认知无线电网络多收发器非授权用户相遇方法

摘要

本发明公开了一种认知无线电网络多收发器非授权用户相遇方法，包括四个阶段，初始阶段：设定初始通信环境；相遇方法选择阶段：根据收发器数量选择信道跳跃序列生成方法；信道跳跃序列生成阶段：使用单收发器相遇方法或多收发器相遇方法生成信道跳跃序列；相遇阶段：非授权用户运行在相应的信道上并尝试与其目的节点相遇，若相遇则结束相遇过程，若未相遇则继续进行相遇过程直到相遇为止。本发明有效的解决了异构认知无线电网络中装有不同收发器数量的非授权用户之间的相遇问题；并且充分利用多收发器的特性，缩短了获得相遇的时间，降低了网络延迟；此外考虑了可利用信道的质量，加大了在质量好的信道上相遇的概率。

说明书

技术领域

本发明涉及认知无线电网络技术，尤其涉及一种认知无线电网络多收发器非授权用户之间的相遇方法。

背景技术

近些年，随着非授权频段上的无线设备及应用的迅速发展，对非授权频谱的需求量迅猛增加。然而，固定的频谱分配政策成为了更有效利用频谱资源的瓶颈。在固定的频谱分配政策下，很大一部分的授权频谱并没有被充分的利用，而非授权频段上的通信又十分拥挤。为了更加有效的利用频谱资源，认知无线电技术应运而生。在认知无线电网络中，非授权用户可以在不干扰授权用户正常通信的情况下使用授权频谱。

在数据传输过程之前，非授权用户必须首先执行信道相遇过程。信道相遇过程即通信中的源节点与其目的节点尝试运行在相同的可利用频谱上以便进行信息交换从而建立通信链路。因此，信道相遇过程在认知无线电网络连接中担当着一个至关重要的角色。

信道相遇方法可分为基于基础设施相遇和无基础设施相遇。基于基础设施相遇系统中，集中式控制器直接控制非授权用户接入可利用授权信道。这一相遇系统实施简单而且可以更好的控制频谱。然而，集中式控制器这一基础设施需要巨大的花费并且其可扩展性具有一定程度的限制。此外，集中式控制器还容易造成单点失效。在无基础设施相遇系统中不具有集中式控制器，非授权用户需要独立完成相遇过程。在无基础设施相遇系统中，非授权用户之间的相遇方法又可分为两种：使用公共控制信道实现相遇方法及使用信道跳跃序列实现相遇方法。在使用公共控制信道实现相遇方法的过程中，所有非授权用户必须使用同一公共控制信道。然而，由于认知无线电网络中非授权用户可利用的信道是随空间变化的，利用同一公共可利用信道来实现相遇这一方式是不切实际的。除此之外，公共控制信道还容易被干扰攻击。在使用信道跳跃序列实现相遇方法的过程中，可以设计智能的相遇算法使得非授权用户能够在有限的时间内与其目的节点相遇在公共的可利用信道上。由于使用信道跳跃序列实现相遇这一方法实现相遇时，非授权用户无法获得除自身之外的其他非授权用户的信息，而且非授权用户之间对在某一时间同时切换到哪个频谱上不具有共识，这给相遇算法的设计带来了巨大的挑战。除此之外，对于分布式的异构认知无线电网络而言，在设计相遇算法时还面临着很多其他的挑战。例如：非授权用户之间没有同步的时钟，不同的非授权用户具有不同的感知能力及感知范围，无法使用匿名非授权用户的ID信息，无法在执行相遇过程前给不同的非授权用户分配不同的角色(发送者或接收者)等等。

目前，大多数针对基于信道跳跃序列方式实现相遇的研究都假设非授权用户只装有一个收发器，非授权用户在每个时隙只能够运行在一个信道上。然而，如果非授权用户装有多个收发器，非授权用户就可以在一个时隙同时运行在多个信道上，可以显著的减少非授权用户实现相遇所需要的时间。并且由于收发器价格低廉，在研究非授权用户相遇问题时，考虑非授权用户装有任意数量的收发器是更加可取的。

