CN109327241B - 一种多层级认知无线电的跳频方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层级认知无线电的跳频方法，包括如下步骤：步骤一，检测并获取现有网络中的频谱资源；步骤二，利用步骤一中获得的可用信道进行跳频通信；步骤三，在跳频通信的过程中每隔一段时间对外部频谱资源进行频谱能量检测；步骤四，在检测到当前通信的信道即将要被主用户占用的时候，选择当前跳频优先级最高的频谱；步骤五，继续检测当前通信的信道主用户是否全部占用。本发明的多层级认知无线电的跳频方法，通过步骤一、步骤二、步骤三、步骤四和步骤五的设置，就可以有效的实现在通信的过程中也检测频谱和信道，进而实现在跳频的时候有预先信道跳频的效果，避免了现有技术中使得通信效率降低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种跳频方法，更具体的说是涉及一种多层级认知无线电的跳频方法。
背景技术
跳频通信是扩频通信的一种方式，其方式是使发射机频率在一组预先指定的频率上按照编码序列所规定的顺序离散的跳变，从而扩展发射波的频谱。经跳频方式扩频后的信号频率在较宽的频率范围内跳变，以躲避方式对抗通信中的干扰，在常规跳频通信系统中，跳频序列发生器所产生的载频序列是按照通信双方事先规定的协议遍历跳频频率集的每一个频点，由于通信时并不对频率集的频点进行质量分析，如果频点受到了严重干扰，该频点传输的信息难以提取，就会造成大量的误码。
认知无线电则是一种智能化无线电，其是通过频谱感知技术先检测到网络中的频谱空穴，然后再利用频谱空穴进行通信，因而可以用认知无线的频谱感知技术避开干扰点，对跳频的频段进行有效的筛选采集，这样就可以改善无线电台对电磁环境的适应性、增加频谱资源的利用率、减少电台之间的干扰，而现有的认知无线电的工作方式就是，一次感知一个频谱空穴，然后进行跳频跳到这个频谱空穴进行通信，当主用户需要使用这个频谱空穴的时候，便重新感知一个频谱空穴，然后使用新的频谱空穴进行通信，这样在通信的过程中是只有当现有的频谱空穴即将被占用的时候，才会去重新感知新的频谱空穴，这样在使用的过程中就比较容易出现在主用户占用之前使用的频谱空穴的时候，无法快速有效的找到新的频谱空穴，使得整个跳频通信效率降低的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够快速有效的找到新的频谱空穴，提升跳频通信效率的多层级认知无线电的跳频方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种多层级认知无线电的跳频方法，包括如下步骤：
步骤一，检测并获取现有网络中的频谱资源，并对获取的频谱资源进行频谱空穴检测，根据检测出的频谱空穴确定可用信道；
步骤二，利用步骤一中获得的可用信道进行跳频通信；
步骤三，在跳频通信的过程中每隔一段时间对外部频谱资源进行频谱能量检测，根据频谱能量的强弱对检测到频谱进行排序和命名，按照能量强度由弱变强进行命名和跳频优先级排布，能量强度最弱作为最高跳频优先级，能量强度最强作为最低跳频优先级；
步骤四，在检测到当前通信的信道即将要被主用户占用的时候，选择当前跳频优先级最高的频谱，并检测频谱空穴和可用信道，同时向可用信道发送信号，临时占用这个可用信道；
步骤五，继续检测当前通信的信道主用户是否全部占用，若主用户全部占用并且超过时间阈值，则跳频至优先级最高的频谱，并利用步骤四中临时占用的可用信道进行通信，同时返回步骤三重新检测，若主用户在占用一段时间后在时间阈值之内退出，则保持原有的信道进行通信，同时取消发送到优先级最高的频谱内可用信道的信号，并且返回步骤三重新检测。
作为本发明的进一步改进，所述步骤三中频谱能量检测时间间隔由以下步骤确定：
步骤三一，设置一能量阈值γ，检测频谱能量由弱变强或是由强变弱时频谱能量从低能量或是高能量到达阈值γ的时间t0和t1，其中阈值γ的值与判断信道是否可用的能量阈值的值相等；
步骤三二，利用上述时间t0和t1按照以下公式计算出时间间隔t，公式如下：
其中，上述t为时间间隔，t0为从高能量到达阈值γ的时间，t1为从低能量到达阈值γ的时间，a、b均为常数。
作为本发明的进一步改进，所述步骤四中向可用信道发送信号输入电压，该电压由以下公式确定：
