一種基于置換群的多天線認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)信道匯合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具體是一種基于置換群的多天線認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)信道匯 合方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 認(rèn)知無線技術(shù)是目前解決靜態(tài)頻譜分配方式所導(dǎo)致的頻譜利用率低下問題的很 有前景的技術(shù)，采用動(dòng)態(tài)頻譜接入方式可有效提高授權(quán)頻段的利用率。由于認(rèn)知網(wǎng)中的主 用戶對(duì)頻譜使用的優(yōu)先級(jí)高于次用戶，次用戶在使用頻段之前需要探測(cè)主用戶信號(hào)，采用 襯底（Underlay)或疊加（Overlay)頻譜共享機(jī)制實(shí)現(xiàn)和主用戶的共存，以避免對(duì)主用戶的 通信產(chǎn)生干擾。
[0003] 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是發(fā)送方能找到接收方，并采用相同信道進(jìn)行 通信。信道匯合機(jī)制針對(duì)該問題為次用戶提供公共傳輸媒介以建立通信鏈路，是完成控制 指令交互和數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)谋匾^程，是實(shí)現(xiàn)鄰居發(fā)現(xiàn)、收發(fā)雙方握手、拓?fù)淇刂萍奥酚烧?qǐng) 求廣播和路由信息更新等過程的前提條件。
[0004] 根據(jù)是否依賴網(wǎng)絡(luò)預(yù)設(shè)的專用公共控制信道，目前信道匯合策略分為有輔助的信 道匯合和盲信道匯合兩類。有輔助的信道匯合策略又稱為基于專用公共控制信道的信道 匯合策略，繼承了傳統(tǒng)多信道無線網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制（MAC，Medium Access Control)協(xié)議 設(shè)計(jì)的思想，屬于靜態(tài)主動(dòng)的信道匯合策略。由于預(yù)設(shè)專用公共控制信道是次用戶已知的 信道匯合點(diǎn)，因而可簡(jiǎn)化次用戶之間完成信道匯合和建立通信鏈路的過程。但覆蓋全網(wǎng)的 專用公共控制信道極易因網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而成為限制網(wǎng)絡(luò)容量的瓶頸。公共控制信道容易 受主用戶活動(dòng)的影響，當(dāng)主用戶出現(xiàn)在控制信道時(shí)，所有的次用戶必須延遲通信并切換至 其它信道，致使網(wǎng)絡(luò)的吞吐量降低，況且當(dāng)主用戶長期占用控制信道，就阻塞了次用戶的接 入，即在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，公共控制信道也不能保證始終可用。此外，專用公共控制信道會(huì) 因拒絕服務(wù)攻擊給網(wǎng)絡(luò)帶來單點(diǎn)失效的問題。盲信道匯合策略不依賴于專用公共控制信 道，是一種動(dòng)態(tài)按需的信道匯合策略，適合于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)信道可用性動(dòng)態(tài)變化的特性，進(jìn) 而可分為基于信號(hào)處理的信道匯合、基于面向接收者的信道匯合、基于信道跳轉(zhuǎn)序列的信 道匯合以及基于分組/分簇的信道匯合策略等。認(rèn)知無線電設(shè)備優(yōu)良的信道切換性能，使 得信道跳轉(zhuǎn)方式成為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)次用戶盲信道匯合的主要方法?；谛诺捞D(zhuǎn)序列的信道匯 合工作在時(shí)隙系統(tǒng)上，每個(gè)次用戶按照序列生成算法構(gòu)造自己的信道跳轉(zhuǎn)序列，該序列決 定了次用戶信道跳轉(zhuǎn)軌跡。一旦發(fā)送方和接收方通過信道跳轉(zhuǎn)切換至同一信道，該信道就 成為匯合信道。信道跳轉(zhuǎn)序列的設(shè)計(jì)有依賴時(shí)鐘同步的同步序列和不依賴時(shí)鐘同步的異步 序列，顯然后者的適用性更廣。信道跳頻方法的覆蓋范圍是非全網(wǎng)的，可有效避免用戶出現(xiàn) 行為趨同現(xiàn)象。為防止匯合信道擁塞，在設(shè)計(jì)時(shí)需要保證網(wǎng)絡(luò)的所有信道都有相同的機(jī)會(huì) 成為匯合信道，保證信道被接入使用的公平性。通過將匯合信道分散到所有信道上，可充分 利用認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)信道多樣性的特點(diǎn)。然而采用該方法，次用戶為實(shí)現(xiàn)信道匯合需要頻繁 地切換信道，時(shí)間開銷較大。為此，設(shè)計(jì)在有限時(shí)間內(nèi)盡可能快地實(shí)現(xiàn)確定性匯合的跳頻序 列是最為關(guān)鍵的。