目前针对认知无线电网络中非授权用户之间相遇问题的相关研究文献如下：

1、Rajib Paul等人在2016年的《IEEE TRANSACTIONS ON WirelessCommunications》上发表的文章“Adaptive Rendezvous for Heterogeneous ChannelEnvironment in Cognitive Radio Networks”,研究了多无线电接口的相遇问题。当非授权用户可以使用多个无线电接口时，相遇的概率增加。并且提出了一种能够适用于多接口且不同非授权用户具有不同可利用频谱情况的自适应相遇方法。自适应相遇方法能够针对不同的信道状况自适应的调整其跳跃模式且可以保证非授权用户之间能够彼此相遇。通过自适应相遇算法产生的信道跳跃序列包括跳跃期间和等待期间。在等待期间，非授权用户停留在一个特定的信道上。在跳跃期间，非授权用户根据其按照信道质量排列好的可利用信道集顺序的跳跃到不同的信道上。当非授权用户装有多个无线电接口时，可利用信道被分配到不同的接口，每个接口可利用的信道为非授权用户全部可利用信道的子集。然而，在设计算法时假设不同的非授权用户装有相同数量的接口。在异构认知无线电网络中，不同的非授权用户可能拥有不同数量的无线电接口。因此，自适应相遇算法不适用于异构的认知无线电网络。

2、Lu Yu等人在2015年的《IEEE TRANSACTIONS ON MOBILE COMPUTING》上发表的文章“Multiple Radios for Fast Rendezvous in Cognitive Radio Networks”,研究了非授权用户具有不同数量收发器的情况下的相遇问题。提出了一种叫做RPS(Role-BasedParallel Sequence)的相遇方法。RPS相遇方法利用多收发器及可利用信道来设计信道跳跃序列。其基本观点为：将非授权用户的一个收发器设定为专用收发器，让此收发器停留一个具体的信道上；其余的收发器设定为普通收发器，普通收发器以并行序列方式在可利用信道之间跳跃。RPS相遇方法能够使得非授权用户在有限的时间内与其目的节点相遇。然而，虽然RPS相遇方法假设非授权用户装有的收发器数量大于等于1，但是当其中一个非授权用户装有的收发器数量为1时，RPS相遇方法的最大相遇时间为无穷。即此时两个非授权用户使用RPS相遇方法可能无法获得相遇。此外，当非授权用户使用RPS相遇算法尝试与其目的节点相遇时，同一非授权用户的不同收发器在同一时间可能运行在相同的信道上。RPS相遇方法没有充分利用非授权用户多收发器的特性。

3、Lu Yu等人在2015年的《Proceedings of the IEEE Global CommunicationsConference》上发表的文章“Adjustable Rendezvous in Multi-Radio Cognitive RadioNetworks”,提出了一种叫做AMRR的可调节多收发器相遇方法。AMRR相遇方法只利用非授权用户的可利用信道信息来生成信道跳跃序列。在AMRR相遇方法中，非授权用户装有的收发器可分成两部分：一部分为停留收发器，另一部分为跳跃收发器。停留收发器停留在特定的信道上，跳跃收发器并行的跳跃到不同的可利用信道。然而，AMRR相遇方法假设每个非授权用户装有的收发器数量均大于1。因此，AMRR相遇方法不适用于非授权用户装有的收发器个数为1的情况。此外，非授权用户在使用AMRR相遇方法生成信道跳跃序列时，其不同的收发器在同一时间可能运行在相同的信道上，没有充分利用多收发器的特性。

4、ZhiyongLin等人在2013年的《IEEE COMMUNICATION LETTERS》上发表的文章“Enhanced Jump-Stay Rendezvous Algorithm for Cognitive Radio Networks”,提出了Enhanced Jump-Stay(EJS)方法。EJS方法以循环的方式产生信道跳跃序列。每轮循环中的信道跳跃序列包含两种模式：跳跃模式和停留模式。其中跳跃模式的长度为3P个时隙，停留模式的长度为P个时隙，P为不小于授权频道个数的最小素数。在跳跃模式中，非授权用户不断的在可利用授权频道之间跳跃。在停留模式中，非授权用户停留在一个特定的可利用授权频道上。与JS方法相比较，EJS方法降低了最大相遇时间和期望相遇时间。然而，EJS方法只适用于非授权用户收发器个数为1的情况。

5、Hai Liu等人在2012年的《IEEE TRANSACTIONS ON PARALLEL AND DISTRIBUTEDSYSTEMS》上发表的文章“Jump-Stay Rendezvous Algorithm for Cognitive RadioNetworks”,提出了jump-stay channel-hopping方法。Jump-stay channel-hopping方法以循环的方式产生信道跳跃序列，且每一轮循环期间包含一种跳跃模式和一种停留模式。与已存在的信道跳跃方法相比较，此方法在多个场景下都具有最好的性能。然而，此方法也只适用于非授权用户收发器个数为1的情况。

