CN116405057B - 基于认知无线电网络的异步信道跳变序列集构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于认知无线电网络的异步信道跳变序列集构建方法，包括步骤：确定素数p和原根g，通过不相交差集算法得到不相交差集S；对于不相交差集S中任意集合Dr中的元素，构建该元素对应的整数矩阵；构建集合Dr中每个元素对应的整数矩阵，将所有整数矩阵级联在一起，再进行转置后，构成信道跳变矩阵。本发明解决认知无线电网络中通信会合问题，次级用户通过不同时隙下在不同信道上快速跳变，实现异步通信会合，从而减少相互干扰的概率，提高通信可靠性和效率。

Description

基于认知无线电网络的异步信道跳变序列集构建方法
技术领域
本发明涉及数据传输及网络通信技术领域，特别涉及一种基于认知无线电网络的异步信道跳变序列集构建方法。
背景技术
在认知无线电网络中，通信方之间建立链路需要在公共控制信道中会合。然而，公共控制信道非常容易受到主用户活动的影响，导致次级用户会合失败。因此，认知无线电网络最常见的技术——信道跳变序列，“信道跳变”是指一定周期内在不同信道之间跳变，以减少干扰和提高安全性，该技术可以使次级用户能在有限的信道之间跳变，从而会合。如图1所示，展示了5个次级用户在具有四条许可的信道时，两两之间相互会合的示例，由于主用户和次级用户共享许可信道，所以主用户会干扰次级用户会合，但当两个次级用户同时跳到一个未占用的许可信道时，这两个次级用户即可会合。但是，认知无线电网络仍面临全局时钟异步的问题。
现有的信道跳变方法大致可以分为4类：
同步：同步模式更加关注次级用户在同一时刻跳转到同一信道，当多个用户一起工作时，同步模式可以提供更高的协同性和实时性。
异步：异步模式指的是次级用户在不同时间点跳转到相同的信道，如图2所示，拥有五条许可信道的3个次级用户在不同的时隙下被访问，当任意两个次级用户在同一时隙下跳转到同一信道时二者可以进行通信会合。异步模式可以提高安全性，因为可使不同用户在不同的信道上通信，从而降低被监听或攻击的风险。
对称：在对称角色中，信道跳变序列使用相同的许可通道或周期（即“同质”通道）。
非对称：在非对称角色中，每个次级用户需要两个单独的信道跳变序列，并使用不同的许可信道或周期（即“异构”信道）预先分配接收方或发射方的角色。
发明内容
本发明的目的在于解决认知无线电网络中通信会合问题，次级用户通过不同时隙下在不同信道上快速跳变，实现异步通信会合，从而减少相互干扰的概率，提高通信可靠性和效率，提供一种基于认知无线电网络的异步信道跳变序列集构建方法。
为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：
基于认知无线电网络的异步信道跳变序列集构建方法，包括以下步骤：
步骤1，确定素数p和原根g，通过不相交差集算法得到不相交差集S；
步骤2，对于不相交差集S中任意集合Dr中的元素，构建该元素对应的整数矩阵；
步骤3，构建集合Dr中每个元素对应的整数矩阵，将所有整数矩阵级联在一起，再进行转置后，构成信道跳变矩阵。
还包括步骤4：由信道跳变矩阵创建信道跳变序列，经各信道跳变序列发生位移后，实现信道跳变序列之间的异步通信会合。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明生成可变长的信道跳变序列集，可应用于异步下的信道会合。首先输入一个素数p，且该素数大于等于3，找到素数p的原根g；在模p-1的有限整数域中构造不相交差集S，对于其中每个集合Dr都可以构造一条可变长的信道跳变序列，从而得到可变长的信道跳变序列集，在异步下实现信道会合。
本发明广泛应用于认知无线电网络中，以提高通信的安全性和效率，构造的信道跳变序列集在时间和频率上均有高度的变化性，且能够有效抵御恶意攻击和窃听行为，从而提高了通信系统的保密性和可靠性。保证任意两条信道跳变序列之间在p时隙内至少发生一次会合通信，意味着可以减少用户之间的等待时间和通信延迟，使通信更快速，并提高系统的吞吐量。另外，较短的会合时间还可以减少功耗，使用户需要等待的时间更少，从而延长系统寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为背景技术中5个次级用户具有四条许可信道时的通信示意图；
图2为背景技术中3个次级用户具有五条许可信道时的访问示意图；
图3为本发明方法流程图；
图4为本发明实施例3中各方案下最大会合时间的对比仿真结果示意图；
图5为本发明实施例3中各方案下会合时间均值的对比仿真结果示意图；
图6为本发明实施例3中各方案下会合时间方差的对比仿真结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。另外，术语“相连”、“连接”等可以是元件之间直接相连，也可以是经由其他元件的间接相连。
