CN105915265B - 一种分布式的同步跳频系统跳频序列生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，尤其涉及用于认知无线网络的基于跳频汇聚的控制信息交互机制。本发明提出了一种分布式的同步跳频系统(DCQS‑SCH)跳频序列生成方法，该方法可以基于任意M个互不相交的集合Z_n＝{0,1,...,n‑1}上的循环quorum系统构造出n个跳频序列，同时可以实现任意2个跳频序列在任意N个可接入信道上的跳频汇聚。采用本发明方法构造的跳频序列，可以使系统MTTR≤n‑M+1和

Description

一种分布式的同步跳频系统跳频序列生成方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及用于认知无线网络的基于跳频汇聚的控制信息交互机制。

背景技术

为了在分布式的控制方式下确保认知无线网络相邻节点之间能够实现高效而可靠的控制信息交互，需要该网络不依赖于任何预先建立的固定控制信道，并能支持多个认知节点收发节点对同时在多个不同的信道上交互控制信息，从而在不干扰授权用户通信的前提下充分利用多信道资源来实现认知无线通信。而基于跳频汇聚的控制信息交互技术正好可以满足这一需求。在基于该技术的认知无线网络中，每个认知节点均独立地按着一种预设的方式生成自己的跳频序列，并根据该跳频序列不断地调整其收发信机以实现在多个可接入信道上的周期性跳跃。当两个相邻认知节点同时跳跃到同一信道上时，它们就实现了跳频汇聚，并可以实现包括时钟同步、信道感知结果、网络拓扑和通信频段预约等控制信息的交互。特别地，如果认知无线网络中的所有发送和接收节点均按照相同的方式来产生其跳频序列，那么由所有可能产生的跳频序列所构成的跳频序列集合即为对称跳频系统。另一方面，如果所有的认知发送节点基于一种预设的方式产生跳频序列，而所有的认知接收节点则按照另一种不同的方式产生跳频序列，那么相应的跳频序列集合即为非对称跳频系统。也就是说，在对称跳频系统中，每个节点不需要根据其接收或发送角色来生成跳频序列，而在非对称跳频系统中，每个节点则需要。因为在大多数的通信应用场景中很难事先确定一个认知节点是发送方还是接收方，所以对称跳频系统比非对称系统有着更广的适用范围。

现有文献提出了多种适用于认知无线网络的对称同步和对称异步的跳频系统。表1总结了这些跳频系统以及相应的汇聚度DoR、最大汇聚时间间隔MTTR、平均汇聚时间间隔ATTR、最大条件汇聚时间间隔MCTTR和信道负载等参数指标。其中，DCQS-SCH和DCQS-ACH分别是本发明所设计的对称同步和对称异步跳频系统，而剩余的则是已有的同步或异步跳频系统。

●汇聚度(DoR)：即在该跳频系统中任意两个跳频序列能够实现跳频汇聚的信道总个数。该参数描述了一个跳频系统的通信健壮性。如果任意两个跳频序列能够汇聚的信道数越多，那么采用这两个跳频序列的相邻认知节点就越不容易与主用户对授权信道的占用产生相互影响，从而具备更强的抗主用户干扰能力。

●汇聚时间(TTR)：即在该跳频系统中任意两个跳频序列实现连续两次跳频汇聚的时间间隔。在不存在主用户干扰的情况下，两种常用的汇聚时间参数是所谓的最大汇聚时间(MTTR)和平均汇聚时间(ATTR)。它们分别表示，当所有信道均未被主用户占用时，任意两个跳频序列实现连续两次跳频汇聚的平均时间间隔和最大时间间隔。另一方面，当只有一个授权信道未被主用户占用而剩余授权信道均为被主用户占用时，任意两个跳频序列实现连续两次跳频汇聚的最大时间间隔即为最大条件汇聚时间(MCTTR)。通常来说，如果一个跳频系统的MTTR、ATTR和MCTTR值越小，那么基于该跳频系统的认知无线网络平均传输时延就会越小，从而具备更佳的网络传输性能。

