認知無線電網(wǎng)絡(luò)信道交匯加速算法

田宏偉，王宜懷

(1. 蘇州大學 應用技術(shù)學院，江蘇 蘇州 215325; 2.蘇州大學 計算機科學與技術(shù)學院，江蘇 蘇州 215006)

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認知無線電網(wǎng)絡(luò)信道交匯加速算法

田宏偉1，王宜懷2

(1. 蘇州大學 應用技術(shù)學院，江蘇 蘇州 215325; 2.蘇州大學 計算機科學與技術(shù)學院，江蘇 蘇州 215006)

在認知無線電網(wǎng)絡(luò)中，二級用戶需要首先發(fā)現(xiàn)鄰居信息并形成通信鏈路，被稱為信道交匯過程。有很多的信道跳頻算法，但它們的目標是要形成一個集合點圖案或保證在有限時間內(nèi)會合。在這項研究中，提出了一種算法，以加快與多個用戶認知無線電網(wǎng)絡(luò)的交匯過程，即最近最少使用策略。其基本思路是減少已經(jīng)交匯用戶之間交匯的重復。為了評估所提出的方案，進行了大量的實驗。

認知無線電網(wǎng)絡(luò);信道跳頻;盲信道交匯;信息共享;交匯時間

0 引言

由于各種無線設(shè)備的指數(shù)增長和固定頻譜分配規(guī)則，一些頻譜已經(jīng)人滿為患，而多數(shù)頻譜未利用或者利用率不高。為了緩解頻譜資源使用不平衡的問題，利用已經(jīng)提出的認知無線電技術(shù)[1-2]，使二級用戶能有效地利用寶貴的頻譜資源。

在認知無線電網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Networks, CRNS)[3]中，二級用戶甚至事先不知道彼此的存在。在他們可以交換信息之前，應該檢測彼此的存在來建立通信鏈路。信道交匯是二級用戶的兩個或更多的無線電相交并且建立常用信道上的一條鏈路的基本過程[4]。信道跳頻(Channel Hopping)技術(shù)[5]是盲信道交匯[6]最具代表性的技術(shù)之一。利用信道跳頻技術(shù)，認知無線電網(wǎng)絡(luò)的每個用戶選擇一組信道和信道中的跳序列與潛在的鄰居交匯。如果所有用戶都具有相同的可用信道，則稱之為對稱模型;如果用戶有不同的可用頻道，則稱之為非對稱模型。

基于認知無線電網(wǎng)絡(luò)有許多新的算法。信道交匯協(xié)議可以使用隨機算法生成序列。一個平凡的信道跳頻算法是可以讓每個用戶以一個絕對隨機的方式?jīng)Q定它自己的跳頻序列。

有一種自適應的多元交匯控制信道的算法[7]，其基本思想是對主用戶干擾較低的信道在信道跳頻序列中有較大的使用機會。隨機算法的缺陷是，它們不能保證用戶在有限的時間內(nèi)交匯。有幾種算法在一般情況下可以保證交匯。環(huán)行走(Ring-walk，RW)算法[8]保障不對稱模型的交匯以及一些附加條件，比如用戶不同的標識符和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的知識。跳轉(zhuǎn)停留(Jump-stay，JS)算法[9]是另一個可以保證交匯的基于模塊化的算法。跳轉(zhuǎn)停留算法的基本思想是產(chǎn)生循環(huán)信道跳頻序列，每一輪由一個跳躍模式和停留模式組成。用戶在跳躍模式時可以在可用信道上跳躍，而停留模式時只能在特定信道停留。

本項研究專注于對認知無線電網(wǎng)絡(luò)兩個或多個用戶交匯的信道跳頻算法進行改進：

(1)提出了一種方法來顯著提高信道跳頻的交匯性能；

(2)使用普通的隨機算法和現(xiàn)有的交匯算法實現(xiàn)更快的交匯；

(3)進行了大量的模擬以評估所提出的算法，推導這些算法交匯所需要的時間。這兩種實驗的結(jié)果表明，使用本文提出的算法，性能得到明顯改善。

1 研究的動機

用一個簡單的例子來說明算法的原理和加速交匯的過程。如圖1所示，有三個用戶U1，U2，U3，這三個用戶有6個常用信道，這意味著當他們存在于相同的跳頻信道上時可以直接通信。每個用戶獨立地采用同一種跳頻算法來生成信道跳頻序列。假設(shè)兩個用戶交匯之后，他們將在接下來的幾個時隙里交換彼此的跳頻序列，在最初的情況下，三個用戶用他們自己的方式跳頻。當U2在信道4時隙1和U3第一次交匯后，他們會持續(xù)跳頻直到U1和U2在通道4時隙9交匯，然后U1和U3將在下一時隙交匯。因此，這三個用戶的交匯時間(Time to Rendezvous, TTR)為11個時隙。

圖1 三個用戶的積極性的例子

在加速的情況下，一旦U2和U3在信道4時隙1第一次交匯，他們將改變其跳頻序列，以保證他們不會在任何時隙的一段時間跳頻到同一信道上。例如，U2改變了時隙4和時隙5的序列，然后，當U1和U2交匯在時隙4中時，他們所有的交匯時間從11減少到6。

