内发现邻居；

在获取邻居节点定向天线的确切方位以后，该对节点将天线调整至相对的方向，并按照预定义的跳频序列切换信道，直至在公共可用信道上汇合；

收发双方的周期性跳频序列按预定义规则生成，接收方在每个周期按固定顺序遍历局部可用信道，而发送方在遍历局部可用信道的基础上，每个周期均对前一周期的跳频序列依次向前循环移动一位，以期望加速搜索到接收方的工作信道。

认知用户配置定向天线，在某时刻仅向特定方向发射信号，与全向天线相比可明显降低传输范围内对主用户的干扰。该方法只要收发双方的定向天线相互朝向对方且访问同一信道，即可成功实现汇合。

该方法充分利用循环仲裁集合的旋转闭合属性，无论从何初始位置开始旋转天线，都可在有限周期内出现重合元素，亦可视为不同的认知用户经过各自的天线扫描序列旋转天线，可保证在有限时间内相互指向对方。

本发明考虑的认知无线电网络环境包括M(M≥2)个用户。假设网络是分时隙的，各个时隙的长度相同。认知无线电网络中的授权频谱分为N(N≥1)个正交信道，即C＝{ch₀,ch₁,…ch_N-1}。在构建跳频序列之前，次用户通过目前较为成熟的频谱感知技术检测自己可观测到的空闲可用信道。各用户均配置二维平面扇形定向天线，该天线有一个主发射角，该主发射角的幅度为Φ＝2π/N，即只在该主发射角的范围内发射信号，如附图2所示。不失一般性，本发明考虑一对用户A和B之间的成对汇合问题。为了确保实现汇合，在各用户的可用信道任意的情况下，至少要共享一个公共可用信道才可能期望汇合。令用户A和B的可用信道集分别为C_A和C_B，则应满足鉴于时钟同步在分布式认知无线电网络中不易于实现，本发明考虑同时适用于时钟同步和异步情形的汇合方法。

本发明在设计定向天线跳频序列时利用了Torus-Quorum集合的性质。

定义1(Quorum系统)：系统Q是一个通用集U下的非空子集集合，如果从Q中任取两个子集都满足以下交集属性:H∈Q,那么系统Q是一个Quorum系统，系统Q中的每个子集都是一个Quorum。如Q＝{{0,1},{0,2},{1,2}}就是通用集U＝{0,1,2}下的一个Quorum系统。G、H表示Q的子集。

定义2(Quorum系统的旋转)：给定非负整数i，系统Q是通用集U下的Quorum系统，非空集合G是Q中的子集，定义G的i旋转为rotate(G,i)＝{(x+i)mod n|x∈G}。如G＝{0,1,2}，则rotate(G,1)＝{1,2,0}。

定义3(旋转闭合属性)：对于通用集U＝{0,…,n-1}下的Quorum系统Q，如果满足以下条件:H∈Q,i∈(0,…,n-1),那么Quorum系统Q满足旋转闭合属性。如通用集U＝{0,1,2}的一个Quorum系统Q＝{{0,1},{0,2},{1,2}}满足旋转闭合属性。n表示通用集U的元素个数。

定义4(Torus-Quorum系统)：采用矩阵的方式将节点的周期编排成一个h×w的矩阵，n＝h×w作为节点的序列周期长度。Torus-Quorum汇合方法任选其中一列c(1≤c≤w)的所有元素，再从所选列中任选第r(1≤r≤h)行的元素作为起点，在其后连续选个元素作为一个Quorum；同时，所选的个元素按照矩阵的循环重复进行排列，即当所选元素的列超过最右边的列时，就循环回到同行最左边的列再依次向后选择。在通用集U＝{0,1,…,17}下(即h＝3，w＝6时)，附图3给出了两个Torus-Quorum的例子。

性质1(Torus-Quorum系统满足旋转闭合属性)：令矩阵n＝h×w，通用集N＝{0,1,…,n-1}，Q是通用集N下的一个Torus-Quorum系统，H∈Q是一个Torus-Quorum，H包含h×w数组中的第c列元素及第r行第c列元素后的连续个元素。H经过i旋转之后得到的集合rotate(H,i)仍然是Torus-Quorum结构。显然，由于每个Torus-Quorum在第r行上选择了连续的个元素，因此，任意两个Torus-Quorum在通用集N下必定存在至少一个共同元素，即H∈Q,因此，Torus-Quorum系统满足旋转闭合属性。N表示天线扫描序列周期的长度，i表示两用户间的时钟偏差。

本发明将定向天线扫描序列的周期抽象为Torus-Quorum的通用集元素个数，即通用集中的每个元素对应一个时隙；对天线方向的转动按照Torus-Quorum系统的选取规则旋转，即定向天线在每个时隙都旋转Φ＝2π/N角度。Torus-Quorum的旋转闭合属性将引导两个定向天线在一个周期长度内相互指向对方。