●信道负载：即在该跳频系统中在某个信道上同时实现跳频汇聚的最多跳频序列个数与该系统跳频序列总个数之间的比值。因此，信道负载的取值范围是[0,1]。它描述了在认知无线网络中可能出现的在某个通信信道上最为拥挤的控制信息交互情况。一般地，如果一个跳频系统的信道负载越小，那么基于该跳频系统的认知无线网络的控制信息交互就越不容易出现碰撞，从而具备更佳的网络传输性能。

具体地说，针对具备全网同步时钟的认知无线网络，现有技术多采用两种对称同步跳频系统，即SSCH与DH-MAC，但是它们的DoR都只有1。为解决这个问题，基于循环quorum系统(CQS)的概念提出了另外两种对称同步跳频系统，即M-QCH和L-QCH，以确保任意两个跳频序列能够在所有可接入信道上实现跳频汇聚。虽然M-QCH能够最小化任意两个跳频系统的MTTR，但是它产生了较高信道负载，即2/3，因而不适用于通信负载较重的认知无线网络。与此相反，L-QCH基于最小循环quorum系统，能在满足一定的MTTR上限的前提下，最小化跳频系统的信道负载。然而，L-QCH的TTR参数比M-QCH更大，并且在L-QCH的跳频序列中很多空闲时隙都未被用作跳频汇聚，从而被无端浪费掉了。

实际上，要在分布式网络控制下实现多跳认知无线网络所有节点的全局时钟同步是一件非常困难的事情。因此，现有研究更多地集中在认知无线网络对称异步跳频系统的设计上。K.Bian,J.-M.Park,and R.Chen,“Control channel establishment incognitive radio networks using channel hopping,”IEEE J.Selected Areas Comm.,vol.29,no.4,pp.689–703,2011.提出了一种名为A-QCH对称异步跳频系统，通过结合两种互不相交的循环quorum系统来构造DoR仅为2的对称异步跳频序列集合。G.-Y.Chang,W.-H.Teng,H.-Y.Chen,and J.-P.Sheu,“Novel channel-hopping schemes for cognitiveradio networks,”IEEE Trans.Mobile Comput.,vol.13,no.2,pp.407–421,2014.则基于顺时针和逆时针方向旋转以实现汇聚的数学原理提出了一种DoR仅为1的SARCH对称异步跳频系统。然而，极低的DoR值导致A-QCH与SARCH在主用户干扰情况下的鲁棒性较差。为了解决这个问题，F.Hou,L.X.Cai,X.S.Shen,and J.Huang,“Asynchronous multichannel MACdesign with difference-set-based hopping sequences,”IEEE Trans.Vehi.Tech.,vol.60,no.4,pp.1728–1739,2011.基于N个互不相交的差集生成一个全网所有节点均采用的跳频序列，以确保任意两个认知节点都能够在N个不同可接入信道上实现跳频汇聚。然而，在极端情况下，当所有节点的时钟完全同步时就会导致跳频系统的信道负载增大到1，同时它也没有进一步研究如何去多个互不相交的差集。与此同时，K.Bian and J.-M.J.Park,“Maximizing rendezvous diversity in rendezvous protocols fordecentralized cognitive radio networks,”IEEE Trans.Mobile Comput.,vol.12,no.7,pp.1294–1307,2013.的S-ACH跳频系统与E-AHW跳频系统通过扩展每个节点的m比特ID序列使得每个节点均能独立地生成一个DoR＝N的跳频序列。然而，S-ACH与E-AHW的共同缺点是当认知无线网络中节点数目较大时，每个节点的ID序列长度也会相应增大，并最终导致它们的TTR值变得很大。相比之下，JS跳频系统和CRSEQ跳频系统能够避免利用节点ID号构建DoR＝N的跳频系统的缺陷。其中，JS通过结合‘跳’模式与‘停’模式构造跳频系统，在‘跳’模式中节点在所有可用信道上不断跳跃，而在‘停’模式下节点会停留在某个信道上保持不变；而CRSEQ是基于三角数字与求模运算构造跳频序列集合的。然而，在频谱异构(即主用户干扰所导致的相邻认知节点可用频谱资源不同)环境下，JS和CRSEQ会出现跳频汇聚效率低下的缺陷。因此，现有的对称异步跳频系统设计都只适用于有限的无线通信网络场景。