其中，V为电压强度值，G为反馈的前端增益，f(t)为ADC的输入电压，R为输入电阻，-T/2和T/2均为时刻，dt为单位时间，T为时间段，RSSI为主用户存在时该信道的信号强度值。
作为本发明的进一步改进，所述步骤四中向可用信道发送信号为发送数据，其发送的数据量由以下公式确定：
c＝W*tx；
其中，tx为可用信道的占用时间，W为可用信道的带宽，c为在可用信道占用时间内向信道发送的数据量。
作为本发明的进一步改进，所述步骤五中的主用户占用时间的时间阈值大于频谱能量检测时间间隔，小于两倍的频谱能量检测时间间隔。
作为本发明的进一步改进，所述步骤四与步骤五之间中还包括预跳步骤，该预跳步骤包括如下：
步骤四一，在主用户即将使用信道时，断开当前用户与信道之间的连接，并将当前用户的数据预存在本地设备上，预存时间为主用户占用时间的时间阈值；
步骤四二，在主用户使用信道的时间超过时间阈值时，连通优先级最高的频谱内的可用信道，并将预存的数据输入到这个可用信道内完成跳频，在主用户使用信道的时间少于时间阈值又退出时，连通回原来的信道，并将预存的数据重新输入到原来的信道内完成跳频。
本发明的有益效果，通过步骤一的设置，可以有效的检测到现有的频谱的频谱空穴，以及频谱空穴内所能够使用的信道了，然后通过步骤二的设置就可以有效的进行跳频通信，而通过步骤三的设置就可以在跳频通信的过程中对外部的频谱的频谱空穴进行检测，同时将检测出来的频谱空穴按照可用程度进行有效的排序，将这些检测出来的频谱空穴作为备用，而通过步骤四的设置，就可以在主用户进来需要跳频的时候，将最可用的频谱空穴进行临时占用，避免其他认知用户检测到并利用通信导致本认知用户无法跳频的问题，之后通过步骤五的设置，就可以有效的根据主用户的占用时间来判断是利用备用频谱通信还是利用之前通信的频谱进行通信，如此便不会出现在主用户只是临时使用以下频谱而使得认知用户跳出，让该频谱空置导致频谱资源浪费的问题，同时通过备用频谱的设置，可以实现在需要跳频的时候，认知用户就不需要重新感知，只需进行跳频即可，大大的增加了跳频效率，实现了快速有效的找到可用频谱的效果。
具体实施方式
下面将所给出的实施例对本发明做进一步的详述。
本实施例的一种多层级认知无线电的跳频方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一，检测并获取现有网络中的频谱资源，并对获取的频谱资源进行频谱空穴检测，根据检测出的频谱空穴确定可用信道；
步骤二，利用步骤一中获得的可用信道进行跳频通信；
步骤三，在跳频通信的过程中每隔一段时间对外部频谱资源进行频谱能量检测，根据频谱能量的强弱对检测到频谱进行排序和命名，按照能量强度由弱变强进行命名和跳频优先级排布，能量强度最弱作为最高跳频优先级，能量强度最强作为最低跳频优先级；
步骤四，在检测到当前通信的信道即将要被主用户占用的时候，选择当前跳频优先级最高的频谱，并检测频谱空穴和可用信道，同时向可用信道发送信号，临时占用这个可用信道；
步骤五，继续检测当前通信的信道主用户是否全部占用，若主用户全部占用并且超过时间阈值，则跳频至优先级最高的频谱，并利用步骤四中临时占用的可用信道进行通信，同时返回步骤三重新检测，若主用户在占用一段时间后在时间阈值之内退出，则保持原有的信道进行通信，同时取消发送到优先级最高的频谱内可用信道的信号，并且返回步骤三重新检测，在进行跳频通信的时候，首先利用步骤一和步骤二建立起基本的无线通信，然后在通信的过程中利用步骤三检测过目前可用的频谱资源，并且根据这些频谱资源进行优先级排布，由于本实施例主要适用于能量检测频谱感知的方式，因而这个通过能量强度的强弱便能够很好的体现出此时对应的频谱是否处于可用状态了，并且根据能量强度的变化，实时确定可用频谱，避免在跳频的时候频谱不可用的问题，如此就能够通过可以直接测量出来的能量强度来进行优先级排布，就不需要经过复杂的计算，之后通过步骤四的设置，就可以起到一个预先占用的效果，因为现有的认知无线通信的过程中，主用户数量是一定的，因此频谱资源也是一定的，而认知用户数量则是无法确定的，并且认知用户的数量远大于主用户即频谱的数量，因而就会出现某个频谱在某段时间是一个认知用户使用，在其他时间又是不同的认知用户使用，因而通过步骤四的设置可以避免在准备跳频的时候，备用的频谱被其他认知用户占用导致无法跳频的问题，大大的增加了跳频效率，而通过步骤五的设置，就可以实现在步骤四预留了频谱资源的同时，根据之前频谱主用户的占用情况来选择频谱通信，当原先频谱被主用户占用的时间超过时间阈值时，就表示此时主用户在使用频谱，因而跳频到备用频谱上，当原先频谱被主用户占用的时间少于时间阈值时，就表示此事主用户并未使用频谱，因而跳回原来频谱，如此就可以避免出现现有技术中因为主用户的短暂连接使得认知用户跳出而导致频谱空置浪费的问题，如此便能够很好的实现一个快速频谱搜索，且能够大大的提升通信效率的效果。
