本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種適用于高業(yè)務(wù)負(fù)載的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)非對稱同步跳頻通信方法。

背景技術(shù)：

為了在不干擾授權(quán)網(wǎng)絡(luò)通信的前提下靈活利用授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的空閑頻譜資源進(jìn)行通信，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)需要具備一套高效的控制信息交互機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)在認(rèn)知節(jié)點(diǎn)之間傳遞包括頻譜感知結(jié)果、時(shí)鐘同步、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯ㄐ盼帐诸A(yù)約等大量控制信息。而基于頻率跳變的控制信息交互方式能夠通過不斷地改變認(rèn)知節(jié)點(diǎn)交互控制信息的通信頻段(或信道)，靈活而快速地尋找到未被授權(quán)用戶占用的通信頻段(或信道)，因而具備較好的抗授權(quán)用戶干擾能力。

與此同時(shí)，只有當(dāng)發(fā)送和接收認(rèn)知節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了跳頻匯聚，即在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)同時(shí)跳躍到同一個(gè)信道上，它們才能進(jìn)行控制信息的交互。如果每個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)均采用非對稱的方式選擇其跳頻序列，即控制信息的發(fā)送方和接收方需要分別從不同的跳頻序列集合中獨(dú)立而隨機(jī)地選擇其跳頻序列，那么不同認(rèn)知節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)隙內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)在多個(gè)信道上的跳頻匯聚，從而有效避免基于單個(gè)固定控制信道交互控制信息所導(dǎo)致的控制信道流量飽和問題，并增強(qiáng)認(rèn)知收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間交互控制信息的魯棒性。因此，如何為認(rèn)知節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)可選跳頻序列集合就成為影響基于跳頻匯聚的控制信息交互性能的主要因素。

通常，衡量一個(gè)跳頻序列集合優(yōu)劣的參數(shù)包括：

可匯聚信道個(gè)數(shù)，即該集合任意兩個(gè)跳頻序列可以匯聚的信道總個(gè)數(shù)。當(dāng)可匯聚信道個(gè)數(shù)越多，則基于跳頻匯聚的控制信息交互具備更強(qiáng)的抗授權(quán)用戶干擾能力。

平均匯聚時(shí)間間隔，即該集合任意兩個(gè)跳頻序列實(shí)現(xiàn)連續(xù)兩次匯聚的平均時(shí)間間隔。當(dāng)平均匯聚時(shí)間間隔越短，則基于跳頻匯聚的控制信息交互具備更短的交互時(shí)延和更高的控制信息傳輸吞吐量。

平均信道負(fù)載，即在同一時(shí)隙內(nèi)出現(xiàn)同一信道上的平均跳頻序列個(gè)數(shù)與跳頻序列總個(gè)數(shù)之間的比值。該比值的可能范圍為[0,1]。當(dāng)平均信道負(fù)載越小，則認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)基于跳頻匯聚的控制信息交互所產(chǎn)生的控制信息碰撞或擁塞情況就越少，而控制信息交互的性能就越好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為基于頻率跳變的認(rèn)知無線通信網(wǎng)絡(luò)提供一種能支持認(rèn)知節(jié)點(diǎn)以非對稱方式選擇其跳頻序列和能在時(shí)鐘同步條件下在所有可接入信道上實(shí)現(xiàn)跳頻匯聚的控制信息交互機(jī)制。與現(xiàn)有基于跳頻匯聚的控制信息交互方式相比，該機(jī)制能在滿足任意可匯聚信道個(gè)數(shù)的前提下為大量的控制信息交互需求提供更短的平均會(huì)聚時(shí)間間隔和相同的平均信道負(fù)載，從而有效提升高負(fù)載情況下認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)控制信息交互的性能。