本发明设计了一种分布式的跳频序列生成方式，以产生对称同步跳频系统。这种跳频系统适用于全网时钟同步的认知无线网络。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种分布式的同步跳频系统(DCQS-SCH)跳频序列生成方法，该方法可以基于任意M个互不相交的集合Z_n＝{0,1,...,n-1}上的循环quorum系统构造出n个跳频序列，同时可以实现任意2个跳频序列在任意N个可接入信道上的跳频汇聚，其中1≤M≤N。

为了方便描述，首先对本发明使用到的数学概念和系统进行描述：

差集与循环quorum系统

定义1.如果集合Z_n＝{0,1,...,n-1}的一个k元素子集满足如下条件，即1,2,...,n-1中的任何一个数都是该k元素子集的特定两个元素之差的模n值，那么该k元素子集即被称为一个(n,k)-difference set或简称为(n,k)-DS。Z_n表示对所有整数取模n所构成的集合。

特别地，由于所有的(n,k)-DS都需要满足条件n≤k²-k+1或者其等效条件因此，当k最为接近时，相应的(n,k)-DS通常被进一步称之为(n,k)-minimaldifference set或简称为(n,k)-MDS。

定义2.对于一个k元素集合来说，如果对该k元素集合执行距离为i的旋转，其中i∈[1,n-1]，那么就会生成一个新的集合Z_n下的k元素子集而该集合被称为集合A的一个旋转集合。

因此，对于每个集合进行旋转，最多能生成n-1个不同于A的集合。

推论1.如果一个k元素集合是一个(n,k)-DS，那么对该集合执行任意距离i的旋转，其中i∈[1,n-1]，所生成的旋转集合ROT(A,i)也是一个(n,k)-DS。

定义3.在集合Z_n上的一个循环quorum系统(cyclic quorum system，CQS)是由满足如下两个条件的n个子集合U₀∈Z_n,U₁∈Z_n,...,U_n-1∈Z_n所构成的集合：

条件1、任意两个子集合U_i和U_j都存在非空交集，即

条件2、每个子集合U_i，i∈[1,n-1]，均可以通过对子集合U₀旋转距离i而生成，即

由条件1和条件2可知：一个循环quorum系统U总是满足所谓的循环封闭特性，即和r∈[1,n-1]，其中，r为旋转距离。

定理1.当且仅当是一个(n,k)-DS时，集合A以及其_n-1个旋转集合，即ROT(A,1),ROT(A,2),...,ROT(A,n-1)，就构成了一个集合Z_n上的循环quorum系统。

特别地，我们将一个由单个MDS和它的n-1个旋转集合所构成的循环quorum系统称为最小循环quorum系统。

定义4.如果一个Mk元素集合其中Mk≤n，可以被划分为M个互不相交的k元素子集合，并且每个子集合都是一个(n,k)-DS，那么这个集合就被称为一个M维不相交(n,k)-DS组合或者简称为一个(M,n,k)-UDDS。如果每个(n,k)-DS是一个(n,k)-MDS，那么该集合进一步被称为一个M维不相交(n,k)-MDS组合或者简称为一个(M,n,k)-UDMDS。当M尽可能地接近时，该UDMDS就会被称为一个最大(M,n,k)-UDMDS。

推论2.如果一个Mk元素集合是一个(M,n,k)-UDDS或者UDMDS，那么该集合的任意旋转集合，即也分别是一个(M,n,k)-UDDS或者UDMDS。

定义5.在集合Z_n上的一个M维不相交循环quorum系统(M-cyclic quorum system，简称为M-DCQS)是n个子集合U₀∈Z_n,U₁∈Z_n,...,U_n-1∈Z_n的集合，其中每个U_i，均可以被进一步划分M个不相交的子集合U_i,0,U_i,1,...,U_i,M-1，而所有Mn个子集合U_0,0,U_0,1,...,U_0,M-1,U_1,0,U_1,1,...,U_1,M-1,...,U_n-1,0,U_n-1,1,...,U_n-1,M-1需要满足如下条件：