作为改进的一种具体实施方式，所述步骤三中频谱能量检测时间间隔由以下步骤确定：
步骤三一，设置一能量阈值γ，检测频谱能量由弱变强或是由强变弱时频谱能量从低能量或是高能量到达阈值γ的时间t0和t1，其中阈值γ的值与判断信道是否可用的能量阈值的值相等；
步骤三二，利用上述时间t0和t1按照以下公式计算出时间间隔t，公式如下：
其中，上述t为时间间隔，t0为从高能量到达阈值γ的时间，t1为从低能量到达阈值γ的时间，a、b均为常数，为了减少能源的浪费，以及设备的负荷，因此不可能在通信的过程中还进行实时监测频谱的过程中，因此本实施例中通过间隔检测的方式就可以有效的避免上述问题，并且将间隔时间通过以上公式的方式计算出来，就可以实现现有的频谱的使用状况来确定检测的时间间隔了，例如，上述t0即为一个可用的频谱到一个不可用的频谱的转换时间，t1为一个不可用的频谱到一个可用频谱的转换时间，因此可以得知，当t0越大，t1越小的时候就表示现有的频谱竞争并不激烈，可以作为备用频谱的资源很多，不用担心长时间不检测导致可用频谱变为不可用频谱的问题，如此根据上述公式计算当t0很大而t1很小的时候，其计算出来的时间间隔t较大，可以有效的降低设备负荷节约能源，反之当t0很小，而t1很大的时候，就表示此时的频谱资源处于较为恶劣的状态，因此就需要短时间内对频谱资源的可用情况进行更新，这样有效的避免在后期跳频的时候，由于频谱信息更新不及时，导致跳频失败的问题，如此通过上述公式的设置，就可以实现频谱的检测时间间隔一个动态调整，实现了在节约能源和降低设备负荷的同时，还能够实现保证频谱的更新。
作为改进的一种具体实施方式，所述步骤四中向可用信道发送信号输入电压，该电压由以下公式确定：
其中，V为电压强度值，G为反馈的前端增益，f(t)为ADC的输入电压，R为输入电阻，-T/2和T/2均为时刻，dt为单位时间，T为时间段，RSSI为主用户存在时该信道的信号强度值，利用上述公式就可以通过在主用户占用信道的时候，计算出信道内当前流过的电压值，因此，在临时占用信道的时候，将信道内的电压增加到这个电压值，就可以实现一个模拟主用户存在信道的效果，外部其他的认知用户便感知到这个信道的状态，就不会选择这个信道进行通信，实现了通过改变信道能量的方式达到了临时占用信道的效果。
作为改进的一种具体实施方式，所述步骤四中向可用信道发送信号为发送数据，其发送的数据量由以下公式确定：
c＝W*tx；
其中，tx为可用信道的占用时间，W为可用信道的带宽，c为在可用信道占用时间内向信道发送的数据量，通过以上方式，就可以利用时间内发送大量数据的方式占用掉信道的全部带宽，外部其他的认知用户便感知到这个信道的状态，就不会选择这个信道进行通信，实现了对于其他非能量检测的认知用户一个临时占用信道的效果。
作为改进的一种具体实施方式，所述步骤五中的主用户占用时间的时间阈值大于频谱能量检测时间间隔，小于两倍的频谱能量检测时间间隔，当一次频谱检测以后，可用频谱以及可用信道的优先级就会刷新，保证频谱可用信息的准确性，而快要进行第二次检测的时候，主用户还在占用信道，就表示主用户正在使用这个信道，而不是临时连接，如此便开始跳频，并且在跳频之前已经进行了一次频谱检测，这样就可以保证跳频的准确性，增加通信效率。
作为改进的一种具体实施方式，所述步骤四与步骤五之间中还包括预跳步骤，该预跳步骤包括如下：
步骤四一，在主用户即将使用信道时，断开当前用户与信道之间的连接，并将当前用户的数据预存在本地设备上，预存时间为主用户占用时间的时间阈值；
步骤四二，在主用户使用信道的时间超过时间阈值时，连通优先级最高的频谱内的可用信道，并将预存的数据输入到这个可用信道内完成跳频，在主用户使用信道的时间少于时间阈值又退出时，连通回原来的信道，并将预存的数据重新输入到原来的信道内完成跳频，利用预跳步骤可以将认知用户的数据进行暂时存储，避免了在选择频谱跳频这个环节上导致认知用户数据丢失的问题，保证了认知用户的通信质量。