实施例1：
根据信道跳变序列和异步的特征，异步信道跳变序列具有以下优点：
1、减少干扰：在不同的信道之间切换，从而减少了干扰的影响。
2、提高数据传输速度：可以在较短的时间内传输更多的数据，因为通过在不同的信道之间切换可以避免信道的拥塞和冲突。
3.增强安全性：以随机的顺序跳跃到不同的信道，因此可以降低被监听的风险，从而提高通信的安全性。
4.使用范围广泛：适用于各种类型的无线通信，包括Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等，是一种通用的技术，可以应用于不同的场景。
本发明通过下述技术方案实现，如图3所示，一种基于认知无线电网络的异步信道跳变序列集构建方法，包括以下步骤：
步骤1，确定素数p和原根g，通过不相交差集算法得到不相交差集S。
设素数p≥3，选取g作为中的原根，/>为有限正整数域。
不相交差集算法在集合论中，若干个集合组成一组不相交差集，这些集合彼此之间没有交集，而这些集合的并集就是某个更大的集合。换句话说，这些集合是互相独立的，没有任何一个元素同时属于两个或多个集合。
对于一组不相交差集，其中Dr表示不相交差集S中的第r个集合，n为集合数量，Zp-1表示0到p-1之间的整数域,如果其中的集合满足以下两个条件，则称这些集合为不相交差集：
1.，对于k≠v；
2.。
每个集合中最多有/>，/>；/> ，Dk表示不相交差集S中的第k个集合，Dv表示不相交差集S中的第v个集合。
步骤2，对于不相交差集S中任意集合Dr中的元素，构建该元素对应的整数矩阵。
对于不相交差集S中的任意集合Dr中的元素，/>，首先构建元素/>的矩阵集合/>：
其中，为矩阵集合/>中的元素，/>表示集合Dr中的第c个元素,/>表示原根g的/>次方，mod p表示以模p进行取余运算。通过循环迭代i和j，可以构造出一个p×p的整数矩阵/>：
其中，i表示整数矩阵的第i行，j表示整数矩阵/>的第j列，/>；整数矩阵/>中(i,j)位置上的元素即为/>。
步骤3，构建集合Dr中每个元素对应的整数矩阵，将所有整数矩阵级联在一起，再进行转置后，构成信道跳变矩阵。
对于集合Dr中的任意元素，可以构造出其对应的整数矩阵/>，则对集合Dr中的所有元素构造整数矩阵后，可得到整数矩阵/>，将这些整数矩阵级联在一起，并进行转置操作后，得到一个/>的信道跳变矩阵/>：
接着，对于不相交差集S中的任意集合Dr可以构造出其对应的信道跳变矩阵，则对不相交差集S中所有集合构造信道跳变矩阵后，可得到一个周期为/>的可变长信道跳变序列/>：
L表示一个周期。
步骤4，由信道跳变矩阵创建信道跳变序列，经各信道跳变序列发生位移后，实现信道跳变序列之间的异步通信会合。
选择可变长信道跳变序列中任意信道跳变矩阵/>作为静态的信道跳变序列或位移的信道跳变序列，它们会在一定频率后发生通信会合。
基于异步的可变长信道跳变序列不仅可以实现用户随机入网，还具有最短的最大会合时间和最大首次会合时间，即使在可变长周期内仍有良好的性能。同时，本方案保证会合可以发生在任意两条信道跳变序列之间，并且会合时间是不均匀和不可预测的，实现用户之间异步信道跳变序列也能会合通信。
实施例2：
本实施例在上述实施例1的基础上提供会合通信实例。
步骤1，确定素数p和原根g，通过不相交差集算法得到不相交差集S。
设素数p=5，选择原根g=3，有。
使用不相交差集算法创建不相交差集S={D0,D1}，n=2，且D0={0,1}，D1={2,3}，。
步骤2，对于不相交差集S中任意集合Dr中的元素，构建该元素对应的整数矩阵。
构建集合D0中元素的整数矩阵/>：
构建集合D0中元素的整数矩阵/>：
步骤3，构建集合Dr中每个元素对应的整数矩阵，将所有整数矩阵级联在一起，再进行转置后，构成信道跳变矩阵。
将整数矩阵和/>级联在一起，得到集合D0的信道跳变矩阵/>：
同理，将集合D1中元素的整数矩阵/>，和元素/>的整数矩阵/>级联在一起，得到集合D1的信道跳变矩阵/>：
步骤4，由信道跳变矩阵创建信道跳变序列，经各信道跳变序列发生位移后，实现信道跳变序列之间的异步通信会合。
在不失一般性的情况下，作为一种举例，假设发生位移的信道跳变序列是用集合D1创建的，并且具有相当于信道跳变矩阵循环右移位1量，即垂直位移v=1、水平位移h=0，则信道跳变矩阵/>为：
静态的信道跳变序列用集合D0创建，可以看出，此时信道跳变矩阵中的粗体元素是位移的信道跳变序列与静态的信道跳变序列的会合点。
再做一种举例，假设发生位移的信道跳变序列是用集合D1创建的，并且具有相当于信道跳变矩阵循环右移位3量，即垂直位移v=3、水平位移h=0，则信道跳变矩阵为：
