[发明专利]一种基于循环仲裁集合的定向天线信道汇合方法

说明书

本发明涉及一种基于循环仲裁集合的定向天线信道汇合方法，通过Torus‑Quorum系统的旋转闭合属性使初始朝向任意的一对定向天线在一个Torus‑Quorum系统周期内相互指向对方；收发双方按照跳频序列切换至同一可用信道，实现信道汇合。本发明提出的基于循环仲裁集合的定向天线信道汇合方法，依据循环仲裁集合对定向天线进行旋转，Torus‑Quorum系统的旋转闭合属性使得在有限时间内确保元素的重合，亦即方向相对，有效缩短了定向天线信道汇合的时间。

技术领域

本发明涉及认知无线电网络技术，具体是一种基于循环仲裁集合(Torus-Quorum)的定向天线信道汇合方法。

背景技术

认知无线电技术是目前解决无线频谱供需矛盾、提高频谱利用率的关键技术，其动态频谱接入方式允许次用户(Secondary User,SU)机会式地访问空闲的授权频谱，从而可以缓解频谱资源稀缺的问题。在认知无线电网络中，主用户(Primary User,PU)使用授权频谱的优先级要高于次用户。为避免影响主用户的正常通信，次用户在接入信道之前需要感知频谱的可用性，之后采用衬底(Underlay)或叠加(Overlay)的频谱共享机制与主用户共存。

认知无线电网络实现组网及通信的首要环节是邻居次用户能彼此发现对方，并接入公共可用信道以进行数据传输，此过程即为信道汇合，是实现邻居用户通信握手、报文交换、拓扑控制及路由维护等步骤的前提。

根据是否需要在网络中维护专用的公共控制信道，目前信道汇合策略分为有公共控制信道辅助的信道汇合和无公共控制信道辅助的盲信道汇合两类。有公共控制信道辅助的信道汇合方法虽然可简化次用户之间实现信道汇合的过程，但在认知无线电网络中，公共控制信道很容易被主用户占用，不能保证任何时刻都可用，从而阻塞了次用户的汇合。此外，公共控制信道易受到恶意用户干扰而产生单点失效的问题。盲信道汇合策略不需要维护公共控制信道，是一种基于信道跳频序列的信道汇合策略，充分利用了认知无线电设备优良的信道切换性能，可增加汇合信道的多样性，从而避免了公共控制信道的不足，是一种被普遍采用的信道汇合技术。基于信道跳频序列的信道汇合策略技术运行在时分多址接入(Time Division Multiple Access,TDMA)系统上，每个次用户均按照预定义的序列构造方法生成自己的信道跳频序列，该序列决定了次用户访问信道的顺序。一旦在通信范围内的一对邻居用户通过信道跳频在同一时隙切换至同一可用信道，即为汇合成功。信道跳频序列包含有时钟同步约束的同步序列和无时钟同步约束的异步序列，显然后者的适用性更广。为此，所设计的信道跳频序列应满足在跳频节点的时钟偏移任意的情形下，确保汇合。此外，为防止汇合信道出现饱和拥塞的问题，应充分利用认知无线电网络信道多样性的特点，使汇合机会均匀地分布在网络中的所有信道上，保证信道被访问的公平性。然而，采用跳频方法的次用户为了实现均衡的信道负载，需要频繁地切换信道，时间开销较大。因而，所设计的跳频序列应在尽可能短的时间内实现确定性汇合。

目前对信道汇合的研究大多数都考虑次用户配置全向天线，即向天线通信范围内的所有方向都发射信号，这样对整个天线信号覆盖范围内的主用户都将产生干扰，如附图1a所示。为减少干扰，配置定向天线，即只向某个特定的方向发射信号，是一项很有前景的通信技术，如附图1b所示。但定向天线场景下的汇合问题，其难点在于一对邻居用户的天线朝向必须相对且访问相同信道时才可能汇合，否则即便在彼此的通信范围内也不可能汇合。为此，本发明将分为两步实现：第一步，使初始朝向任意的定向天线尽快旋转至相互朝向的位置；第二步，收发双方按照预定义的确定性跳频序列切换信道，尽快接入公共可用信道。

发明内容

针对目前普遍采用的全向天线信道汇合方法对传输范围内的主用户干扰较大的问题，本发明提出一种通过配置定向天线减轻对主用户干扰的方法，即每个时隙只向某个特定的方向发射信号。该方法中各通信节点的跳频序列均按照循环仲裁集合元素独立地生成，只要收发双方的定向天线在相同时隙内旋转至相互朝向的位置并访问同一信道，即可成功实现汇合。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于循环仲裁集合的定向天线信道汇合方法，包括以下步骤：