条件3、对于每个j∈[0,M-1]，n个子集合U_0,j,U_1,j,...,U_n-1,j正好构成一个集合Z_n上的循环quorum系统。

特别地，每个1-CQS即退化为一个CQS。由于每个CQS均满足旋转封闭特性而每个DCQS均是由多个不相交CQS组合而成，因此每个DCQS也可以满足该特性。

定理2.当且仅当一个Mk元素集合是一个(M,n,k)-UDDS时，集合U及其n1个旋转集合，即ROT(U,1),ROT(U,2),...,ROT(U,n-1)，就构成集合Z_n上的一个M维不相交循环quorum系统，即M-DCQS。

当一个集合Z_n上的M-DCQS是由一个(M,n,k)-UDMDS和它的n-1个旋转集合所构成的，那么该DCQS称为最小M-DCQS。

一种分布式的同步跳频系统跳频序列生成方法，包括如下步骤：

S1、同步跳频系统包含n个跳频序列，将每个跳频序列的一个周期分为L帧，每帧包含n个时隙，即，每个跳频序列的周期长度是nL个时隙，其中，gcd(M,N)表示M和N的最大公约数，M为不为零的自然数，N为不为零的自然数，M≤N，N表示跳频系统的汇聚度DoR或者可汇聚信道的总个数，N≥1；

S2、对n个跳频序列进行编号，编号记作：0，1，2，3，...，i，...，n-1，对分别生成n个跳频序列的n个(M,n,k)-UDDS进行编号，编号记作：0，1，2，3，...，i，...，n-1，对每个(M,n,k)-UDDS所划分出来的M个互不相交的(n,k)-DS进行编号，编号记作：0，1，2，3，...，j，...，M-1，对每个(n,k)-DS所包含的k个时隙进行编号，编号记作：t₀，t₁，t₂，t₃，...，t_d，...，t_k-1，对N个可汇聚信道进行编号，编号记作：0，1，2，3，...，N-1，对每个跳频序列一个周期内的帧进行编号，编号记作：0，1，2，3，...，l，...，L-1，对每个跳频序列一个帧内的n个时隙进行编号，编号记作：0，1，2，3，...，n-1；

S3、在第l帧的属于第i个(M,n,k)-UDDS的第j个(n,k)-DS的第t_d个时隙内，第i个跳频序列跳跃到信道(lM+j mod N)上，即当基于第a个(M,n,k)-UDDS,和第b个(M,n,k)-UDDS,分别生成第a个跳频序列和第b个跳频序列时，所述第a个跳频序列和第b个跳频序列在第l帧内会在M个不同信道，即(lM mod N),(lM+1mod N),...,(lM+M-1mod N)，上实现跳频汇聚，所述第a个跳频序列和第b个跳频序列在每个周期内在所有N个信道上实现大于等于次跳频汇聚，所述第a个跳频序列和第b个跳频序列在每个周期内在每个信道上的汇聚次数大于等于其中，l∈[0,L-1]，i∈[0,n-1]，j∈[0,M-1]，t_d∈[0,n-1]，l表示每个跳频序列一个周期内的帧编号，a,b,i均表示循环quorum系统中的(M,n,k)-UDDS编号或者基于(M,n,k)-UDDS所生成的跳频序列编号，a≠b，j表示每个(M,n,k)-UDDS所划分出来的M个互不相交(n,k)-DS的编号，t_d表示每个(n,k)-DS所包含的k个时隙的编号；

S4、在第l帧的编号不属于第i个(M,n,k)-UDDS的每个时隙内，第i个跳频序列跳跃到随机选择的信道h上，其中，

进一步地，S1中所述M≥1。

本发明的有益效果是：

根据本发明所述跳频序列，可以保证对于任意j∈[0,M-1]，跳频序列a和b肯定会在第l帧和第l+1帧的同一编号时隙内分别实现在信道(lM+j mod N)和(lM+M+j mod N)上的跳频汇聚的。同时，在所述两次跳频汇聚之间跳频序列a和b还肯定会在M-1个信道上实现汇聚，所述M-1个信道为(lM+j+1mod N)，(lM+j+2mod N),...,(lM+M+j-1mod N)，即，MTTR≤n-M+1和

