CN109302707B - 一种最佳稳定性的认知无线电交汇序列构造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种最佳稳定性的认知无线电交汇序列构造方法，包括认知无线电网络中认知用户信道跳转序列的构造方法和实现信道交汇的系统模型；认知用户按照各自生成的序列在可用信道上跳转，当两个或多个认知用户在同一时隙跳转到同一信道并且此信道没有被授权用户占用时，认知用户之间通过竞争赢得发送信息的权利，若有用户竞争胜利，完成数据传送，则信道交汇成功。本发明可以减小认知无线电网络中认知用户的交汇成功率方差，相较于其他交汇算法能达到最佳的交汇稳定性能。
Description
技术领域
本发明涉及认知无线电网络领域，特别设计一种最佳稳定性的认知无线电交汇序列构造方法。
背景技术
随着无线通信业务需求的快速增长，频谱资源日益紧张，人们通过无线通信理论和技术，致力于提高频谱利用效率。而频谱资源供需矛盾的根本原因不在于频谱资源稀缺，而是和当前静态频谱管理策略有关，即授权用户对其频谱具有独占性。在全球授权频段，尤其是信号传播特性较好的低频段的频谱利用率较低。因此，相比于日益拥挤的非授权频段，授权频段的低利用率成为研究人员解决频谱资源供需紧张问题的突破口。认知无线电作为一种更加智能的频谱共享技术，能够感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时自适应地改变系统工作参数，动态检测并有效利用空闲频谱，使得未被授权的用户能有效利用已被授权的频谱资源。采用动态频谱接入方式的认知无线电网络能有效提高授权频段的利用率，被认为是无线网络未来演化和发展的方向。
信道交汇针对解决认知无线电网络中接入协商问题，是实现动态频谱接入网络组网的基础，也是实现网络管理和控制的前提条件。其中盲信道交汇策略不依赖网络预设的专用公共控制信道，是一种动态按需的信道交汇策略，也是目前最适合认知无线电网络信道可用性动态变化特性的策略。认知无线电设备优良的信道切换性能使得基于信道跳转序列的信道交汇策略显示出较大优势，其将认知用户通过频谱感知获取的所有可用信道组织成有特定序列结构的信道跳转序列，并按照序列以时隙的工作方式执行信道跳转过程。当两个或多个认知用户在同一时隙跳转到同一信道并且此信道没有授权用户占用时，认知用户之间通过竞争赢得发送信息的权利，竞争成功的认知用户完成信道交汇。为了避免时钟同步带来的控制开销，研究者提出了异步序列策略，从而实现时钟异步条件下的信道交汇。但认知无线电网络信道数多且信道可用性动态变化，因此信道交汇成功的稳定性较差。
为了衡量信道交汇成功的稳定性，研究者通常选取以下两个指标来比较。个人交汇成功率(individual rendezvous-success rate，RSR)，即在碰撞规避的场景中，任一时隙指定认知用户成功完成信道交汇的概率。交汇成功率方差(RSR variance)，即在碰撞规避的场景中，交汇成功率的方差。
为了提高认知无线电网络中信道交汇的稳定性，已经有一些序列构造方法被提出。在总可用信道数为N的情况下：Chen W C等人在2017年发表的“Construction andAnalysis of Shift-Invariant,Asynchronous-Symmetric Channel-Hopping Sequencesfor Cognitive Radio Networks”中提出pairwise SI信道跳转序列ACHPS的构造方法，确保任何两个认知用户在序列周期内的总交汇次数在所有异步情况下保持恒定。随后，Chiang M H等人在2018年发表的“Asynchronous-Symmetric Channel-Hopping Sequencesover Prime Field for Cognitive Radio Networks”中提出global SI信道跳转序列的构造方法，确保任何两个认知用户在序列周期内的各信道交汇次数在所有异步情况下保持恒定。显而易见，后者使得任意两个认知用户的信道交汇平均分布于各信道，因此更能应对授权用户对信道状态的影响。尽管如此，此两种序列均不能使得每次交汇卷入的认知用户数目最优化分布，从而当交汇成功概率受竞争认知用户数目影响时，无法使得每个认知用户在序列周期内在不同信道的成功交汇概率相等。根据计算推导目前所得的RSR方差的理论最优值是0，如何在不降低交汇成功率的情况下减小RSR方差成为本领域人员需要研究的问题。
因此，需要一种新的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法来进一步提高信道交汇的稳定性，从而达到更佳的交汇性能。
发明内容
本发明旨在提供一种最佳交汇稳定性的认知无线电交汇序列构造方法，使信道交汇的成功率方差达到目前计算推导所得的理论最优值。
本发明提供一种包括认知无线电网络中认知用户信道跳转序列的构造方法和实现信道交汇的系统模型；认知用户按照各自生成的序列在可用信道上跳转，当两个或多个认知用户在同一时隙跳转到同一信道并且此信道没有授权用户占用时，认知用户之间通过竞争赢得发送信息的权利，若有用户竞争胜利，完成数据传送，则信道交汇成功。
