一种适用于认知无线网络的对称同步跳频通信方法
【专利摘要】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方法。本发明基于两种整数序列设计而成，所述两种整数序列为循环升(circular increasing，CI)序列和循环降(circular decreasing，CD)序列。CI序列是从初始整数b∈ZK开始并以单次增加d∈ZK的速度不断生成的包含K个整数的序列，即CD序列是从初始整数b∈ZK开始并以单次减少d∈ZK的速度不断生成的包含K个整数的序列，即与现有对称同步跳频系统相比，本发明所提出的对称同步跳频系统能够提供更短的平均汇聚间隔和更小的平均信道负载。
【专利说明】
一种适用于认知无线网络的对称同步跳频通信方法
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 信交互方法。
【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、网络拓扑和通信握手预约等大量控制信息。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采用对称的方 式选择其跳频序列，即无论是控制信息的发送方还是接收方均需要从同一个的跳频序列集 合中独立而随机地选择其跳频序列，那么不同认知节点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] 平均信道负载，即在同一时隙内出现同一信道上的平均跳频序列个数与跳频序列 总个数之间的比值。该比值的可能范围为[0，1]。当平均信道负载越小，则认知无线网络基 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，而控制信息交互的 性能就越好。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于为基于频率跳变的认知无线通信网络提供一种能支持认知节 点以对称方式选择其跳频序列和能在所有可接入信道上实现跳频汇聚的控制信息交互机 制。与现有基于跳频汇聚的控制信息交互方式相比，该机制在满足任意可汇聚信道个数的 前提下，可以获取更小的平均会聚间隔和更小的信道负载。
[0009] 本发明的技术原理为：
[0010] 本发明基于两种整数序列设计而成，所述两种整数序列为循环升（circular increasing，Cl)序列和循环降（circular decreasing，⑶)序列。CI序列/丨夕是从初始整数b e Ζ κ开始并以单次增加d e Ζ κ的速度不断生成的包含K个整数的序列，即 /匕1 =丨/，,/? + (6/ mod uloA：,+ (7C -1) modu丨〇 /C卜CD序列A匕1是从初始整数b e Ζκ开始并以单 次减少d e Ζ κ的速度不断生成的包含Κ个整数的序列，即 OA说,…，力-(尤-丨Wmodulo尤j。其中，Ζκ表示对整数K取模所获得的所有 非负整数集合。例如：/;7 ==.!2, 3, 4, 5, 6, 7, 0,丨丨.，Ζ^==.!2,丨，0, 7, 6, 5, 4, 3}， Df 1 = [6, 3, d, 5,2,1, 4, 1} 0
[0011] 如果存在整数j e [ 1，Κ]满足/二(7> ^ ,keZK，则称在整 数k上实现汇聚，其中，〇j)表示ci序列的第j个整数，DG(y)表示⑶序列乃以的第j 个整数。例如，序列和4s/在整数2和6上实现汇聚，即 /^(1) = /)^(1) = 2, 巧⑶=叱;(5) = 6，并且当j辛1，5时# (J·)笑鸿1⑴，而序列4!?和 1^在整数3,5,7和1上实现汇聚，即；(2) = /^(2) = 3，；(4) = /^(4) = 5， ^(6)=城；(6) = 7，^(8)=哎3>(8) = 1，并且当护2,4,6,8时/!81>(./)#代83 )(义
[0012] -种适用于认知无线网络的对称同步跳频通信方法，具体如下：
