基于信道跳變的分布式多信道握手方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于信道跳變的分布式多信道握手方法，主要解決現(xiàn)有方法頻譜利用率和公平性低的問題。其實現(xiàn)步驟是：1)在協(xié)商階段，所有的認知用戶按照信道跳變序列進行協(xié)商；2)協(xié)商成功的認知用戶對計算可用于數據傳輸的目標信道集合O；3)協(xié)商成功的認知用戶對使用置信上限UCB1算法進行數據傳輸；4)在數據傳輸階段，更新目標信道集合O，協(xié)商成功的認知用戶對使用置信上限UCB1算法進行數據傳輸；5)沒有協(xié)商成功的認知用戶對等待下一個周期的協(xié)商階段繼續(xù)協(xié)商。本發(fā)明經過接入優(yōu)先級和通信階段的周期性循環(huán)，使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)，提高了頻譜利用率和公平性，可用于認知無線電網絡中。
【專利說明】基于信道跳變的分布式多信道握手方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于通信【技術領域】，涉及一種分布式多信道握手方法，可用在認知無線電網絡中。

【背景技術】
[0002]近年來，隨著無線通信的快速發(fā)展，可用的頻譜資源變得越來越稀缺，但是美國聯(lián)邦通訊委員會FCC發(fā)現(xiàn):全球移動通信系統(tǒng)GSM蜂窩移動業(yè)務下行頻段占用度特別高達70%以上，而其他業(yè)務頻段的占用度都很低。得出的結論為:無線頻譜沒有得到充分的利用。目前研究的認知無線電技術可以對不可再生的頻譜資源實現(xiàn)再利用，通過認知節(jié)點感知頻譜空洞，然后利用頻譜空洞進行機會接入，提高了頻譜的利用率，因此受到了廣泛的關注。
[0003]然而隨著認知無線電技術的發(fā)展，很多傳統(tǒng)通信網絡不曾遇到的挑戰(zhàn)陸續(xù)出現(xiàn)，比如:在一個認知無線電網路中，存在多個認知用戶，認知用戶和授權用戶要同時使用頻譜資源，并且保證認知用戶不會對授權用戶造成干擾，如何解決認知用戶對之間有效協(xié)商并且在數據傳輸中能夠最大化系統(tǒng)吞吐量的問題，學者們主要由兩個方向對其進行研究，一個方面是基于固定控制信道的握手方法，另一個是基于信道跳變的握手方法。在基于固定控制信道的握手方法中的信道，一類是控制信道，僅用來傳輸信令信息，所有的控制信息都在該信道上交互；另一類是數據信道，僅用來傳輸數據信息和確認信息；在基于信道跳變的握手方法中，每個信道都可以傳輸信令信息和數據信息，所有的認知節(jié)點都按照序列在不同的信道上跳變。在基于固定控制信道的握手方法中，一旦授權用戶連續(xù)使用固定控制信道很長時間，一切控制信息的交換將會被阻塞，存在信道不穩(wěn)定和飽和問題。所以基于信道跳變的握手方法更適用于未來的認知無線電網絡。
[0004]目前，認知網絡中基于信道跳變的多信道握手方法都在數據傳輸時還是利用信道跳變序列在不同的信道上跳變，如Guey-Yun Chang等在IEEE TRANSACT1NS ON MOBILECOMPUTING 2014((Novel Channel-Hopping Schemes for Cognitive Rad1 Networks))一文中，提出了一種基于信道跳變的握手方法，此方法以各個信道跳變序列的重合度達到最大為目的，很好地解決多個認知用戶對的協(xié)商，但此方法的不足有兩點:一是頻譜利用率低，表現(xiàn)在兩個方面:一方面是沒有考慮到認知用戶對在數據傳輸時的信道跳變序列頻繁重合問題，從而會造成多個認知用戶之間頻繁地發(fā)生碰撞；另一個方面是當認知用戶個數比較少的時候，沒必要用所有信道來構造信道跳變序列，因為構造信道跳變序列的信道數越多，序列之間重合的間隔時間越長，從而導致所有認知用戶對協(xié)商成功花費的時間越長；二是認知用戶之間成功接入信道的公平性低。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種基于信道跳變的多用戶多信道握手方法，以提高頻譜利用率和認知用戶之間成功接入信道的公平性。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案是:假定認知無線電通信系統(tǒng)的每個通信階段由協(xié)商階段和數據傳輸階段構成。