一種支持節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)跳頻通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的基于頻率跳變的通 信交互機(jī)制設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 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)鐘同步和通信頻段預(yù)約等大量的控制信息。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。
[0003] 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)均從一定的跳頻 序列集合中獨(dú)立地選擇其跳頻序列，那么不同認(rèn)知用戶在同一時(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。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。
[0004]通常，衡量一個(gè)跳頻序列集合優(yōu)劣的參數(shù)包括：
[0005] 可匯聚信道個(gè)數(shù)，即該集合任意兩個(gè)跳頻序列可以產(chǎn)生匯聚的信道總個(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。
[0006] 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。
[0007] 信道負(fù)載，即在同一時(shí)隙跳到同一信道上的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與認(rèn)知節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)之間 的比值。該比值的可能范圍為[0，1]。當(dāng)信道負(fù)載越小，則認(rèn)知節(jié)點(diǎn)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，控制信息交互的性能就越好。
[0008] 在現(xiàn)有基于頻率跳躍的控制信息交互方式中，所有認(rèn)知發(fā)送節(jié)點(diǎn)均會(huì)從同一發(fā)送 跳頻序列集合中隨機(jī)選擇一個(gè)跳頻序列，而所有認(rèn)知發(fā)送節(jié)點(diǎn)均會(huì)從同一接收跳頻序列集 合中隨機(jī)選擇一個(gè)跳頻序列。雖然該控制信息交互機(jī)制可以確保任意一個(gè)發(fā)送跳頻序列和 任意一個(gè)接收跳頻序列都能在所有可接入信道上實(shí)現(xiàn)跳頻匯聚，但會(huì)導(dǎo)致所有的認(rèn)知發(fā)送 和接收節(jié)點(diǎn)對(duì)均具備相同的平均匯聚時(shí)間間隔，無法為不同的認(rèn)知發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)對(duì)區(qū)分 不同的通信優(yōu)先級(jí)別，從而不能為重要性較高的認(rèn)知發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)對(duì)(例如網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié) 點(diǎn)）提供優(yōu)于重要性較低的認(rèn)知發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)對(duì)(例如網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)）的通信傳輸性能。 同時(shí)，該交互機(jī)制所產(chǎn)生的信道負(fù)載也比較大，不利于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)整體通信傳輸性能的 提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種支持節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)跳頻通信 方法。與現(xiàn)有基于頻率跳躍的控制信息交互方式相比，本發(fā)明需要為不同優(yōu)先級(jí)別的發(fā)送 和接收認(rèn)知節(jié)點(diǎn)對(duì)分別設(shè)計(jì)不同的發(fā)送和接收跳頻序列集合，以確保高優(yōu)先級(jí)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)能 夠獲得比低優(yōu)先級(jí)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)更短的平均匯聚時(shí)間間隔，并且能夠有效降低控制信息交互的 信道負(fù)載
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0011] 每個(gè)認(rèn)知發(fā)送或接收節(jié)點(diǎn)的收發(fā)信機(jī)均會(huì)在所有N個(gè)授權(quán)信道上根據(jù)一定的跳頻 序列進(jìn)行周期性的跳躍，在避免對(duì)授權(quán)用戶通信產(chǎn)生干擾的前提下達(dá)到充分利用空閑授權(quán) 頻譜資源的目的。在每個(gè)時(shí)隙的開始，每個(gè)發(fā)送或接受節(jié)點(diǎn)會(huì)首先將其收發(fā)信機(jī)切換到一 個(gè)新的授權(quán)信道上，然后對(duì)該授權(quán)信道進(jìn)行實(shí)時(shí)的頻譜感知。
[0012] 如圖1所示，如果一個(gè)有通信需求的認(rèn)知發(fā)送節(jié)點(diǎn)感知到當(dāng)前信道未被授權(quán)用戶 占用，那么它會(huì)根據(jù)其通信需求向某一接收節(jié)點(diǎn)發(fā)出通信預(yù)約請(qǐng)求，并在與接收節(jié)點(diǎn)成功 預(yù)約數(shù)據(jù)傳輸信道之后暫時(shí)停止跳頻并切換到相應(yīng)的傳輸信道上發(fā)送數(shù)據(jù)；否則，它會(huì)在 當(dāng)前信道上保持靜默，直到當(dāng)前時(shí)隙結(jié)束為止。如圖2所示，如果一個(gè)認(rèn)知接收節(jié)點(diǎn)感知到 當(dāng)前信道未被授權(quán)用戶占用，那么它會(huì)持續(xù)監(jiān)聽該信道，在收到某一發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)給它的通 信預(yù)約請(qǐng)求之后回復(fù)數(shù)據(jù)傳輸信道的確認(rèn)信息，暫時(shí)停止跳頻，并切換到相應(yīng)的傳輸信道 上接收數(shù)據(jù)；否則，它會(huì)在當(dāng)前信道上保持靜默，直到當(dāng)前時(shí)隙結(jié)束為止。