[0005] 目前基于信道跳轉(zhuǎn)序列的匯合策略主要考慮各次用戶只需要配置一根天線，這是 大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備最常具備的配置。但在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)這種多信道而且信道可用性動(dòng)態(tài)變化 的網(wǎng)絡(luò)中，匯合搜索的時(shí)延開銷通常會(huì)很大，只配置一根天線的處理能力會(huì)很受限制，成為 制約整體性能的瓶頸。通過使用多天線的認(rèn)知無線電設(shè)備，每根天線都獨(dú)立地按照各自的 跳頻序列進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，可更有效地利用信道多樣性的特征，只要收發(fā)雙方的任意一根天線在 相同時(shí)隙內(nèi)跳轉(zhuǎn)至同一信道，即可實(shí)現(xiàn)匯合，這種多天線并行處理的跳頻方法是一種提高 搜索效率的有效途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)目前普遍采用的單天線信道匯合方法實(shí)現(xiàn)匯合時(shí)間較長的問題，本發(fā)明提出 一種基于置換群的多天線認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)信道匯合方法，僅通過適當(dāng)增加天線數(shù)量就可加速 匯合，即只通過增加少量的硬件開銷就可快速發(fā)現(xiàn)鄰居用戶。
[0007] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種基于置換群的多天線認(rèn)知無線 網(wǎng)絡(luò)信道匯合方法，網(wǎng)絡(luò)中的需要匯合的不同用戶至少有一個(gè)公共的可用信道，其匯合過 程包括：
[0008] 將信道編號(hào)映射為置換群中的元素，將不同天線的一個(gè)周期內(nèi)的跳頻序列映射為 有限群中不同元素的排列；
[0009] 對(duì)于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)信道數(shù)為偶數(shù)的情形，置換群中的元素為正多面體的頂點(diǎn)，利 用正多面體按不同類型不同朝向?qū)ΨQ軸旋轉(zhuǎn)不同角度所得置換群來構(gòu)建不同天線的跳頻 序列；
[0010] 對(duì)于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)信道數(shù)為奇數(shù)的情形，置換群中的元素為正多邊形的頂點(diǎn)，利 用正多邊形按不同類型對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)不同角度所得置換群并依次持續(xù)向左/向右循環(huán)輪轉(zhuǎn) 來構(gòu)建不同天線的跳頻序列；
[0011] 經(jīng)過有限個(gè)時(shí)隙，公共的可用信道在所述不同用戶的同一時(shí)隙內(nèi)出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)信道 匯合。
[0012] 所述不同用戶在構(gòu)建跳頻序列時(shí)選取不同類型對(duì)稱軸對(duì)應(yīng)的置換群。
[0013] 所述對(duì)于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)信道數(shù)為偶數(shù)的情形，當(dāng)用戶具有多根天線時(shí)，同一用戶 的某根天線的跳頻序列是同一類型同一朝向的對(duì)稱軸按不同角度旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)置換群的循環(huán) 拼接，而同一用戶的不同天線的跳頻序列是同一類型不同朝向的對(duì)稱軸按不同角度旋轉(zhuǎn)對(duì) 應(yīng)置換群的循環(huán)拼接。
[0014] 所述對(duì)于網(wǎng)絡(luò)信道數(shù)為奇數(shù)的情形，當(dāng)用戶具有多根天線時(shí)，同一用戶的某根天 線的跳頻序列是同一類型對(duì)稱軸按不同角度旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)置換群的循環(huán)拼接，而該用戶的其它 天線的跳頻序列是其前一根天線的跳頻序列依次持續(xù)向左/向右循環(huán)移動(dòng)1個(gè)時(shí)隙所得序 列的循環(huán)拼接。
[0015] 本發(fā)明提出的一種基于置換群的多天線認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)信道匯合方法，是在充分考 慮認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)多信道切換特點(diǎn)的前提下提出的，僅需通過增加少量的硬件開銷（即天 線），即可加快不同用戶實(shí)現(xiàn)信道匯合的過程。具體表現(xiàn)在：
[0016] 1.本發(fā)明提出的基于置換群的信道匯合方法對(duì)不同天線按照不同規(guī)律進(jìn)行元素 (即信道標(biāo)號(hào)）的置換和循環(huán)，可以在有限時(shí)間內(nèi)保證重復(fù)元素的出現(xiàn)，即實(shí)現(xiàn)信道匯合， 有效縮短了信道匯合的時(shí)間；
[0017] 2.本發(fā)明方法充分利用多根天線并行搜索的特點(diǎn)以及認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)信道多樣性 的特點(diǎn)，保證了快速實(shí)現(xiàn)信道匯合，是組網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，適合應(yīng)用于大規(guī)模的無線網(wǎng)絡(luò)。
[0018] 3.本發(fā)明方法所提出的信道匯合方法具備通用性，適合任何數(shù)量的信道，對(duì)信道 數(shù)目的奇偶性沒有約束，是一種適用于多天線時(shí)鐘異步場(chǎng)景的有效方法。
【附圖說明】
[0019] 圖1為考慮的不同用戶（i和j)的不同天線生成的跳頻序列示意圖；
[0020] 圖2為以正立方體為例旋轉(zhuǎn)構(gòu)建置換群的示意圖；