因为跳频序列a和b会在第l帧内在信道(lM+jmod N)上实现了汇聚，所以它们一定会在该帧之后的第帧或者第帧内在同一信道上实现汇聚。此时，如果除了信道(lM+jmod N)之外的其它N-1个信道均已被主用户干扰，那么最为极端的情况是它们会分别在第l帧的时隙1和第帧的时隙n-1内在信道(lM+j mod N)上实现连续两次汇聚。即

本发明中的M-DCQS可以被划分为M个互不相交的循环quorum系统，并且每个循环quorum系统均是由一个(n,k)-DS以及它的n-1个旋转集合所构成的，因此本发明所生成的同步跳频系统的信道负载与每个循环quorum系统的信道负载完全相同的。对于任意一个(n,k)-DS来说，即它只会与其k-1个旋转集合，即ROT(A,a_h-a₀modn),ROT(A,a_h-a₁mod n),...,ROT(A,a_h-a_h-2mod n),ROT(A,a_h-a_h-1mod n),ROT(A,a_h-a_h+1modn),ROT(A,a_h-a_h+2mod n),...,ROT(A,a_h-a_k-1mod n),相交在集合A的任意元素a_h上，即一个(n,k)-DS以及它的n-1个旋转集合所构成的循环quorum系统的信道负载为k/n，其中，h∈[0,k-1]。

附图说明

图1为基于(3,2)-MDS的M-QCH跳频系统。

图2为基于(7,3)-MDS的L-QCH跳频系统。

图3为根据本发明方法生成的一个基于(2,7,3)-UDMDS的DCQS-SCH同步跳频系统。

图4为根据本发明方法生成的一个基于(2,6,3)-UDMDS的DCQS-SCH同步跳频系统。

图5为对称同步条件下网络平均传输吞吐量随认知节点数目变化情况。

图6为对称同步条件下网络平均传输时延随认知节点数目变化情况。

图7为对称同步条件下网络平均传输吞吐量随受授权用户干扰信道个数变化情况。

图8为对称同步条件下网络平均传输时延随受授权用户干扰信道个数变化情况。

图9为对称同步条件下网络平均传输吞吐量随认知节点可接入信道个数变化情况。

图10为对称同步条件下网络平均传输时延随认知节点可接入信道个数变化情况。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，详细说明本发明的技术方案。

本发明所述跳频序列构造方法如下：

S1、同步跳频系统包含n个跳频序列，将每个跳频序列的一个周期分为L帧，每帧包含n个时隙，即，每个跳频序列的周期长度是nL个时隙，其中，gcd(M,N)表示M和N的最大公约数，M为不为零的自然数，N为不为零的自然数，M≤N，N表示跳频系统的汇聚度DoR或者可汇聚信道的总个数，N≥1，M≥1；

S2、对n个跳频序列进行编号，编号记作：0，1，2，3，...，i，...，n-1，对分别生成n个跳频序列的n个(M,n,k)-UDDS进行编号，编号记作：0，1，2，3，...，i，...，n-1，对每个(M,n,k)-UDDS所划分出来的M个互不相交的(n,k)-DS进行编号，编号记作：0，1，2，3，...，j，...，M-1，对每个(n,k)-DS所包含的k个时隙进行编号，编号记作：t₀，t₁，t₂，t₃，...，t_d，...，t_k-1，对N个可汇聚信道进行编号，编号记作：0，1，2，3，...，N-1，对每个跳频序列一个周期内的帧进行编号，编号记作：0，1，2，3，...，l，...，L-1，对每个跳频序列一个帧内的n个时隙进行编号，编号记作：0，1，2，3，...，n-1；