在協(xié)商階段，所有認知用戶按照默認的信道跳變序列進行協(xié)商，協(xié)商成功的認知用戶對根據序列特征剔除其他用戶在此時隙可能用于協(xié)商的信道，得出在協(xié)商階段的剩余時間內可用于數據傳輸的目標信道集合，并使用解決多臂賭博機模型算法之一的置信上限UCBl算法，對信道空閑概率進行預測；再根據當前的預測結果，將目標信道集合中的信道進行排序，利用接入優(yōu)先級分別接入對應的信道進行數據傳輸；在數據傳輸階段，將數據傳輸信道集合更新為所有的信道，協(xié)商成功的認知用戶對都利用置信上限UCBl算法進行數據傳輸；經過接入優(yōu)先級和通信階段的多次周期性循環(huán)，使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。具體實現(xiàn)步驟包括如下:
[0007]I)初始化:
[0008]Ia)設系統(tǒng)中共有N條信道，M對認知用戶，即發(fā)送端和接收端認知用戶個數分別為M，且M≤N;
[0009]設發(fā)送端認知用戶d的編號r和接收端認知用戶h的編號V為:
[0010]r e {I, 2，…，M}，V e {I, 2，…，M}；
[0011 ] 設發(fā)送端信道跳變序列集合TCH和接收端信道跳變序列集合RCH為:
[0012]TCH = Itch1, tch2,..., tchM}, RCH = Irch1, rch2,..., rchM},
[0013]其中，tchb是第b個發(fā)送端信道跳變序列，b = I, 2,..., M, rch。是第c個接收端信道跳變序列，c = 1，2，...，M;
[0014]lb)每個認知用戶對每一條信道進行一次感知，初始化置信上限UCBl算法的參數為:
[0015]當前時隙數n:n=l;
[0016]發(fā)送端認知用戶d感知信道f的次數:Tf，d(l) = 1，發(fā)送端認知用戶d感知信道f
且是空閑的次數:

【權利要求】
1.一種基于信道跳變的分布式多信道握手方法，包括如下步驟: 1)初始化: Ia)設系統(tǒng)中共有N條信道，M對認知用戶，即發(fā)送端和接收端認知用戶個數分別為M，且M≤N ; 設發(fā)送端認知用戶d的編號r和接收端認知用戶h的編號V為: r e {1,2,V e {1,2,； 設發(fā)送端信道跳變序列集合TCH和接收端信道跳變序列集合RCH為:
TCH = {tchj, tch2,..., tchM}, RCH = Irch1, rch2,..., rchM}， 其中，tchb是第b個發(fā)送端信道跳變序列，b = 1，2，...，M，rchc是第c個接收端信道跳變序列，c = I, 2,..., M ； Ib)每個認知用戶對每一條信道進行一次感知，初始化置信上限UCBl算法的參數為: 當前時隙數η:n = I ; 發(fā)送端認知用戶d感知信道f的次數:Tf，d(l) = 1，發(fā)送端認知用戶d感知信道f且是
空閑的次數:
，其中f e {0，1，...，Ν-1}； 接收端認知用戶h感知信道P的次數:Tp，h(l) = I，接收端認知用戶h感知信道P且是
空閑的次數:
，其中1)￡ {0，1，...，Ν-1}； 2)認知用戶根據編號在相應的信道跳變序列集合中選擇信道跳變序列，即發(fā)送端認知用戶d在發(fā)送端信道跳變序列集合TCH中選擇發(fā)送端信道跳變序列tchp接收端認知用戶h在接收端信道跳變序列集合RCH中選擇rchv ； 3)設通信階段發(fā)生在第U個周期，發(fā)送端認知用戶d根據編號r、認知用戶對數M和通信階段發(fā)生的周期號U計算接入優(yōu)先級a ； 4)根據步驟2)得到的信道跳變序列，每對認知用戶對所選擇的信道進行感知，得到信道狀態(tài)為空閑或者忙碌的不同狀態(tài)； 5)根據不同的信道狀態(tài)做出相應的決策； 5a)對于發(fā)送端認知用戶d，若感知信道f的狀態(tài)為空閑，則執(zhí)行步驟5al)，否則等待下一時隙繼續(xù)感知，執(zhí)行步驟5a2)； 5al)發(fā)送控制幀sd，該控制幀包括:發(fā)送端認知用戶d的編號r、接收端認知用戶h的編號V與發(fā)送端認知用戶d的接入優(yōu)先級a，再執(zhí)行步驟5a2)； 5a2)更新置信上限UCBl算法中的時隙數n = η+1、發(fā)送端認知用戶d感知信道f的次數Tf，d(n) = Tf，d(n-1)+1、發(fā)送端認知用戶d感知信道f且是空閑的次數