因此，目前认知无线电网络非授权用户相遇方法普遍存在的问题是：

1.大多数文章考虑非授权用户只装有一个收发器，即非授权用户在同一时间只可以运行在一个可利用频谱上，为达到相遇所花费的时间较长。

2.大多数考虑非授权用户装有多个收发器的文章中，只考虑了非授权用户装有的收发器个数大于1的情况。然而，在异构认知无线电网络中，非授权用户可以装有不同数量的收发器，包括只装有1个收发器。当非授权用户装有的收发器数量为1时，相遇方法不再适用。

3.未充分利用非授权用户的多收发器，在大部分相遇方法中，同一非授权用户不同的收发器在同一时间会运行在相同的信道上，未能更好的利用多收发器来减少产生相遇所花费的时间。

4.大多数文章在设计信道跳跃序列时，假设信道质量是相同的，然而在真实的通信环境中，信道质量可能不同。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前认知无线电网络中非授权用户相遇方法中存在的不足，本发明提出一种认知无线电网络多收发器非授权用户相遇方法。针对非授权用户装有的收发器数量的不同，相遇方法分为两部分：单收发器相遇方法及多收发器相遇方法。只有1个收发器的非授权用户选择单收发器相遇方法生成信道跳跃序列，装有多个收发器的非授权用户选择多收发器相遇方法生成信道跳跃序列。本发明适用于装有任何数量收发器的非授权用户之间的相遇。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

认知无线电网络多收发器非授权用户相遇方法，其创新点在于：该方法包括四个阶段：初始阶段，相遇方法选择阶段，信道跳跃序列生成阶段，相遇阶段。

初始阶段，设定非授权用户相遇方法的初始环境。设定初始时隙t＝1，在[1,|C_a|]之间随机的选择初始信道索引i₀并在C_a中随机选择一个小于P的信道索引值作为跳跃间隔长度s，将C_a及N按照信道质量进行排序，其中，N＝{c₁，c₂，…，c_|N|}为非授权信道集合，C_a∈N为非授权用户a的可利用信道集合，|C_a|为非授权用户a的可利用信道的数量，P为不小于授权信道数量|N|的最小质数。

相遇方法选择阶段，非授权用户根据其装有的收发器数量选择对应的相遇方法。当非授权用户装有1个收发器时，非授权用户选择单收发器相遇方法生成信道跳跃序列。当非授权用户装有的收发器个数大于1时，非授权用户选择多收发器相遇方法生成信道跳跃序列。

信道跳跃序列生成阶段，非授权用户使用单收发器相遇方法或多收发器相遇方法生成信道跳跃序列。

单收发器相遇方法按照循环的方式生成信道跳跃序列。每一轮信道跳跃序列的长度为5P个时隙，其中跳跃模式持续的时间为2P个时隙，停留模式1持续的时间为P个时隙，停留模式2持续的时间为2P个时隙。

单收发器相遇算法的具体步骤为：

步骤1.调整初始信道索引：在新一轮信道跳跃序列循环开始时，即y＝(t-1)mod5P＝0时，按照i＝(i₀+n)调整初始信道索引，其中，n＝(t-1)/5P，t为信道跳跃序列的第t个时隙；

步骤2.长度为2P时隙的跳跃模式下的信道跳跃序列生成：当t'＜2P时，单收发器相遇方法利用公式j＝((i+t'·s-1)modP)+1生成跳跃模式下的信道跳跃序列的信道索引；其中，t'＝y＝(t-1)mod5P；

步骤3.长度为P时隙的停留模式1下的信道跳跃序列生成：当2P≤t'＜3P时，单收发器相遇算法停留在信道索引为s的信道上，即j＝s且其中，为非授权用户a在第t个时隙上运行在的信道，c_j为N中第j个信道；

步骤4.长度为2P时隙的停留模式2下的信道跳跃序列生成：当t'≥3P时，单收发器相遇算法按照j＝n+1计算停留模式2下的信道索引；

步骤5.信道索引重新分配：当由步骤2及步骤4生成的跳跃模式和停留模式2下的信道索引值j＞|N|时，将j替换为N中第(((j-1)mod|N|)+1)个信道的索引值，若j≤|N|则j不变；

步骤6.信道置换:若经由步骤5后生成的信道索引值j对应的授权信道对非授权用户a而言为不可用信道时，即时，将信道索引j所对应的授权信道置换为C_a中的第(j-1)mod|C_a|+1个信道，此时若c_j∈C_a，则

步骤7.生成信道返回阶段：返回非授权用户a的信道跳跃序列S中的元素其中

多收发器相遇方法同样按照循环的方式产生信道跳跃序列。每一轮信道跳跃序列的长度为个时隙，其中，m为非授权用户a的收发器个数，k为其中跳跃收发器的个数。多收发器相遇方法的具体步骤为：