S3、在第l帧的属于第i个(M,n,k)-UDDS的第j个(n,k)-DS的第t_d个时隙内，第i个跳频序列跳跃到信道(lM+j mod N)上，即当基于第a个(M,n,k)-UDDS,和第b个(M,n,k)-UDDS,分别生成第a个跳频序列和第b个跳频序列时，所述第a个跳频序列和第b个跳频序列在第l帧内会在M个不同信道，即(lM mod N),(lM+1mod N),...,(lM+M-1mod N)，上实现跳频汇聚，所述第a个跳频序列和第b个跳频序列在每个周期内在所有N个信道上实现大于等于次跳频汇聚，所述第a个跳频序列和第b个跳频序列在每个周期内在每个信道上的汇聚次数大于等于其中，l∈[0,L-1]，i∈[0,n-1]，j∈[0,M-1]，t_d∈[0,n-1]，l表示每个跳频序列一个周期内的帧编号，a,b,i均表示循环quorum系统中的(M,n,k)-UDDS编号或者基于(M,n,k)-UDDS所生成的跳频序列编号，a≠b，j表示每个(M,n,k)-UDDS所划分出来的M个互不相交(n,k)-DS的编号，t_d表示每个(n,k)-DS所包含的k个时隙的编号；

S4、在第l帧的编号不属于第i个(M,n,k)-UDDS的每个时隙内，第i个跳频序列跳跃到随机选择的信道h上，其中，

如图3所示，基于(2,7,3)-UDMDS生成一个包含7个跳频序列的DCQS-SCH同步跳频系统。其中，每个跳频序列的周期长度均为21个时隙。该跳频系统所采用的循环quorum系统是由一个可以划分为2个不相交(7,3)-MDS，即和 的(2,7,3)-UDMDS，以及该UDMDS的6个旋转集合所构成的。

由于任意2个跳频序列均可以在信道0,1,2上实现汇聚，因此DoR＝3。

由于2个跳频序列实现连续两次汇聚的最长间隔为6个时隙，例如第2个和第4个跳频序列在帧0的时隙0汇聚之后直到同一帧的时隙6才再次实现汇聚，因此MTTR＝6。

在一个21时隙周期内，由于第i个跳频序列，与其它任意一个跳频序列均汇聚了6次，因此它们的汇聚时间间隔均为3.5个时隙，因此ATTR＝3.5。

由于2个跳频序列在同一信道上实现连续两次汇聚的最长间隔为20个时隙，例如，在帧0的时隙0内在信道1上实现汇聚之后，第2个和第4个跳频序列需要等到帧2的时隙6才能同一信道上再次实现汇聚，因此MCTTR＝20。

由于在每个时隙内最多会有3个跳频序列同时出现在同一信道上，因此信道负载为

如图4所示，基于(2,6,3)-UDMDS生成一个包含6个跳频序列的DCQS-SCH同步跳频系统。其中，每个跳频序列的周期长度均为18个时隙。该跳频系统所采用的循环quorum系统是由一个可以划分为2个不相交(6,3)-MDS，即和的(2,6,3)-UDMDS，以及该UDMDS的5个旋转集合所构成的，该跳频系统具备如下参数：

由于任意2个跳频序列均可以在信道0,1,2上实现汇聚，因此DoR＝3。

由于2个跳频序列实现连续两次汇聚的最长间隔为5个时隙，例如第2个和第4个跳频序列在帧1的时隙0汇聚之后直到同一帧的时隙5才再次实现汇聚，因此MTTR＝5。

在一个18时隙周期内，由于第i个跳频序列，与第(i+1mod 6)个,第(i+2mod 6)个,第(i+3mod 6)个,第(i+4mod 6)个和第(i+5mod 6)个跳频序列分别汇聚了6次,6次,12次,6次和6次，因此第i个跳频序列与第(i+1mod 6)个,第(i+2mod 6)个,第(i+3mod6)个,第(i+4mod 6)个和第(i+5mod 6)个跳频序列的汇聚时间间隔分别为3,3,1.5,3和3个时隙。将这些间隔取平均可得ATTR＝2.5。

由于2个跳频序列在同一信道上实现连续两次汇聚的最长间隔为17个时隙，例如，在帧0的时隙0内在信道1上实现汇聚之后，第2个和第4个跳频序列需要等到帧2的时隙5才能同一信道上再次实现汇聚，因此MCTTR＝17。