进一步地，所述认知用户信道交汇序列的构造过程包括：S11.选择整数N个可用信道依次编号，随机排序生成全排列，即得到一个长度为N的子序列w；S12.认知用户数为整数K，构造一个Ni-1×N的数组，命名为Mi，其中i＝1，2，…，K，数组的每一行都是长度为N的子序列w；S13.从左往右，按列读取数组Mi中的元素得到一个新的序列si；S14.周期性的拓展每个序列si直到长度为NK，得到认知用户信道跳转序列。
进一步地，所述的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法中系统模型条件为：认知用户信道跳转起始时间异步，但单位时隙持续时间相等；单天线即认知用户在每个时隙仅能跳转到一个信道。
进一步地，所述的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法中系统模型条件为：无专用控制信道；对称，即不区分发送方和接收方。
进一步地，所述的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法中系统模型条件为：所有认知用户可感知到的空闲信道情况相同，所有认知用户共享一系列已授权信道；在信道跳转序列生成结束前，不会通过频谱预感知排除忙碌信道。
通过本发明的方法，减小信道交汇的成功率方差，相较于其他交汇算法达到最佳的交汇稳定性能。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，本发明的有益效果将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明实施例提供的认知无线电网络信道交汇序列构造及交汇过程的示意图。
图2是本发明实施例提供的认知无线电网络信道交汇序列构造过程中生成的数组示意图。
图3是本发明实施例提供的认知无线电网络信道交汇序列构造过程中重读数组得到的序列示意图。
图4是本发明实施例提供的认知无线电网络无授权用户信道交汇信道跳转序列的示意图。
图5是本发明实施例提供的认知无线电网络有授权用户信道交汇信道跳转序列的示意图。
图6是现有技术和本发明方法提供的认知无线电网络信道交汇成功率RS rate的仿真实验图。
图7是现有技术和本发明方法提供的认知无线电网络信道交汇成功率方差RSRvariance的仿真实验图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提供的一种包括认知无线电网络中认知用户信道跳转序列的构造方法和实现信道交汇的系统模型；认知用户按照各自生成的序列在可用信道上跳转，当两个或多个认知用户在同一时隙跳转到同一信道并且此信道没有授权用户占用时，认知用户之间通过竞争赢得发送信息的权利，若有用户竞争胜利，完成数据传送，则信道交汇成功。
作为优选方案，所述的认知用户信道交汇序列的构造过程包括：S11.选择整数N个可用信道依次编号，随机排序生成全排列，即得到一个长度为N的子序列w；S12.认知用户数为整数K，构造一个Ni-1×N的数组，命名为Mi，其中i＝1，2，…，K，数组的每一行都是长度为N的子序列w；S13.从左往右，按列读取数组Mi中的元素得到一个新的序列si；S14.周期性的拓展每个序列si直到长度为NK，得到认知用户信道跳转序列。
作为优选方案，在所述的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法中系统模型条件设定为：认知用户信道跳转起始时间异步，但单位时隙持续时间相等；单天线即认知用户在每个时隙仅能跳转到一个信道。
作为优选方案，在所述的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法中系统模型条件设定为：无专用控制信道；对称，即不区分发送方和接收方。
作为优选方案，在所述的认知无线电网络信道交汇序列的构造方法中系统模型条件设定为：所有认知用户可感知到的空闲信道情况相同，所有认知用户共享一系列已授权信道；在信道跳转序列生成结束前，不会通过频谱预感知排除忙碌信道。
图1示出了本发明实施例提供的认知无线电网络信道交汇序列构造及交汇过程。认知用户通过频谱感知获取的所有可用信道组织成有特定序列结构的信道跳转序列，并依据序列以时隙为时间单位在信道上执行跳转。认知用户之间的时钟是异步的，并且所有认知用户的时钟差异为随机值。当两个或多个认知用户在同一时隙跳转到同一编号的信道上时，首先判断此信道是否已被其它授权用户占用。若已被占用，则交汇时间增加，认知用户按照既定序列继续跳转重复判断过程；若没有占用，则认知用户之间采用竞争接入机制。每个时隙被分为两个部分：竞争窗口和数据窗口。其中，竞争窗口中含有T个迷你时隙，每个认知用户等概率随机选取一个迷你时隙，拥有标号最小且独占的迷你时隙的认知用户竞争成功，在数据窗口完成数据传输。若存在认知用户竞争成功，则该用户赢得该时隙在这一信道发送信息的权利，完成信道交汇，信道交汇成功次数增加。
