一種支持節(jié)點優(yōu)先級的認知無線網(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知無線網(wǎng)絡(luò)的基于頻率跳變的通 信交互機制設(shè)計。
【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)的空閑頻譜資源進行通 信，認知無線網(wǎng)絡(luò)需要具備一套高效的控制信息交互機制，以實現(xiàn)在認知節(jié)點之間傳遞包 括頻譜感知結(jié)果、時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知節(jié)點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，只有當發(fā)送和接收認知節(jié)點實現(xiàn)了跳頻匯聚，即在同一個時隙內(nèi)同時 跳躍到同一個信道上，它們才能進行控制信息的交互。如果每個認知節(jié)點均從一定的跳頻 序列集合中獨立地選擇其跳頻序列，那么不同認知用戶在同一時隙內(nèi)可以實現(xiàn)在多個信道 上的跳頻匯聚，從而有效避免基于單個固定控制信道交互控制信息所導致的控制信道流量 飽和問題。因此，如何為認知節(jié)點設(shè)計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，衡量一個跳頻序列集合優(yōu)劣的參數(shù)包括：
[0005] 可匯聚信道個數(shù)，即該集合任意兩個跳頻序列可以產(chǎn)生匯聚的信道總個數(shù)。當可 匯聚信道個數(shù)越多，則基于跳頻匯聚的控制信息交互具備更強的抗授權(quán)用戶干擾能力。
[0006] 平均匯聚時間間隔，即該集合任意兩個跳頻序列實現(xiàn)連續(xù)兩次匯聚的平均時間間 隔。當平均匯聚時間間隔越短，則基于跳頻匯聚的控制信息交互具備更短的交互時延和更 高的控制信息傳輸吞吐量。
[0007] 信道負載，即在同一時隙跳到同一信道上的認知節(jié)點個數(shù)與認知節(jié)點總個數(shù)之間 的比值。該比值的可能范圍為[0，1]。當信道負載越小，則認知節(jié)點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，所有認知發(fā)送節(jié)點均會從同一發(fā)送 跳頻序列集合中隨機選擇一個跳頻序列，而所有認知發(fā)送節(jié)點均會從同一接收跳頻序列集 合中隨機選擇一個跳頻序列。雖然該控制信息交互機制可以確保任意一個發(fā)送跳頻序列和 任意一個接收跳頻序列都能在所有可接入信道上實現(xiàn)跳頻匯聚，但會導致所有的認知發(fā)送 和接收節(jié)點對均具備相同的平均匯聚時間間隔，無法為不同的認知發(fā)送和接收節(jié)點對區(qū)分 不同的通信優(yōu)先級別，從而不能為重要性較高的認知發(fā)送和接收節(jié)點對(例如網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié) 點）提供優(yōu)于重要性較低的認知發(fā)送和接收節(jié)點對(例如網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點）的通信傳輸性能。 同時，該交互機制所產(chǎn)生的信道負載也比較大，不利于認知無線網(wǎng)絡(luò)整體通信傳輸性能的 提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種支持節(jié)點優(yōu)先級的認知無線網(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)先級別的發(fā)送 和接收認知節(jié)點對分別設(shè)計不同的發(fā)送和接收跳頻序列集合，以確保高優(yōu)先級認知節(jié)點能 夠獲得比低優(yōu)先級認知節(jié)點更短的平均匯聚時間間隔，并且能夠有效降低控制信息交互的 信道負載
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0011] 每個認知發(fā)送或接收節(jié)點的收發(fā)信機均會在所有N個授權(quán)信道上根據(jù)一定的跳頻 序列進行周期性的跳躍，在避免對授權(quán)用戶通信產(chǎn)生干擾的前提下達到充分利用空閑授權(quán) 頻譜資源的目的。在每個時隙的開始，每個發(fā)送或接受節(jié)點會首先將其收發(fā)信機切換到一 個新的授權(quán)信道上，然后對該授權(quán)信道進行實時的頻譜感知。