由于在每个时隙内最多会有3个跳频序列同时出现在同一信道上，因此信道负载为

M-QCH跳频系统是基于{0,1}这个(3,2)-MDS构建的。由于n＝3，因此{0,1}与它的2个旋转集合{0,2}、{1,2}构成了一个CQS。基于该CQS构建的跳频系统如图1所示，该跳频系统总共只有3个不同的跳频序列，其中h表示随机从集合{0,1,2}之外随机选择的一个信道编号。

L-QCH跳频系统是基于{0,1,3}这个(7,3)-MDS构建的。由于n＝7，因此{0,1,3}与它的6个旋转集合{1,2,4}、{2,3,5}、{3,4,6}、{0,4,5}、{1,5,6}、{0,2,6}构成了一个CQS。基于该CQS构建的L-QCH跳频系统如图2所示，其中h表示随机从集合{0,1,...,6}之外随机选择的一个信道编号。

在所有认知节点时钟均保持同步的情况下，将本发明所述DCQS-SCH跳频系统与L-QCH和M-QCH跳频系统进行仿真性能对比。其中，M-QCH和L-QCH是分别基于一个随机选择的(3,2)-MDS和(7,3)-MDS进行构造的，而DCQS-SCH跳频系统是基于一个随机选择的(2,6,3)-UDMDS或(2,7,3)-UDMDS进行构造的。表1对这些跳频系统的性能指标进行了总结，其中，N代表认知无线ad hoc网络可汇聚信道个数。由表可知，基于(2,7,3)-UDMDS所构造的DCQS-SCH跳频系统比基于(7,3)-MDS所构造的L-QCH系统在MTTR、ATTR和MCTTR等指标上都要更好，而信道负载则相同。同时，基于(2,6,3)-UDMDS所构造的DCQS-SCH跳频系统的在ATTR和信道负载这两项指标上都要优于基于(3,2)-MDS所构造的M-QCH。因此，基于(2,7,3)-UDMDS所构造的DCQS-SCH跳频系统的性能应优于基于(7,3)-MDS所构造的L-QCH系统，而基于(2,6,3)-UDMDS所构造的DCQS-SCH跳频系统的性能应优于M-QCH。

表1.同步跳频系统的性能指标

在网络仿真中，本专利都考虑了一个由G∈[10,100]个均匀分布在10km×10km区域内的认知节点所构成的认知无线Ad hoc网络。该网络可以接入N∈[2,10]个带宽固定以及互不相交的授权信道进行通信。每个授权信道均已被分配给一个具备合法使用权的授权用户，而后者会基于占空比1:3对所分配的授权信道进行占用。当一个授权用户占用其信道进行通信时，所有认知节点均会受到该授权用户的通信干扰。在仿真中，每个认知节点将分别随机从基于(3,2)-MDS的M-QCH系统、基于(7,3)-MDS的L-QCH系统、基于(2,7,3)-UDMDS的DCQS-SCH系统、或者基于(2,6,3)-UDMDS的DCQS-SCH系统中任意挑选一个跳频序列。其它的仿真参数设置如下表2所示。

表2仿真参数设置

在如上参数设定下，图5与图6分别画出了认知节点可接入授权信道个数一定时，网络平均传输吞吐量与平均传输时延随认知节点个数变化情况。图7与图8分别画出了认知节点可接入授权信道个数一定时，网络平均传输吞吐量与平均传输时延随占用可接入信道的授权用户个数变化情况。而图9与图10画出了认知节点个数一定时，网络平均传输吞吐量随认知节点可汇聚授权信道个数变化情况。从仿真结果图中可以看出，基于(2,7,3)-UDMDS的DCQS-SCH跳频系统总是能获得比L-QCH跳频系统更优的平均传输吞吐量与传输时延，出现这一结果的原因如下：

与L-QCH相比，基于(2,7,3)-UDMDS的DCQS-SCH能够更为充分地利用每帧中的时隙以实现任意两个跳频序列之间的汇聚。因此，基于(2,7,3)-UDMDS的DCQS-SCH能获得比L-QCH更优的TTR参数和相同的信道负载。