在本發(fā)明所提的 控制信息交互方法中，當(dāng)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的所有發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)對(duì)均具備一定的優(yōu)先級(jí)別 時(shí)，可以為不同優(yōu)先級(jí)別的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不同的發(fā)送和接收跳頻序列集合，并使得每個(gè)優(yōu)先級(jí) 組別中的所有節(jié)點(diǎn)均從相應(yīng)的跳頻序列集合中隨機(jī)選擇一個(gè)，就能為具備不同優(yōu)先級(jí)的所 有發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)對(duì)提供不同的跳頻匯聚間隔，最終為不同優(yōu)先級(jí)別的認(rèn)知發(fā)送和接收節(jié) 點(diǎn)對(duì)提供不同的數(shù)據(jù)傳輸吞吐量和時(shí)延性能。
[0013] 為了更好的理解本發(fā)明，首先對(duì)本發(fā)明用到的幾個(gè)定理進(jìn)行介紹：
[0014] 定理1、在由0，1，. . .，N-1共N個(gè)數(shù)字所構(gòu)成的圓上，如果一個(gè)由初始數(shù)字為bse [0，N-1]和固定移動(dòng)速率為rse[0，N-l]的順時(shí)針移動(dòng)所產(chǎn)生的序列s和一個(gè)由初始數(shù)字為 bae[0，N_l]和固定移動(dòng)速率為rae[0，N_l]的逆時(shí)針移動(dòng)所產(chǎn)生的序列a同時(shí)滿足如下一 些條件，即1^+1' ￡1 = 1'1/^，1^ = 13￡11]1〇(1(1'1/^)，；1^和1'1互為質(zhì)數(shù)，1'￡1和1'1互為質(zhì)數(shù)，并且9為1'1的一個(gè) 非1真因子，那么序列s和a在每N次連續(xù)移動(dòng)中一定會(huì)在N/q個(gè)不同的數(shù)字上實(shí)現(xiàn)匯聚，并且 它們連續(xù)兩次匯聚所間隔的移動(dòng)次數(shù)均為q:
[0015] 如圖3所示，以序列X、5^Pz為例，N = 8。對(duì)于序列X和y，它們的初始數(shù)字分別為bx = by=2,而它們的移動(dòng)速率分別為rx=l和ry=l。由于它們滿足rx+ry=N/q = 2，bx = bymod2，rx 和N互為質(zhì)數(shù)，ry和N互為質(zhì)數(shù)，并且q = 4為N = 8的一個(gè)非1真因子，因此序列X和序列y在每8 次連續(xù)移動(dòng)中一定會(huì)在2個(gè)不同的數(shù)字上實(shí)現(xiàn)匯聚，并且它們連續(xù)兩次匯聚所間隔的移動(dòng) 次數(shù)均為4。另一方面，對(duì)于序列z來說，它的初始數(shù)字和移動(dòng)速率分別為b z = 2和Zz = 3。由于 序列y和z滿足ry+rz = N/q = 4，bz = bymod4，rz和N互為質(zhì)數(shù)，并且q = 2為N=8的一個(gè)非l真因 子，因此序列X和y在每8次連續(xù)移動(dòng)中一定會(huì)在4個(gè)不同的數(shù)字上實(shí)現(xiàn)匯聚，并且它們連續(xù) 兩次匯聚所間隔的移動(dòng)次數(shù)均為2。也就是說，隨著q取值的變化，兩個(gè)序列匯聚的頻率和時(shí) 間間隔也會(huì)發(fā)生變化。
[0016] -種支持節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)跳頻通信方法，包括如下步驟：
[0017] S1、每個(gè)認(rèn)知發(fā)送或接收節(jié)點(diǎn)的收發(fā)信機(jī)在N個(gè)授權(quán)信道上根據(jù)一定的跳頻序列 進(jìn)行周期性的跳躍，其中，N是不為零的自然數(shù)；
[0018] 32、將認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)劃分為1個(gè)優(yōu)先級(jí)，1^,3+；1^3 = 1^/^^,」=1^,」 m〇dul〇(N/qi)，其中，Me [1，m]，m為認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)可用信道個(gè)數(shù)N的非1真因子個(gè)數(shù)，ri, s為 優(yōu)先級(jí)為i的認(rèn)知發(fā)送節(jié)點(diǎn)單次跳頻的信道間隔，r1>t為優(yōu)先級(jí)為i的認(rèn)知接收節(jié)點(diǎn)單次跳 頻的信道間隔，ai,j為優(yōu)先級(jí)為i認(rèn)知接收節(jié)點(diǎn)跳頻序列的初始信道，bi,j為優(yōu)先級(jí)為i認(rèn)知 發(fā)送節(jié)點(diǎn)跳頻序列的初始信道，r 1>s與N互質(zhì)，ri,t與N互質(zhì)，qi*N的非1真因子，表示優(yōu)先級(jí) 為i的認(rèn)知發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)對(duì)實(shí)現(xiàn)連續(xù)兩次匯聚所需的跳頻次數(shù)，i = l，2,3, . . .，M，qM< qM-i< . . . <qi;
[0019] S3、優(yōu)先級(jí)為i的認(rèn)知接收節(jié)點(diǎn)的接收跳頻序列集合為Wi，優(yōu)先級(jí)為i的認(rèn)知發(fā)送 節(jié)點(diǎn)的發(fā)送跳頻序列集合為Φ i;
[0020] S4、每個(gè)優(yōu)先級(jí)為j的認(rèn)知發(fā)送節(jié)點(diǎn)和每個(gè)優(yōu)先級(jí)為j的接收節(jié)點(diǎn)對(duì)均能夠在一定 時(shí)間段內(nèi)實(shí)現(xiàn)多于每個(gè)優(yōu)先級(jí)為k的認(rèn)知發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)對(duì)的跳頻匯聚次數(shù)，在優(yōu)先滿足 高優(yōu)先級(jí)的認(rèn)知發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)對(duì)通信需求的同時(shí)，為低優(yōu)先級(jí)的認(rèn)知發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)對(duì) 提供一定的通信機(jī)會(huì)，其中，j>k，j = l，2,3,. . .，M，k=l，2,3,. . .，M。
[0021 ]進(jìn)一步地，S3所述接收跳頻序列集合Wi的生成方法為：
[0022] S311、認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的可接入信道編號(hào)集合為{0，1，. . .，N_1}，所有認(rèn)知發(fā)送節(jié)點(diǎn)