本發(fā)明技術(shù)方案所采用的技術(shù)原理：

本發(fā)明是基于如下兩種特殊的整數(shù)序列設(shè)計(jì)而成，即循環(huán)升(circular increasing，CI)序列和循環(huán)降(circular decreasing，CD)序列。一個(gè)CI序列是從初始整數(shù)b∈Z_K開始并以單次增加d∈Z_K的速度不斷生成的包含K個(gè)整數(shù)的序列，即其中，Z_K表示對整數(shù)K取模所獲得的所有非負(fù)整數(shù)集合。而一個(gè)CD序列是從初始整數(shù)b∈Z_K開始并以單次減少d∈Z_K的速度不斷生成的包含K個(gè)整數(shù)的序列，即例如：令和j∈[1,K]，分別表示序列和中的第jj個(gè)整數(shù)。如果存在整數(shù)j∈[1,K]滿足k∈Z_K，則稱和在整數(shù)k上實(shí)現(xiàn)匯聚。例如，序列和在整數(shù)2和6上實(shí)現(xiàn)匯聚，即并且當(dāng)j≠1，5時(shí)而序列和在整數(shù)3,5,7和1上實(shí)現(xiàn)匯聚，即并且當(dāng)j≠2,4,6,8時(shí)

一種適用于高業(yè)務(wù)負(fù)載的非對稱同步跳頻通信方法，具體為：

當(dāng)k≥3時(shí)，非對稱同步的混合跳頻系統(tǒng)由2^k-2(＝2^k-1+2^k-2+…+2)個(gè)2^3k-2時(shí)隙的發(fā)送跳頻序列和2^k-2個(gè)2^3k-2時(shí)隙的接收跳頻序列構(gòu)成，具體跳頻序列集合構(gòu)建如下：

構(gòu)建發(fā)送跳頻序列集合：

在2^k-2個(gè)發(fā)送跳頻序列中，2^k-1個(gè)發(fā)送跳頻序列分別為2^2k-1時(shí)隙序列的2^k-1次重復(fù)；在2^k-2個(gè)發(fā)送跳頻序列中，2^k-2個(gè)發(fā)送跳頻序列分別為2^2k-1時(shí)隙序列的2^k-1次重復(fù)；…；在2^k-2個(gè)發(fā)送跳頻序列中，2個(gè)發(fā)送跳頻序列分別是2^2k-1時(shí)隙序列和的2^k-1次重復(fù)，其中，對于任意u∈[0,2^k-1-1]和i∈[1,k-1]來說，2^2k-i時(shí)隙序列是

構(gòu)建接收跳頻序列集合：

在所有2^k-2個(gè)接收跳頻序列中，2^k-1個(gè)接收跳頻序列分別是2^3k-2時(shí)隙序列在所有2^k-2個(gè)接收跳頻序列中，2^k-2個(gè)接收跳頻序列分別是2^3k-3時(shí)隙序列的2次重復(fù)；……；在所有2^k-2個(gè)接收跳頻序列中，2個(gè)接收跳頻序列和分別是22k時(shí)隙序列和的2^k-2次重復(fù)，其中，對于任意x∈[0,2^k-1-1]和j∈[1,k-1]，2^2k-j時(shí)隙序列是的2^k-j次重復(fù)。

本發(fā)明的有益效果是：

與現(xiàn)有非對稱同步跳頻系統(tǒng)相比，本發(fā)明所提出的混合跳頻系統(tǒng)能夠提供更短的平均匯聚間隔和相同的平均信道負(fù)載，從而有效地提升認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在高負(fù)載情況下控制信息交互的整體傳輸吞吐量，并且降低所有認(rèn)知用戶控制信息交互的平均傳輸時(shí)延。

附圖說明

圖1為基于MCH⁽⁸⁾與基于和的控制信息交互吞吐量對比，其中，l∈[0,3]和h∈[0,3]。

圖2為基于MCH⁽⁸⁾與基于和的控制信息交互時(shí)延對比，其中，l∈[0,3]和h∈[0,3]。

圖3為MCH⁽⁸⁾的發(fā)送和接收跳頻序列間的匯聚示例。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

根據(jù)本發(fā)明方法構(gòu)建MCH系統(tǒng)，即：

構(gòu)建發(fā)送跳頻序列集合：

在2^k-2個(gè)發(fā)送跳頻序列中，2^k-1個(gè)發(fā)送跳頻序列分別為2^2k-1時(shí)隙序列的2^k-1次重復(fù)；在2^k-2個(gè)發(fā)送跳頻序列中，2^k-2個(gè)發(fā)送跳頻序列分別為2^2k-1時(shí)隙序列的2^k-1次重復(fù)；…；在2^k-2個(gè)發(fā)送跳頻序列中，2個(gè)發(fā)送跳頻序列分別是2^2k-1時(shí)隙序列和的2^k-1次重復(fù)，其中，對于任意u∈[0,2^k-1-1]和i∈[1,k-1]來說，2^2k-i時(shí)隙序列是