静态的信道跳变序列用集合D0创建，可以看出，此时信道跳变矩阵中的粗体元素是位移的信道跳变序列与静态的信道跳变序列的会合点。
再做一种举例，假设发生位移的信道跳变序列是用集合D1创建的，并且具有相当于信道跳变矩阵循环右移位4量，即垂直位移v=4、水平位移h=0，则信道跳变矩阵为：
静态的信道跳变序列用集合D0创建，可以看出，此时信道跳变矩阵中的粗体元素是位移的信道跳变序列与静态的信道跳变序列的会合点。
综上，本方案可以生成可变长的信道跳变序列集，可应用于异步下的信道会合。首先输入一个素数p，且该素数大于等于3，找到素数p的原根g；在模p-1的有限整数域中构造不相交差集S，对于其中每个集合Dr都可以构造一条可变长的信道跳变序列，从而得到可变长的信道跳变序列集，在异步下实现信道会合。
可变长周期的信道跳变序列在适应不同的通信环境方面具有显著的优势，由于通信环境因素（如电磁干扰、噪声等）经常发生变化，使用可变长的信道跳变序列可以更好地使用这些变化。此外，可变长的信道跳变序列还可以增加系统的安全性，攻击者很难预测下一次将要使用的频道，从而提高了通信系统的安全性。另外，可变长的信道跳变序列还可以节省系统资源，因为可以根据需要动态调整周期，避免不必要的频繁切换。综合来看，可变长的信道跳变序列可以使通信系统更加灵活、安全、高效，并提供更好的通信质量和用户体验。
本发明可以广泛应用于认知无线电网络中，以提高通信的安全性和效率，构造的信道跳变序列集在时间和频率上均有高度的变化性，且能够有效抵御恶意攻击和窃听行为，从而提高了通信系统的保密性和可靠性。保证任意两条信道跳变序列之间在p时隙内至少发生一次会合通信，意味着可以减少用户之间的等待时间和通信延迟，使通信更快速，并提高系统的吞吐量。另外，较短的会合时间还可以减少功耗，使用户需要等待的时间更少，从而延长系统寿命。
实施例3：
本实施例在上述实施例1和2的基础上提供实验验证。
请参见图4，为本方案与CM2P-CH、DRDS和JS在相同许可信道数量N下的最大会合时间（MTTR）的对比仿真结果，可见，本方案所需最大会合时间是四个方案中最小的。
请参见图5，为本方案与CM2P-CH、DRDS和JS在相同许可信道数量N下的会合时间（TTR）均值的对比仿真结果，可见，本方案的会合时间均值是四个方案中最小的。
请参见图6，为本方案与CM2P-CH、DRDS和JS在相同许可信道数量N下的会合时间（TTR）方差的对比仿真结果，可见，本方案的会合时间方差是四个方案中最小的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.基于认知无线电网络的异步信道跳变序列集构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，确定素数p和原根g，通过不相交差集算法得到不相交差集S；
所述步骤1具体包括以下步骤：
设素数p≥3，选取g作为 中的原根，/>为有限正整数域；
通过不相交差集算法得到不相交差集，其中Dr表示不相交差集S中的第r个集合，n为集合数量，Zp-1表示0到p-1之间的整数域，且其中的集合满足以下两个条件：
1.，对于k≠v；
2.；
每个集合Dr中最多有，/>；/>，Dk表示不相交差集S中的第k个集合，Dv表示不相交差集S中的第v个集合；
步骤2，对于不相交差集S中任意集合Dr中的元素，构建该元素对应的整数矩阵；
所述步骤2具体包括以下步骤：
对于不相交差集S中的任意集合Dr中的元素，/>，构建元素/>的矩阵集合/>：
其中，为矩阵集合/>中的元素，/>表示集合Dr中的第c个元素，/>表示原根g的/>次方，mod p表示以模p进行取余运算；
通过循环迭代i和j，构造出一个p×p的整数矩阵：其中，i表示整数矩阵/>的第i行，j表示整数矩阵/>的第j列，/>；整数矩阵/>中(i,j)位置上的元素即为/>；
步骤3，构建集合Dr中每个元素对应的整数矩阵，将所有整数矩阵级联在一起，再进行转置后，构成信道跳变矩阵；
所述步骤3具体包括以下步骤：
对于集合Dr中的任意元素，构造出其对应的整数矩阵/>，则对集合Dr中的所有元素构造整数矩阵后，得到整数矩阵/>，将这些整数矩阵级联在一起，并进行转置操作后，得到一个/>的信道跳变矩阵/>：
对于不相交差集S中的任意集合Dr构造出其对应的信道跳变矩阵，则对不相交差集S中所有集合构造信道跳变矩阵后，得到一个周期为/>的可变长信道跳变序列/>： L表示一个周期。
2.根据权利要求1所述的基于认知无线电网络的异步信道跳变序列集构建方法，其特征在于：还包括步骤4：由信道跳变矩阵创建信道跳变序列，经各信道跳变序列发生位移后，实现信道跳变序列之间的异步通信会合。
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