步骤1：初始化阶段：初始化信道跳跃序列S中的元素其中，为非授权用户a在第t个时隙上运行在的信道，为非授权用户a的第x个收发器在时隙为t时运行在的信道；

步骤2.判断非授权用户的可利用信道个数与其收发器个数的关系：若|C_a|≤m，非授权用户的收发器均为停留收发器，每个收发器均按照h＝(q-1)mod|C_a|+1计算其停留在的信道的信道索引h，其中，q＝1到m代表非授权用户的第q个收发器，C_h为C_a中第h个信道；若|C_a|＞m，则按照步骤3到步骤6生成信道跳跃序列

步骤3.按照公式计算每一轮信道索引序列的长度；

步骤4.停留收发器信道跳跃序列生成过程：非授权用户的第i个停留收发器按照生成信道跳跃序列索引，

步骤5.跳跃收发器的信道分配过程：判断时系t是否为新一轮信道跳跃序列循环的开始，即(t-1)modw是否为0，若为0，则对除去停留收发器停留在的信道集之外的可利用信道集即C'_a＝C_a/C_h进行信道分配，将C'_a中的元素均等的分配给k个跳跃收发器，其中，C_h为停留收发器在第t个时隙时停留在的信道集；若不为0，直接进入步骤6；

步骤6.跳跃收发器信道跳跃序列生成过程：非授权用户的第i个跳跃收发器按照生成其信道跳跃序列索引，其中，为分配给第i个跳跃收发器的可利用信道集，为分配给第i个跳跃收发器的可利用信道的个数，为中的第h个信道。

步骤7：信道跳跃序列值返回阶段：返回信道跳跃序列元素

多收发器相遇方法步骤5中的信道分配过程的具体步骤为：

步骤1.初始化阶段：初始化及j＝m-k+1，其中为分配给第j个跳跃收发器的可利用信道集。

步骤2.计算第j个收发器分配到的信道集：初始化q＝0且当q＝0到(w-1)并且时，按照公式将C'_a中的元素均等的分配给第j个跳跃收发器，其中，为C'_a中第|C'_a|-(j-(m-k+1)(k+1)-q)个信道，|C'_a|为C'_a中信道的个数。

步骤3.分配信道集合返回阶段：返回C″_a。

相遇阶段，非授权用户跳跃到或停留在信道跳跃序列产生阶段生成的信道跳跃序列对应的信道上尝试与其目的节点相遇。若相遇，则结束相遇过程；若未相遇，则继续进行相遇过程直到与其目的节点相遇为止。

简单概括上述认知无线电网络多收发器非授权用户相遇过程为：首先，设定非授权用户相遇方法的初始环境，即设定初始时隙t＝1，在[1,|C_a|]之间随机的选择初始信道索引i₀并在C_a中随机选择一个小于P的信道索引值作为跳跃间隔长度s，将C_a及N按照信道质量进行排序；其次，根据非授权用户装有的收发器个数选择信道序列生成方法：若非授权用户只装有1个收发器，则选择单收发器相遇方法生成信道跳跃序列；若非授权用户装有的收发器个数大于1，则选择多收发器相遇方法生成信道跳跃序列；然后，利用单收发器相遇方法或多收发器相遇方法生成信道跳跃序列；最后，非授权用户跳跃到或停留在信道跳跃序列生成阶段生成的信道跳跃序列所对应的信道上尝试与其目的节点相遇，若相遇则结束相遇过程，若未相遇则继续进行相遇过程直到与其目的节点相遇为止。

与现有相遇方法相比，本发明所具有的积极效果是：

(1)本发明适用于装有任何数量收发器的非授权用户之间的相遇，在任何通信场景下均能够保证非授权用户之间在有限的时间内相遇；

(2)本发明考虑了多收发器具有的特性，能够保证非授权用户的不同收发器在相同的时隙上运行在不同的可利用信道上，充分利用了多收发器的特性来缩短相遇时间；

(3)本发明考虑了信道质量，在非授权用户生成的信道跳跃序列中，质量越好的可利用信道出现的次数越多。因此，非授权用户与其目的节点在信道质量好的信道上产生相遇的概率较大，提升了网络性能。

附图说明

图1为本发明认知无线电网络多收发器非授权用户相遇方法的流程图；

图2为单收发器相遇方法生成信道跳跃序列的流程图；

图3为多收发器相遇方法生成信道跳跃序列的流程图；

图4为信道分配方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明认知无线电网络多收发器非授权用户相遇方法主要分为四个阶段。