综上所述，本实施例的跳频方法，通过步骤一至五的设置，可以实现在通信时检测频谱形成备用频谱库，增加后期跳频的准确度和速度，之后还可以判断主用户是否是使用信道或是临时连接信道，避免由于主用户临时连接信道后撤出导致频谱空置导致频谱资源浪费的问题，大大的增加了通信效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种多层级认知无线电的跳频方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一，检测并获取现有网络中的频谱资源，并对获取的频谱资源进行频谱空穴检测，根据检测出的频谱空穴确定可用信道；
步骤二，利用步骤一中获得的可用信道进行跳频通信；
步骤三，在跳频通信的过程中每隔一段时间对外部频谱资源进行频谱能量检测，根据频谱能量的强弱对检测到频谱进行排序和命名，按照能量强度由弱变强进行命名和跳频优先级排布，能量强度最弱作为最高跳频优先级，能量强度最强作为最低跳频优先级；
步骤四，在检测到当前通信的信道即将要被主用户占用的时候，选择当前跳频优先级最高的频谱，并检测频谱空穴和可用信道，同时向可用信道发送信号，临时占用这个可用信道；
步骤五，继续检测当前通信的信道主用户是否全部占用，若主用户全部占用并且超过时间阈值，则跳频至优先级最高的频谱，并利用步骤四中临时占用的可用信道进行通信，同时返回步骤三重新检测，若主用户在占用一段时间后在时间阈值之内退出，则保持原有的信道进行通信，同时取消发送到优先级最高的频谱内可用信道的信号，并且返回步骤三重新检测。
2.根据权利要求1所述的多层级认知无线电的跳频方法，其特征在于：所述步骤三中频谱能量检测时间间隔由以下步骤确定：
步骤三一，设置一能量阈值γ，检测频谱能量由弱变强或是由强变弱时频谱能量从低能量或是高能量到达阈值γ的时间t0和t1，其中阈值γ的值与判断信道是否可用的能量阈值的值相等；
步骤三二，利用上述时间t0和t1按照以下公式计算出时间间隔t，公式如下：
其中，上述t为时间间隔，t0为从高能量到达阈值γ的时间，t1为从低能量到达阈值γ的时间，a、b均为常数。
3.根据权利要求1或2所述的多层级认知无线电的跳频方法，其特征在于：所述步骤四中向可用信道发送信号输入电压，该电压由以下公式确定：
其中，V为电压强度值，G为反馈的前端增益，f(t)为ADC的输入电压，R为输入电阻，-T/2和T/2均为时刻，dt为单位时间，T为时间段，RSSI为主用户存在时该信道的信号强度值。
4.根据权利要求1或2所述的多层级认知无线电的跳频方法，其特征在于：所述步骤四中向可用信道发送信号为发送数据，其发送的数据量由以下公式确定：c＝W*tx；
其中，tx为可用信道的占用时间，W为可用信道的带宽，c为在可用信道占用时间内向信道发送的数据量。
5.根据权利要求3所述的多层级认知无线电的跳频方法，其特征在于：所述步骤五中的主用户占用时间的时间阈值大于频谱能量检测时间间隔，小于两倍的频谱能量检测时间间隔。
6.根据权利要求4所述的多层级认知无线电的跳频方法，其特征在于：所述步骤五中的主用户占用时间的时间阈值大于频谱能量检测时间间隔，小于两倍的频谱能量检测时间间隔。
7.根据权利要求1或2所述的多层级认知无线电的跳频方法，其特征在于：所述步骤四与步骤五之间中还包括预跳步骤，该预跳步骤包括如下：
步骤四一，在主用户即将使用信道时，断开当前用户与信道之间的连接，并将当前用户的数据预存在本地设备上，预存时间为主用户占用时间的时间阈值；
步骤四二，在主用户使用信道的时间超过时间阈值时，连通优先级最高的频谱内的可用信道，并将预存的数据输入到这个可用信道内完成跳频，在主用户使用信道的时间少于时间阈值又退出时，连通回原来的信道，并将预存的数据重新输入到原来的信道内完成跳频。
8.根据权利要求3所述的多层级认知无线电的跳频方法，其特征在于：所述步骤四与步骤五之间中还包括预跳步骤，该预跳步骤包括如下：
步骤四一，在主用户即将使用信道时，断开当前用户与信道之间的连接，并将当前用户的数据预存在本地设备上，预存时间为主用户占用时间的时间阈值；
步骤四二，在主用户使用信道的时间超过时间阈值时，连通优先级最高的频谱内的可用信道，并将预存的数据输入到这个可用信道内完成跳频，在主用户使用信道的时间少于时间阈值又推出时，连通回原来的信道，并将预存的数据重新输入到原来的信道内完成跳频。
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