構(gòu)建接收跳頻序列集合：

在所有2^k-2個(gè)接收跳頻序列中，2^k-1個(gè)接收跳頻序列分別是2^3k-2時(shí)隙序列在所有2^k-2個(gè)接收跳頻序列中，2^k-2個(gè)接收跳頻序列分別是2^3k-3時(shí)隙序列的2次重復(fù)；……；在所有2^k-2個(gè)接收跳頻序列中，2個(gè)接收跳頻序列和分別是22k時(shí)隙序列和的2^k-2次重復(fù)，其中，對于任意x∈[0,2^k-1-1]和j∈[1,k-1]，2^2k-j時(shí)隙序列是的2^k-j次重復(fù)。

根據(jù)本發(fā)明方法，任意發(fā)送跳頻序列與任意接收跳頻序列能在所有的2^k個(gè)信道0,1,…,2^k-1上實(shí)現(xiàn)跳頻匯聚。

所有的和u∈[0,2^k-i-1],i∈[1,k-1],x∈[0,2^k-i-1]可以在全部的2k個(gè)信道上匯聚。

發(fā)送CH序列是(22k-1)元素序列的2k-1次重復(fù)，其中，每個(gè)l∈[0,2i-1-1]是(22k-i)-元素序列接受CH序列是(23k-1-j)-元素序列的2j-1次重復(fù)，其中，每個(gè)g∈[0,2j-1-1]包含2k-j個(gè)2k-元素序列的拷貝。當(dāng)i>j時(shí)，序列中的2i-j個(gè)序列與序列中的序列有對齊的22k-j個(gè)時(shí)隙。，當(dāng)參數(shù)h∈[0,2i-j-1]和g∈[0,2j-1-1]滿足：當(dāng)式成立時(shí)，的2k-j個(gè)子序列的拷貝分別和序列中的子序列匯聚，和序列中的子序列匯聚，……，并且同時(shí)和序列中的子序列匯聚，故所有的信道集合中的2^k個(gè)信道將在這2^3k-1-j個(gè)時(shí)隙內(nèi)全部實(shí)現(xiàn)匯聚。

如圖3所示，由本發(fā)明方法構(gòu)建的MCH⁽⁸⁾系統(tǒng)由6個(gè)128時(shí)隙發(fā)送跳頻序列和6個(gè)128時(shí)隙接收跳頻序列組成。

在6個(gè)發(fā)送跳頻序列中，前4個(gè)發(fā)送跳頻序列即分別為32時(shí)隙序列重復(fù)4次，剩余的2個(gè)發(fā)送跳頻序列分別為32時(shí)隙序列和的4次重復(fù)。在6個(gè)接收跳頻序列中，前4個(gè)接收跳頻序列分別為128時(shí)隙序列剩余的2個(gè)接收跳頻序列和分別是64時(shí)隙序列的2次重復(fù)。

所有的6個(gè)發(fā)送跳頻序列都可以和所有的6個(gè)接收跳頻序列中的任意一個(gè)實(shí)現(xiàn)在8個(gè)信道0,1,…,7上的匯聚。

針對本發(fā)明所提出MCH混合跳頻系統(tǒng)進(jìn)行基于OPNET軟件的仿真性能分析。在仿真中，采用的非對稱同步跳頻系統(tǒng)MCH⁽⁸⁾包括6個(gè)發(fā)送跳頻序列為：