5b)對于接收端認知用戶h，若感知信道p的狀態(tài)為空閑，執(zhí)行步驟5bl);否則等待下一時隙繼續(xù)感知，執(zhí)行步驟5b2)； 5bl)等待接收控制幀，如果接收到正確的控制幀sd，則發(fā)送確認幀ACK，再執(zhí)行步驟5b2);否則不發(fā)送，直接執(zhí)行步驟5b2)；.5b2)更新置信上限UCBl算法中的時隙數n = η+1、接收端認知用戶h感知信道P的次數Tp，h(n) = Tp，h(n-1)+1和接收端認知用戶h感知信道P且是空閑的次數
6)如果發(fā)送端認知用戶d接收到步驟5bl)中的確認幀ACK，則發(fā)送端認知用戶d和接收端認知用戶h協(xié)商成功，執(zhí)行步驟7);否則協(xié)商失敗，等待下一時隙繼續(xù)感知，返回步驟4)； 7)根據步驟2)得到的信道跳變序列，協(xié)商成功的認知用戶對計算可用于傳輸數據的目標信道集合O; 8)協(xié)商成功的認知用戶對，根據步驟5a2)和5b2)更新后的參數使用置信上限UCBl算法，計算目標信道集合O中的每條信道的空閑概率預測值，并根據空閑概率預測值的大小對這些信道進行排序； 9)根據步驟8)得到的信道排序結果X，協(xié)商成功的認知用戶對進行協(xié)商階段的數據傳輸; 10)協(xié)商階段結束之后，將目標信道集合O中的信道更新為系統(tǒng)中的所有信道，協(xié)商成功的認知用戶對再進入數據傳輸階段完成數據傳輸；沒有協(xié)商成功的認知用戶對，等待下一個周期的協(xié)商階段繼續(xù)協(xié)商； 11)本周期通信階段結束之后進入下一周期，所有的認知用戶執(zhí)行步驟3)到步驟10)。
2.根據權利要求1所述的基于信道跳變的分布式多信道握手方法，其中所述步驟3)中的接入優(yōu)先級a，按如下計算公式計算:
a = mod ((r+U), Μ) +1, a e {I, 2,.., Μ}, 其中，r為發(fā)送端認知用戶d的編號，M為認知用戶對數，U為通信階段發(fā)生的周期號。
3.根據權利要求1所述的基于信道跳變的分布式多信道握手方法，其中步驟7)所述的協(xié)商成功的認知用戶對計算可用于傳輸數據的目標信道集合0，是先根據所述步驟2)得到的信道跳變序列，計算出其他認知用戶在此時隙不用于協(xié)商的信道集合CH;再計算該集合和備選數據傳輸信道集合C的并集，即用于傳輸數據的目標信道集合0，其中，C={L, L+1,..., N-1}，O = CH U C，L是用于構造信道跳變序列的信道個數，2≤L < N且mod(L, 2) = O。
4.根據權利要求1所述的基于信道跳變的分布式多信道握手方法，其中步驟9)所述協(xié)商成功的認知用戶對進行協(xié)商階段的數據傳輸，按如下步驟進行: 9a)對于發(fā)送端認知用戶d，選擇與接入優(yōu)先級a相對應的信道Chz進行感知，若對其感知的結果為空閑狀態(tài)，則執(zhí)行步驟9al);否則等待下一時隙繼續(xù)感知，執(zhí)行步驟9a2)，其中Chz是信道排序結果X中的第z個信道，Z = a; 9al)發(fā)送端認知用戶d接入信道chz，并利用該時隙中剩余的可用時間Ta發(fā)送數據，再執(zhí)行步驟9a2)，其中，Ta = T- τ s，T表示時隙長度，τ s表示感知一次信道所需時間； 9a2)更新置信上限UCBl算法中的時隙數η = η+1、發(fā)送端認知用戶d感知信道chz的次數Tch jj(n) = TcKA(n -1) + 1、發(fā)送端認知用戶d感知信道chz且是空閑的次數
9b)接收端認知用戶h根據接入優(yōu)先級a，選擇與其相對應的信道Chz進行感知，若對其感知的結果為空閑狀態(tài)，則執(zhí)行步驟9bl);否則等待下一時隙繼續(xù)感知，執(zhí)行步驟9b2)；9bl)接收端認知用戶h接收數據，如果接收到正確數據，則發(fā)送確認信號，再執(zhí)行步驟9b2);否則不發(fā)送，直接執(zhí)行步驟9b2)；9b2)更新置信上限UCBl算法中的時隙數n = η+1、接收端認知用戶h感知信道chz的次數Tchz h (n) = Ti,: -1) +1、接收端認知用戶h感知信道chz且是空閑的次數
【文檔編號】H04W40/24GK104168622SQ201410441325
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權日:2014年9月1日
【發(fā)明者】趙林靖, 王彩霞, 齊書麗, 張崗山, 李釗, 劉勤 申請人:西安電子科技大學