[0012] 如圖1所示，如果一個有通信需求的認知發(fā)送節(jié)點感知到當前信道未被授權(quán)用戶 占用，那么它會根據(jù)其通信需求向某一接收節(jié)點發(fā)出通信預(yù)約請求，并在與接收節(jié)點成功 預(yù)約數(shù)據(jù)傳輸信道之后暫時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，它會在 當前信道上保持靜默，直到當前時隙結(jié)束為止。如圖2所示，如果一個認知接收節(jié)點感知到 當前信道未被授權(quán)用戶占用，那么它會持續(xù)監(jiān)聽該信道，在收到某一發(fā)送節(jié)點發(fā)給它的通 信預(yù)約請求之后回復(fù)數(shù)據(jù)傳輸信道的確認信息，暫時停止跳頻，并切換到相應(yīng)的傳輸信道 上接收數(shù)據(jù)；否則，它會在當前信道上保持靜默，直到當前時隙結(jié)束為止。在本發(fā)明所提的 控制信息交互方法中，當認知無線網(wǎng)絡(luò)中的所有發(fā)送和接收節(jié)點對均具備一定的優(yōu)先級別 時，可以為不同優(yōu)先級別的節(jié)點設(shè)計不同的發(fā)送和接收跳頻序列集合，并使得每個優(yōu)先級 組別中的所有節(jié)點均從相應(yīng)的跳頻序列集合中隨機選擇一個，就能為具備不同優(yōu)先級的所 有發(fā)送和接收節(jié)點對提供不同的跳頻匯聚間隔，最終為不同優(yōu)先級別的認知發(fā)送和接收節(jié) 點對提供不同的數(shù)據(jù)傳輸吞吐量和時延性能。
[0013] 為了更好的理解本發(fā)明，首先對本發(fā)明用到的幾個定理進行介紹：
[0014] 定理1、在由0，1，. . .，N-1共N個數(shù)字所構(gòu)成的圓上，如果一個由初始數(shù)字為bse [0，N-1]和固定移動速率為rse[0，N-l]的順時針移動所產(chǎn)生的序列s和一個由初始數(shù)字為 bae[0，N_l]和固定移動速率為rae[0，N_l]的逆時針移動所產(chǎn)生的序列a同時滿足如下一 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 非1真因子，那么序列s和a在每N次連續(xù)移動中一定會在N/q個不同的數(shù)字上實現(xiàn)匯聚，并且 它們連續(xù)兩次匯聚所間隔的移動次數(shù)均為q:
[0015] 如圖3所示，以序列X、5^Pz為例，N = 8。對于序列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的一個非1真因子，因此序列X和序列y在每8 次連續(xù)移動中一定會在2個不同的數(shù)字上實現(xiàn)匯聚，并且它們連續(xù)兩次匯聚所間隔的移動 次數(shù)均為4。另一方面，對于序列z來說，它的初始數(shù)字和移動速率分別為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的一個非l真因 子，因此序列X和y在每8次連續(xù)移動中一定會在4個不同的數(shù)字上實現(xiàn)匯聚，并且它們連續(xù) 兩次匯聚所間隔的移動次數(shù)均為2。也就是說，隨著q取值的變化，兩個序列匯聚的頻率和時 間間隔也會發(fā)生變化。
[0016] -種支持節(jié)點優(yōu)先級的認知無線網(wǎng)絡(luò)跳頻通信方法，包括如下步驟：
[0017] S1、每個認知發(fā)送或接收節(jié)點的收發(fā)信機在N個授權(quán)信道上根據(jù)一定的跳頻序列 進行周期性的跳躍，其中，N是不為零的自然數(shù)；
[0018] 32、將認知無線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點劃分為1個優(yōu)先級，1^,3+；1^3 = 1^/^^,」=1^,」 m〇dul〇(N/qi)，其中，Me [1，m]，m為認知無線網(wǎng)絡(luò)可用信道個數(shù)N的非1真因子個數(shù)，ri, s為 優(yōu)先級為i的認知發(fā)送節(jié)點單次跳頻的信道間隔，r1>t為優(yōu)先級為i的認知接收節(jié)點單次跳 頻的信道間隔，ai,j為優(yōu)先級為i認知接收節(jié)點跳頻序列的初始信道，bi,j為優(yōu)先級為i認知 發(fā)送節(jié)點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 為i的認知發(fā)送和接收節(jié)點對實現(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)先級為i的認知接收節(jié)點的接收跳頻序列集合為Wi，優(yōu)先級為i的認知發(fā)送 節(jié)點的發(fā)送跳頻序列集合為Φ i;
[0020] S4、每個優(yōu)先級為j的認知發(fā)送節(jié)點和每個優(yōu)先級為j的接收節(jié)點對均能夠在一定 時間段內(nèi)實現(xiàn)多于每個優(yōu)先級為k的認知發(fā)送和接收節(jié)點對的跳頻匯聚次數(shù)，在優(yōu)先滿足 高優(yōu)先級的認知發(fā)送和接收節(jié)點對通信需求的同時，為低優(yōu)先級的認知發(fā)送和接收節(jié)點對 提供一定的通信機會，其中，j>k，j = l，2,3,. . .，M，k=l，2,3,. . .，M。
[0021 ]進一步地，S3所述接收跳頻序列集合Wi的生成方法為：
[0022] S311、認知無線網(wǎng)絡(luò)的可接入信道編號集合為{0，1，. . .，N_1}，所有認知發(fā)送節(jié)點