[0013] 基于21^1个发送跳频序列·^^，, 5^2L_]xui l和21^1个接收跳频序 列和….构建-个包含2k/21_1 = 2k+1_1个周期性跳频序列的同 步对称跳频系统，其中，1 e [ 1，k-Ι ]，所述同步对称跳频系统的跳频序列 migW)的周期时间长度为(k+i-i)22k-1个时隙，跳频序列的周期可以被划 分为k+1-l帧，即帧0，1，. . .，j，. . .，k-l，所述帧0，1，. . .，j，. . .，k-l为帧的编号，每帧均包 含 22k4 个时隙，ie[0，k-l]。
[0014] 进一步地，对于任意帧j，
[0015] 若!_// 2^1为偶数，则跳频序列(0的帧j即为22 k-1时隙跳频序列
[0016] 若[/ / 为奇数，则跳频序列《SSCi/i& (/)的帧j即为22 h1时隙跳频序列
[0017] 本发明的有益效果是：
[0018] 与现有对称同步跳频系统相比，本发明所提出的对称同步跳频系统能够提供更短 的平均汇聚间隔和更小的平均信道负载。而基于所提对称同步跳频系统的控制信息交互机 制能支持认知节点具备灵活选择控制信息发送和接收的能力，并使得认知无线网络能充分 利用所有可接入的信道资源以实现跳频汇聚，从而能够有效避免对授权用户的通信干扰和 极大地缓解基于单个公共控制信道进行控制信息交互所面临的控制信道流量饱和问题。与 基于跳频汇聚的认知无线网络控制信息交互机制相比，基于所提对称同步跳频系统的控制 信息交互机制能有效地提高认知无线网络控制信息的整体传输吞吐量，并且降低所有认知 用户控制信息交互的平均传输时延。
【附图说明】
[0019]图1为（3,2)循环差集构造的quorum系统。
[0020]图2为(8,4)循环差集构造的quorum系统。
[0021] 图3为SSC//;?与Q-MCH、L-MCH的吞吐量的结果对比。
[0022] 图4为SSC/f^Q-MCH^-MCH的时延的结果对比。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图，对本发明作进一步地详细描述。
[0024] 实施例、
[0025] -种适用于认知无线网络的对称同步跳频通信方法，具体如下：
[0026] 基于2k4个发送跳频序列巧；^…个接收跳频序 列, 构建一个包含2V21-1个周期性跳频序列的同 步对称跳频系统，其中，1 e [1，k_l]，所述同步对称跳频系统的跳频序列 的周期时间长度为(k+l-l)22H个时隙，跳频序列的周期可以被划 分为k+1-l帧，即帧0，1，. . .，j，. . .，k-l，所述帧0，1，. . .，j，. . .，k-l为帧的编号，每帧均包 含221-1个时隙，ie[0，k-l]。对于任意帧j，若为偶数，则跳频序列的帧 j即为22k-1时隙跳频序列5p--1-~卩_2;-1，若μ/ 怒的帧j即为22k-1时隙跳频序列部:丨…叫]力.
[0027] 当j = 0时，跳频序列…，岛⑶丨么口"-1)的帧〇分别为22k-1 时隙发送跳频序列破匕_1:,…，虞，而-il),…， &^#:11以-《-1)的帧〇分别为22^1时隙接收跳频序列<:丨_ 1,42:11，一，4::)11:。 1。类似 地，当j>〇时，有2k<个跳频序列的帧0分别为221- 1时隙发送跳频序列d, 丄？1-1，· . · ， * 而剩余个跳频序列的帧0分别为221-1时隙接收跳频序列 , .因此，所有2k+l_l个跳频序列在帧je[0,k_l]内的平均信道负载 为21/2k。
[0028] 例如，当k = 3和1 = 2时，基于本发明方法所生成的同步对称跳频系统55(??包含 以下4(=2k+l-l)个周期时间长度为32( = (k+l-l)22k-l)个时隙的跳频序列：
[0029] 55^^(0) = (5,^:,5 !
[0030] SSCX^(1) = {C：,； </,：,}
[0031] SSC/i;s3)⑵={ iC;文8人4
[0032] ss'a/3(3)={iC; ?