第一个阶段为初始阶段：设定非授权用户相遇方法的初始环境；设定初始时隙t＝1，在[1,|C_a|]之间随机的选择初始信道索引i₀并在C_a中随机选择一个小于P的信道索引值作为跳跃间隔长度s，将C_a及N按照信道质量进行排序，其中，N＝{c₁，c₂，...，c_|N|}为非授权信道集合，C_a∈N为非授权用户a的可利用信道集合，|C_a|为非授权用户a的可利用信道的数量，P为不小于授权信道数量|N|的最小质数。

第二个阶段为相遇方法选择阶段:非授权用户根据其装有的收发器个数选择相遇方法；若收发器个数为1，则选择单收发器相遇方法生成信道跳跃序列；若收发器个数不为1，则选择多收发器相遇方法生成信道跳跃序列。

第三个阶段为信道跳跃序列生成阶段：根据非授权用户收发器个数的不同，利用单收发器相遇方法或多收发器相遇方法生成信道跳跃序列。

第四个阶段为相遇阶段：非授权用户按照在信道序列生成阶段生成的信道序列跳跃到或停留在对应的信道上，并尝试在此信道上与其目的节点相遇；若相遇则结束相遇过程；若未相遇则继续进行相遇过程直到相遇为止。

如图2所示，单收发器相遇方法生成信道跳跃序列的具体过程可以概括为：首先判断是否为新一轮循环的开始，即y＝(t-1)mod5P是否为0，若为0，则按照i＝(i₀+n)进行初始信道索引调整，其中，n＝(t-1)/5P，t为信道跳跃序列的第t个时隙；然后，判断t'是否小于2P，若t'＜2P，单收发器相遇算法利用公式j＝((i+t'·s-1)modP)+1生成跳跃模式下的信道跳跃序列的信道索引；其中，t'＝y＝(t-1)mod5P；若t'≥2P，判断t'是否满足t'≥3P，若不满足，按照j＝s生成停留模式1下的信道跳跃序列的信道索引j，即j＝s且其中，为非授权用户a在第t个时隙上运行在的信道，c_j为N中第j个信道；若满足，单收发器相遇算法按照j＝n+1计算停留模式2下的停留信道索引；之后判断跳跃模式及停留模式2下的信道索引j是否大于|N|，若j＞|N|，则将j替换为N中第(((j-1)mod|N|)+1)个信道的索引值，若j≤|N|则j不变；最后判断经过信道索引重新分配后的信道索引j对应的授权信道对非授权用户a而言是否为可用信道，若为不可用信道时，即时，将信道索引j所对应的授权信道置换为C_a中的第(j-1)mod|C_a|+1个信道，此时其中c_j为授权信道集N中的第j个信道；若c_j∈C_a，则返回非授权用户a的信道跳跃序列S中的元素其中

如图3所示，多收发器相遇算法生成信道跳跃序列的具体过程可以概括为：首先初始化信道跳跃序列元素其中，为非授权用户a的第x个收发器在时隙为t时运行在的信道，m为非授权用户a的收发器分数；然后判断非授权用户的可利用信道个数与其收发器个数的关系：若|C_a|≤m，非授权用户的收发器均为停留收发器，每个收发器均按照h＝(q-1)mod|C_a|+1计算其停留在的信道的信道索引h，其中，q＝1到m代表非授权用户的第q个收发器，C_h为C_a中第h个信道；若|C_a|＞m，首先利用公式计算每一轮信道索引序列的长度，其中，k为非授权用户的跳跃收发器的个数；其次若收发器i为停留收发器则按照生成收发器i的信道跳跃序列的信道索引，若为跳跃收发器，则判断(t-1)modw是否为0，若(t-1)modw＝0，则对除去停留收发器停留在的信道集之外的可利用信道集即C'_a＝C_a/C_h进行信道分配，将C'_a中的元素均等的分配给k个跳跃收发器，其中，C_h为停留收发器在第t个时隙时停留在的信道集，若(t-1)modw不为0，则跳过此步骤直接进入下一步骤；之后，非授权用户的各个跳跃收发器按照生成其信道跳跃序列索引，其中，为分配给第i个跳跃收发器的可利用信道集，为分配给第i个跳跃收发器的可利用信道的个数，为中的第h个信道；最后返回信道跳跃序列元素

如图4所示，可利用频谱分配过程可以概括为：初始化及j＝m-k+1，其中为分配给第j个跳跃收发器的可利用信道集。其次，计算第j个收发器分配到的信道集：初始化q＝0且当q＝0到(w-1)并且|C'_a|-(j-(m-k+1)(k+1)-q)＞0时，按照公式将C'_a中的元素均等的分配给第j个跳跃收发器，其中，为C'_a中索引为|C'_a|-(j-(m-k+1)(k+1)-q)的信道，|C'_a|为C'_a的个数。最后，返回C″_a。