与M-QCH跳频系统相比，虽然基于(2,7,3)-UDMDS的DCQS-SCH跳频系统的MTTR、ATTR和MCTTR相对较长，但其信道负载则要低很多。因此，基于(2,7,3)-UDMDS的DCQS-SCH在每个汇聚信道上所经历的分组碰撞情况要少得多。同时，基于(2,6,3)-UDMDS的DCQS-SCH跳频系统比起M-QCH跳频系统有着更短的ATTR与信道负载，所以无论是在网络平均传输吞吐量还是在平均传输时延性能上，基于(2,6,3)-UDMDS的DCQS-SCH跳频系统都远远优于M-QCH跳频系统。

此外，由于基于(3,2)-MDS构造的M-QCH跳频系统比基于(7,3)-MDS构造的L-QCH跳频系统具备更短的TTR值和更高的信道负载，因此图6也显示出了M-QCH和L-QCH跳频系统的平均传输时延存在着交错的现象，而图5则表明M-QCH总体上能取得比L-QCH更高的平均传输吞吐量。

由于基于(2,6,3)-UDMDS构造的DCQS-SCH跳频系统比起基于(2,7,3)-UDMDS构造的DCQS-SCH跳频系统具有更短的ATTR、MTTR与MCTTR，以及略微高一点的信道负载，所以从图5至图10也可以看出，前者在大多数情况下要比后者具有更优的平均传输吞吐量与时延性能。

Claims (2)

1.一种分布式的同步跳频系统跳频序列生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、同步跳频系统包含n个跳频序列，将每个跳频序列的一个周期分为L帧，每帧包含n个时隙，即，每个跳频序列的周期长度是nL个时隙，其中，gcd(M,N)表示M和N的最大公约数，M为自然数，N为自然数，且M≤N，N表示跳频系统的汇聚度DoR或者可汇聚信道的总个数，N≥1；

S2、对n个跳频序列进行编号，编号记作：0，1，2，3，…，i，...，n-1，对分别生成n个跳频序列的n个(M,n,k)-UDDS进行编号，编号记作：0，1，2，3，…，i，...，n-1，对每个(M,n,k)-UDDS所划分出来的M个互不相交的(n,k)-DS进行编号，编号记作：0，1，2，3，…，j，...，M-1，对每个(n,k)-DS所包含的k个时隙进行编号，编号记作：t₀，t₁，t₂，t₃，…，t_d，...，t_k-1，对N个可汇聚信道进行编号，编号记作：0，1，2，3，…，N-1，对每个跳频序列一个周期内的帧进行编号，编号记作：0，1，2，3，…，l，...，L-1，对每个跳频序列一个帧内的n个时隙进行编号，编号记作：0，1，2，3，…，n-1；

S3、在第l帧的属于第i个(M,n,k)-UDDS的第j个(n,k)-DS的第t_d个时隙内，第i个跳频序列跳跃到信道(lM+j)modN上，即当基于第a个(M,n,k)-UDDS，和第b个(M,n,k)-UDDS，分别生成第a个跳频序列和第b个跳频序列时，所述第a个跳频序列和第b个跳频序列在第l帧内会在M个不同信道，即(lM+0)modN，(lM+1)modN…,(lM+(M-1))modN上实现跳频汇聚，所述第a个跳频序列和第b个跳频序列在每个周期内在所有N个信道上实现大于等于次跳频汇聚，所述第a个跳频序列和第b个跳频序列在每个周期内在每个信道上的汇聚次数大于等于其中，l∈[0,L-1]，i∈[0,n-1]，j∈[0,M-1]，t_d∈[0,n-1]，l表示每个跳频序列一个周期内的帧编号，a，b，j均表示循环quorum系统中的(M,n,k)-UDDS编号或者基于(M,n,k)-UDDS所生成的跳频序列编号，a≠b，j表示每个(M,n,k)-UDDS所划分出来的M个互不相交(n,k)-DS的编号，t_d表示每个(n,k)-DS所包含的k个时隙的编号；

S4、在第l帧的编号不属于第i个(M,n,k)-UDDS的每个时隙内，第i个跳频序列跳跃到随机选择的信道h上，其中，

2.根据权利要求1所述的一种分布式的同步跳频系统跳频序列生成方法，其特征在于：S1中所述M≥1。