[0033] 将相应的发送和接收跳频序列带入，即得：
[0038]另一方面，当k = 3和1 = 1时，基于本发明方法所生成的同步对称跳频系统 包含下述8个长度为96时隙的周期性跳频序列：
[0047] 可以看出，跳频序列~中的任意两个均可在每个32时隙周期内 在所有8个可接入信道上实现跳频汇聚，其平均汇聚时间间隔和平均信道负载分别为3.33 和1/2;而跳频序列~ 的任意两个均可在每个96时隙周期内在所有8个可 接入信道上实现跳频汇聚，其平均汇聚时间间隔和平均信道负载分别为8.28和1/4。
[0048]基于0ΡΝΕΤ软件进行仿真性能分析。
[0049] 当K = 8，q = 4时，由SSCH构建算法得到对称同步跳频系统SSC//G，经过SSCH构建 算法改进协议后，得到的跳频序列为：
[0054] 现有的对称同步跳频协议是基于循环松弛差集(relaxed cyclic difference s e t)的思想提出了 quorum系统的概念，由此设计了同步对称算法M-QCH与L-QCH。quorum系 统即由一个(n，k)循环差集与它的η个旋转集合构成。所有的(n，k)循环差集中，任意两个集 合都存在至少一个元素的交集，并将此元素所在的所有位置设置为某一个信道编号。对于K 个信道的序列构建，即将quorum系统顺序延长K倍即可得到全部的信道汇聚。M-QCH构造跳 频序列是基于(3，2)的循环差集，而L-QCH构造跳频序列L-QCH是基于最小循环差集，其参数 n，k的值可以根据需要进行调整。图1为(3,2)循环差集构造的M-QCH跳频系统，其中，编号h 表示为随机选择的一个可用信道编号，图2为(8,4)循环差集构造的L-QCH跳频系统。将(3， 2)循环差集与（8,4)循环差集进行8倍长度的延长，便得到8个信道的1-0〇1系统与1^-0〇1系 统。这些算法在可汇聚信道个数及平均汇聚时间间隔上都表现出了很大的优势，但是信道 负载(ACL)较大。依然相对于信道个数K = 8的情况，表1总结了在此仿真中的所有的跳频系 统的ATTR和ACL。所有的认知节点均从所设计的对称同步序列集合中随机的选取跳频序列。
[0055] 表1Κ = 8时，不同的跳频序列的参数对比
[0056]
[0057] 在仿真中，考虑了由4-108个认知用户组成的基于频率跳跃的认知无线网络通信 场景。在这一通信场景中，所有认知用户均匀的分布在l〇〇〇m在的认知无线的正方形区域当 中。每个授权用户在一个授权信道上以指数分布的方式出现，即授权用户占用该授权信道 的平均时间和平均空闲时间均为1秒。每个认知发送节点均从同一个发送序列集合中选择 一个发送跳频序列，而每个认知接收节点均从同一个接收序列集合中选择一个接收跳频序 列。为实现认知发送和接收节点对之间的跳频汇聚，
[0058]根据本发明所提出的SSCHg系统和现有的M-QCH、L-QCH进行了仿真分析。仿真中 的相关参数设置如表2所示。
[0059]表2网络中节点属性仿真参数设计 [0060]
[0061]为减小波动同时提高仿真的准确定，每次仿真的结果都是至少10次仿真的均值。 图3表示不同的节点密度下，使用算法SSC//匕对整个网络的吞吐量的影响 结果对比。图4表示不同的节点密度下，使用算法与M-QCH、L-MCH对整个网络的时延 的影响结果对比。从图中显然可以看出：无论节点密度如何，的性能始终优于L-MCH 和M-QCH;而在节点密度较小时，M-QCH比L-MCH的性能要好一些，反之，节点密度大时，L-MCH 比M-QCH好一些。这都是由这些算法的ACL与ATTR相互制衡的结果。
【主权项】
1. 一种适用于认知无线网络的对称同步跳频通信方法，其特征在于，具体如下： 基于21-1个发送跳频序列卜接收跳频序列勾建一个包含272^ = 215+1个周期性跳频序列的同步 对称跳频系统，其中，ie [i，k-i]，所述同步对称跳频系统的跳频序列 ⑴的周期时间长度为(k+l-l)22H个时隙，跳频序列的周期可以被划 分为k+1-l帧，即帧0，1，.. .，j，.. .，k-l，所述帧0，1，. ..，j，. ..，k-l为帧的编号，每帧均包 含 221^1 个时隙，ie[〇，k-l]。2. 根据权利要求1所述的一种适用于认知无线网络的对称同步跳频通信方法，其特征 在于:对于任意帧j， 若[// 为偶数，则跳频序列MCW1H (/)的帧j即为2 2 k - 1时隙跳频序列若L//2lb'J为奇数，则跳频序列MCWg \ (〇的帧j即为2 2 k - 1时隙跳频序列
【文档编号】H04W16/14GK106028347SQ201610322061
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】谭雪松, 吴玉香
【申请人】电子科技大学