{0,1,2,3,4,5,6,7,2,3,4,5,6,7,0,1,4,5,6,7,0,1,2,3,6,7,0,1,2,3,4,5}的四次重復(fù)；

{2,3,4,5,6,7,0,1,4,5,6,7,0,1,2,3,6,7,0,1,2,3,4,5,0,1,2,3,4,5,6,7}的四次重復(fù)；

{4,5,6,7,0,1,2,3,6,7,0,1,2,3,4,5,0,1,2,3,4,5,6,7,2,3,4,5,6,7,0,1}的四次重復(fù)；

{6,7,0,1,2,3,4,5,0,1,2,3,4,5,6,7,2,3,4,5,6,7,0,1,4,5,6,7,0,1,2,3}的四次重復(fù)；

{0,1,2,3,4,5,6,7,4,5,6,7,0,1,2,3,2,3,4,5,6,7,0,1,6,7,0,1,2,3,4,5}的四次重復(fù)；

{4,5,6,7,0,1,2,3,0,1,2,3,4,5,6,7,6,7,0,1,2,3,4,5,2,3,4,5,6,7,0,1}的四次重復(fù)。

同時(shí)，非對稱同步跳頻系統(tǒng)MCH⁽⁸⁾包括的6個(gè)接收跳頻序列為：

{0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7}；

{2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1}；

{4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3}；

{6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5}；

{0,5,2,7,4,1,6,3,0,5,2,7,4,1,6,3,2,7,4,1,6,3,0,5,2,7,4,1,6,3,0,5,4,1,6,3,0,5,2,7,4,1,6,3,0,5,2,7,6,3,0,5,2,7,4,1,6,3,0,5,2,7,4,1}的兩次重復(fù)；

{4,1,6,3,0,5,2,7,4,1,6,3,0,5,2,7,6,3,0,5,2,7,4,1,6,3,0,5,2,7,4,1,0,5,2,7,4,1,6,3,0,5,2,7,4,1,6,3,2,7,4,1,6,3,0,5,2,7,4,1,6,3,0,5}的兩次重復(fù)。

作為對比，基于和的控制信息交互所采用的4個(gè)發(fā)送跳頻序列為：

{0,1,2,3,4,5,6,7,2,3,4,5,6,7,0,1,4,5,6,7,0,1,2,3,6,7,0,1,2,3,4,5}；

{2,3,4,5,6,7,0,1,4,5,6,7,0,1,2,3,6,7,0,1,2,3,4,5,0,1,2,3,4,5,6,7}；

{4,5,6,7,0,1,2,3,6,7,0,1,2,3,4,5,0,1,2,3,4,5,6,7,2,3,4,5,6,7,0,1}；

{6,7,0,1,2,3,4,5,0,1,2,3,4,5,6,7,2,3,4,5,6,7,0,1,4,5,6,7,0,1,2,3}。

而基于和的控制信息交互所采用的4個(gè)接收跳頻序列為：

{0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1}；

{2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3}；

{4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5}；

{6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7,6,5,4,3,2,1,0,7}。

在仿真中，考慮了由108個(gè)認(rèn)知用戶組成的基于頻率跳躍的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)通信場景。在這一通信場景中，所有認(rèn)知用戶均勻的分布在1000m在的認(rèn)知無線的正方形區(qū)域當(dāng)中。每個(gè)授權(quán)用戶在一個(gè)授權(quán)信道上以指數(shù)分布的方式出現(xiàn)，即授權(quán)用戶占用該授權(quán)信道的平均時(shí)間和平均空閑時(shí)間均為1秒。每個(gè)認(rèn)知發(fā)送節(jié)點(diǎn)均從同一個(gè)發(fā)送序列集合中選擇一個(gè)發(fā)送跳頻序列，而每個(gè)認(rèn)知接收節(jié)點(diǎn)均從同一個(gè)接收序列集合中選擇一個(gè)接收跳頻序列。為實(shí)現(xiàn)認(rèn)知發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)對之間的跳頻匯聚，分別根據(jù)本發(fā)明所提出的MCH⁽⁸⁾系統(tǒng)和現(xiàn)有基于和的控制信息交互進(jìn)行了仿真分析。

該仿真中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1.網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)屬性仿真參數(shù)設(shè)計(jì)

為減小波動(dòng)同時(shí)提高仿真的準(zhǔn)確定，每次仿真的結(jié)果都是至少10次仿真的均值。

圖1表示基于MCH⁽⁸⁾與基于和的控制信息交互吞吐量對比。圖2表示基于MCH⁽⁸⁾與基于和的控制信息交互時(shí)延對比。從圖中顯然可以看出：基于MCH⁽⁸⁾的控制信息交互性能始終優(yōu)于基于和的控制信息交互。