[0021] 圖3為按正立方體所得置換群構(gòu)建跳頻序列的示意圖；
[0022] 圖4為以正五邊形為例旋轉(zhuǎn)構(gòu)建置換群的示意圖；
[0023] 圖5為按正五邊形所得置換群構(gòu)建跳頻序列的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0025] 本發(fā)明考慮的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境包括K(K多2)個(gè)用戶。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是分時(shí)隙的，所 有時(shí)隙都是相同的固定長度。認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的授權(quán)頻段分為M(M多1)個(gè)非正交信道， 即C= {Cl，c2，…cM}。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的所有用戶均已知信道的標(biāo)號(hào)。若次用戶可在某信道上 通信并且不會(huì)對(duì)主用戶的活動(dòng)產(chǎn)生任何干擾，即認(rèn)為該信道對(duì)于該次用戶是可用的。而信 道是否可用可通過目前已經(jīng)較為成熟的頻譜檢測(cè)技術(shù)獲知。不失一般性，本發(fā)明考慮一對(duì) 用戶i和j(i辛j且i，j = 1，2,…，K)之間的信道匯合問題。假設(shè)用戶i配置m(m>l)根 天線，而用戶j配置n(n>l)根天線，在異構(gòu)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，m與n并不相等。為了 確保不同用戶之間實(shí)現(xiàn)確定性匯合，不管它們的可用信道集有多么不同，始終要有至少一 個(gè)的公共可用信道才可以期望匯合。由于同一用戶的不同天線均獨(dú)立地生成跳頻序列，用 分別表示用戶i和j的不同天線的跳頻序列，其中具體表示用戶i的第m 根天線在第t時(shí)隙所在的信道，而5具體表示用戶j的第n根天線在第t時(shí)隙所在的信 道。鑒于時(shí)鐘同步在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中不易于實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明考慮適用于時(shí)鐘異步這種更 為普遍的情形，由于在多天線配置下只要收發(fā)雙方的任意一根天線在相同時(shí)隙內(nèi)跳轉(zhuǎn)至同 一信道即認(rèn)為實(shí)現(xiàn)匯合，而在時(shí)鐘異步情形下的相同時(shí)隙意味著用戶之間的時(shí)隙不完全重 疊，但重疊的部分時(shí)長足以完成實(shí)現(xiàn)匯合的所有必需步驟（如通信握手、交換報(bào)文等），此 時(shí)盡管時(shí)隙不對(duì)齊，仍可在一定程度上認(rèn)為是相同時(shí)隙。
[0026] 本發(fā)明在設(shè)計(jì)不同天線的跳頻序列時(shí)利用了有限群中的置換群的性質(zhì)。有限非空 集M= {1,2，...，m}上的雙射〇稱為M上的一個(gè)置換，記作
[0028] 其中，，…，ani互不相等。
[0029] 特別地，恒等置換是指 fl 2. "， m、
[0030] I = 2 ? ? ? m )
[0031] 如果M上的全體置換Sm中的非空子集G滿足：（1)對(duì)G中的所有置換f?與g，f *g 也屬于G ; (2)恒等置換I屬于G ; (3)對(duì)G中的每一個(gè)置換f，它的逆f-1也屬于G，則G是 M上的一個(gè)置換群。
[0032] 本發(fā)明將認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的信道編號(hào)抽象為置換群中的元素，將不同天線的一個(gè) 周期內(nèi)的跳頻序列抽象為有限群中不同元素的排列，對(duì)其按照一定規(guī)律進(jìn)行置換和循環(huán)， 而不同天線的跳頻序列的置換和循環(huán)規(guī)律不盡相同，比如用戶i的一根天線不采用特殊規(guī) 律，僅是對(duì)信道號(hào)的恒等置換進(jìn)行周期性的循環(huán)，而其它天線將采用一定規(guī)律（比如按不 同的方向和角度旋轉(zhuǎn)）進(jìn)行置換和循環(huán)，這樣由于置換群的封閉性，在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn) 相同元素的重復(fù)，亦即在不同用戶的不同天線之間可以期望在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)確定性匯 合。各天線的跳頻序列均按照有限群中的置換群理論獨(dú)立地生成，只要收發(fā)雙方的任意一 根天線在相同時(shí)隙內(nèi)跳轉(zhuǎn)至同一信道，即可成功實(shí)現(xiàn)匯合。
[0033] 下面以正立方體的置換群為例，闡述實(shí)現(xiàn)方法。取一個(gè)正立方體，稱之為定體，其 頂點(diǎn)集合為{1，2,…，8}，亦可視作認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的信道集合為C= {Cl，c2，…cs}。設(shè)想 另一個(gè)正立方體與定體完全重合，并且頂點(diǎn)標(biāo)記相同，稱之為動(dòng)體。動(dòng)體圍繞定體的對(duì)稱軸 作各種旋轉(zhuǎn)，使得二者再度重合，每一種旋轉(zhuǎn)都確定了頂點(diǎn)集合上的一個(gè)置換。這些旋轉(zhuǎn)包 括以下4種不同類型（在置換群的作用下變成相同的模式算是同一種置換）：
[0034] ( i )不旋轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)