在定向天线汇合问题中，两个定向天线的朝向相对是汇合的前提。但即便相对，两天线访问的信道也未必相同。在确定朝向后，两节点仍需采用按序访问所有局部可用信道的跳频序列切换信道，直到满足两节点天线方向相对且访问相同信道的条件。具体的跳频规则为，接收方的各周期跳频序列按固定的递增顺序遍历所有局部可用信道，而发送方的各周期跳频序列不仅需要遍历所有局部可用信道，还要按照后一周期序列依次对前一周期序列向前循环轮转一位的变化顺序(定义2)主动探测接收方，以尽快实现汇合。此外，为使两节点能够遍历所有公共可用信道的组合方式，收发双方的跳频序列周期长度应互质。为此，收发双方应分别选取不小于局部可用信道数(|C_A|、|C_B|)的最小素数(记为P_A、P_B)作为跳频周期。若P_A>|C_A|或/和P_B>|C_B|，则需要在各周期遍历所有局部信道后随机补充P_A-|C_A|或/和P_B-|C_B|个信道。

本发明提出的一种基于循环仲裁集合(Torus-Quorum)的定向天线信道汇合方法，其主要思想在于：第一步，通过Torus-Quorum系统的旋转闭合属性使初始朝向任意的一对定向天线在一个Torus-Quorum系统周期内相互指向对方，这是定向汇合的前提；第二步，在朝向相对的基础上，收发双方进一步按照预定义的跳频序列使两者尽快切换至同一可用信道，亦即实现信道汇合。

下面以图3为例，阐述第一步的实现方法。图3中Torus-Quorum系统的通用集元素个数为n＝3×6。按照Torus-Quorum系统的生成规则(定义4)，用户A(在图3中以浅灰色表示)随机选取第6列的一整列元素及其后(若超出边界则循环向前)的个列中任意行的3个元素；用户B(在图3中以深灰色表示)随机选取第2列的一整列元素及其后的个列中任意行的3个元素。由Torus-Quorum系统的旋转闭合属性(性质1)可知，用户A和B选取的某个元素必将重合，如图3中的元素1。

图3中的Torus-Quorum系统是按照矩阵方式表示的，而对于定向天线的扫描序列，是将矩阵按行展开连接而成，如图4所示。由图4亦可发现，在时隙1时两个扫描序列实现重合。

在时钟异步网络中，两用户定向天线的初始朝向可以是任意的，在开始扫描邻居节点之后，各节点均按照相同方向(如顺时针方向)在每个时隙旋转天线角度Φ＝2π/N。由于两节点的定向天线扫描周期相同(均为Torus-Quorum系统通用集的个数)，Torus-Quorum系统的旋转闭合属性使得两定向天线在时钟异步场景下必在某一时隙中彼此指向对方。

以上阐述的Torus-Quorum系统可使初始朝向任意的定向天线在有限时间内相互指向对方，但即便如此，若两天线接入的信道不同，仍然无法成功汇合。为此，在第一步的基础上，这对邻居用户固定旋转天线的角度，继续通过预定义的跳频序列切换信道，以确保两节点尽快访问同一可用信道。

下面将结合图5，阐述第二步的实现方法。

收发双方的跳频序列仅依据局部可用信道生成。为使两节点能够遍历所有公共可用信道的组合方式，收发双方可依据周期长度互质的原理，在生成跳频序列之前获取不小于局部可用信道数的最小素数(分别用P_A、P_B表示)。

对于接收方而言，无需知道谁是发送方，仅需被动接收数据即可。所以,接收方的各周期的跳频序列只需要按固定的顺序遍历局部可用信道。接收方的跳频序列周期为P_A，在前|C_A|个时隙，按递增顺序依次访问所有局部可用信道；若P_A>|C_A|，则需要在后面的(P_A-|C_A|)时隙随机补充(P_A-|C_A|)个信道。图5给出了当C_A＝{0,1,2}且P_A＝|C_A|＝3时接收方的跳频序列。

对于发送方而言，需要主动探测接收方并发送数据，因而发送方的各周期的跳频序列需按不同的变化顺序遍历局部可用信道。与接收方相似，发送方的跳频序列周期为P_B，在第一个周期的前|C_B|个时隙，按递增顺序依次访问所有局部可用信道；若P_B>|C_B|，则需要在后面的(P_B-|C_B|)时隙随机补充(P_B-|C_B|)个信道。与接收方不同的是，发送方的各个周期的信道访问次序会有变化，变化规则是：后一周期的序列依次是前一周期序列循环向前轮转一位而得。如图5所示，是当C_B＝{0,3,4,5}，|C_A|＝4，P_B＝5时发送方的跳频序列。第一个周期序列需要补充1个信道，即{0,3,4,5,0}，而第二个周期是对前一周期循环向前移动一位而得，即{3,4,5,0,0}。

收发双方基于上述规则生成的跳频序列能够保证汇合，原因在于收发双方的跳频序列周期长度P_A和P_B互质，可在P_AP_B个时隙内遍历所有局部信道的组合方式，在这其中必然至少包括用户A、B的一个公共可用信道。