图2和图3分别示出了本发明实施例提供的认知无线电网络中认知用户信道跳转序列构造过程中生成的数组和重读数组得到的序列。在选取总信道数为3，次要用户数为3的情况下，认知用户按照本发明所述方法构造信道交汇序列。图2为子序列构成的三个数组，图3示出了分别对三个数组从左往右，按列重新读取数组中元素后所得到的三组序列。
图4和图5分别示出了本发明实施例提供的认知无线电网络没有和存在授权用户时信道交汇信道跳转序列。认知用户之间开始跳转的异步时间差为随机值，交汇时间从最后开始的一方跳转开始计算。图3情况下没有授权用户占用信道，认知用户2与3在第2个时隙同时跳转到信道“1”。认知用户之间采用竞争接入机制，竞争窗口被分为8个迷你时隙，用户2分得的迷你时隙编号为“2”，用户3分得的迷你时隙编号为“5”。则用户2竞争成功，在数据窗口发送数据，完成信道交汇，交汇成功次数增加1。图5情况下授权用户占用信道“1”，认知用户2与3在第2个时隙虽然同时跳转到信道“1”，但由于授权用户占用，信道交汇失败继续跳转，直到第3个时隙认知用户1与3同时跳转到信道“2”，认知用户之间采用竞争接入机制，竞争窗口被分为8个迷你时隙，用户1分得的迷你时隙编号为“6”，用户3分得的迷你时隙编号为“1”。则用户3竞争成功，在数据窗口发送数据，完成信道交汇，交汇成功次数增加1。
本发明采用MATLAB对现有算法和本发明方法进行实施。基于异步交汇的模型假设，认知用户之间随机相差若干个时隙开始信道跳转，并且独立互不干扰地生成各自的跳转序列。每个仿真结果均是20000次独立仿真所得结果。交汇稳定性用个人交汇成功率(individual rendezvous-success rate，RSR)和交汇成功率方差(RSR variance)两个指标来衡量。
图6是现有技术和本发明方法提供的认知无线电网络信道交汇成功率RS rate的仿真实验图，反映了现有技术和本发明方法信道交汇RS rate随认知用户数变化的曲线。从图中可以看出本发明方法的RS rate不低于现有技术的RS rate。
图7是现有技术和本发明方法提供的认知无线电网络信道交汇成功率方差RSRvariance的仿真实验图，反映了现有技术和本发明方法信道交汇RSR variance随认知用户数变化的曲线。从图中可以看出本发明方法的RSR variance远低于现有技术的RSRvariance，从而与图6共同说明本发明方法相较于其他交汇算法达到最佳的交汇稳定性能。
以上应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种最佳交汇稳定性的认知无线电交汇序列构造方法，包括认知无线电网络中认知用户信道跳转序列的构造方法和实现信道交汇的系统模型；其特征在于：所述认知用户按照各自生成的序列在可用信道上跳转，当两个或多个认知用户在同一时隙跳转到同一信道并且此信道没有授权用户占用时，认知用户之间通过竞争赢得发送信息的权利，若有用户竞争胜利，完成数据传送，则信道交汇成功；
所述认知用户信道交汇序列的构造过程包括：
S11.选择整数N个可用信道依次编号，随机排序生成全排列，即得到一个长度为N的子序列w；
S12.认知用户数为整数K，构造一个Ni-1×N的数组，命名为Mi，其中i＝1,2,…,K，数组的每一行都是长度为N的子序列w；
S13.从左往右，按列读取数组Mi中的元素得到一个新的序列si；
S14.周期性的拓展每个序列si直到长度为NK，得到认知用户信道跳转序列；
认知用户通过频谱感知获取的所有可用信道组织成有特定序列结构的信道跳转序列，并依据序列以时隙为时间单位在信道上执行跳转；认知用户之间的时钟是异步的，并且所有认知用户的时钟差异为随机值；当两个或多个认知用户在同一时隙跳转到同一编号的信道上时，首先判断此信道是否已被其它授权用户占用；若已被占用，则交汇时间增加，认知用户按照既定序列继续跳转重复判断过程；若没有占用，则认知用户之间采用竞争接入机制；每个时隙被分为两个部分：竞争窗口和数据窗口；其中，竞争窗口中含有T个迷你时隙，每个认知用户等概率随机选取一个迷你时隙，拥有标号最小且独占的迷你时隙的认知用户竞争成功，在数据窗口完成数据传输；若存在认知用户竞争成功，则该用户赢得该时隙在这一信道发送信息的权利，完成信道交汇，信道交汇成功次数增加。
2.根据权利要求1所述的一种最佳交汇稳定性的认知无线电交汇序列构造方法，其特征在于：系统模型条件中认知用户信道跳转起始时间异步，但单位时隙持续时间相等；单天线即认知用户在每个时隙仅能跳转到一个信道。
3.根据权利要求1所述的一种最佳交汇稳定性的认知无线电交汇序列构造方法，其特征在于：系统模型条件中无专用控制信道；对称，即不区分发送方和接收方。
4.根据权利要求1所述的一种最佳交汇稳定性的认知无线电交汇序列构造方法，其特征在于：系统模型条件中所有认知用户可感知到的空闲信道情况相同，所有认知用户共享一系列已授权信道；在信道跳转序列生成结束前，不会通过频谱预感知排除已被授权用户占据的信道。
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