2 加速交匯算法

2.1 系統(tǒng)模型

本文認為一個認知無線電網(wǎng)絡(luò)由N(N≥2)個二級用戶組成，他們可以用集合N={u1，…，uN}表示。假定系統(tǒng)是有時隙的且所有的時間間隙都具有相同的和固定的長度。許可頻譜被劃分成M(M≥1)個非重疊的信道，用M={c1，…，cM}表示。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的所有次級用戶知道所有這些信道，并且每個用戶配備了一個單一的認知無線電。考慮到頻譜的異質(zhì)性，讓Mi?M表示組UI的可用信道。

計劃利用現(xiàn)有的信道跳頻算法。如果用戶i和用戶j跳上同一時隙的同一信道，那么他們就交匯了。加速算法是集合了交匯的用戶，每個用戶都作為一個無線電的整體[10]。因此，他們可以嘗試與其他用戶交匯成一組。其工作原理如下：

然而，我們似乎應當在驚恐中保持一份冷靜，向上述邏輯推理的起點回溯，就法律監(jiān)督是否影響審判機關(guān)在民事訴訟中的獨立地位作出事實上的判斷而不僅僅是依靠理論的推演。只要查閱一下抗訴案件維持原審結(jié)果的裁判文書，就能知曉檢察機關(guān)對民事訴訟的法律監(jiān)督主要是程序上的啟動權(quán)。如果一定要說法律監(jiān)督會對審判機關(guān)在民事訴訟中的審判造成影響，那么這種影響主要體現(xiàn)在抗訴案件裁判文書說理性的增強，而裁判文書的說理恰恰是對個案公正的論證，與審判獨立的目標相契合。

(1)所有用戶使用相同的信道跳頻算法來生成他們的序列，并從不同的時間段獨立啟動通道。

(2)當任兩個用戶交匯時，他們將從接下來的時隙中分享彼此的跳頻序列信息[11]。定義信息長度為L，然后他們使用最近最少使用(Least Recently Used Strategy，LRUS)算法生成L接下來的新的時隙序列，并在這個時隙通知接觸方法的變化。

(3)當新的序列被完成時，每個用戶都使用由信道跳頻算法生成的默認跳頻序列來嘗試交匯。

2.2 最近最少使用算法

當任何兩個用戶在某個時隙中交匯時，他們將在下一個時隙中共享跳頻序列信息。使用最近最少使用算法以減少重復交匯來加速與其他用戶的交匯。在這個算法中，僅僅改變了用戶即將再次交匯的這些時隙的信道。基本要求是在這些時隙中他們不會跳頻到同一信道上。其工作原理如下：

(2)擁有更多可用信道的用戶會被選擇改變他們的序列，這將使序列更加靈活。如果他們具有相同數(shù)量的可用信道就可以被隨機選擇。

(3)在這些選定的時隙中重新排序所有通道。從第一個標記的時隙，選擇最近沒有做過跳頻信道的信道。

(4)如果剩下的選定的信道都是相同的，那么將用信道跳頻算法來生成在這些特定的時隙與之前的信道相同的新的序列。

2.3 分析

當任意兩個用戶在某些時段交匯時，他們有一定的可能性跳頻到同一個通道上，可能性的大小由他們的可用信道的數(shù)量和信道跳頻的方式?jīng)Q定。任何用戶交匯之后他們將會成為一個整體，并嘗試與其他用戶交匯。因此，如果在以下的任一個時隙中，交匯過的用戶在不同的信道上跳頻，他們將有更多的機會與其他用戶交匯。

3 模擬

用C++編寫的模擬器來評估本文的算法和協(xié)議的性能。在模擬中，選擇在對稱和非對稱的情況下都有效的隨機算法作為序列生成算法。

如圖2所示，在對稱情況下，交匯的時間隨著L=20的用戶的增加而增加，并且所有用戶都具有6個共同可用的信道。但是，最近最少使用算法大大降低了交匯需要的時間。

圖2 對稱情況下，總時間與用戶的數(shù)量(L= 20)

如圖3所示，在對稱的情況下，隨機算法和最近最少使用算法之間交匯的時間比是低的。而當L很小的時候，比率隨著L的增大而減小，當L到達一個定值時，比率也會獲得一個動態(tài)穩(wěn)定值。

圖3 對稱情況下，時間比率與交匯信息長度(N=10)

如圖4所示，在非對稱情況下，交匯的時間隨著L=20的用戶數(shù)的增加而增加，并且所有用戶都具有至少3個共同可用的信道。但是，最近最少使用算法大大降低了交匯需要的時間。

如圖5所示，在非對稱的情況下，隨機算法和最近最少使用算法之間交匯的時間比是低的。而當L很小的時候，比率隨著L的增大而減小，當L達到一個定值時，比率也會獲得一個動態(tài)穩(wěn)定值。

圖4 非對稱情況下，總時間與用戶數(shù)的數(shù)量(L=20)

圖5 非對稱情況下，時間比率與交匯信息長度(N=10)

4 結(jié)論

本文提出了一種算法，以加快認知無線網(wǎng)絡(luò)交匯的過程，其關(guān)鍵思想是減少已交匯用戶之間的重復交匯，提出最近最少使用算法用來改進交匯。模擬結(jié)果表明了該算法的性能。

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Rendezvous accelerating algorithm in cognitive radio networks

Tian Hongwei1, Wang Yihuai2

(1. Applied Technology College of Soochow University, Suzhou 215325, China;2. School of Computer Science and Technology, Soochow University, Suzhou 215006, China)

In cognitive radio networks, secondary users need firstly to discover neighbor information and establish a communication link through rendezvous. There are several channel hopping algorithms to achieve rendezvous, yet these algorithms aim to form a set point pattern or guarantee joining together in a limited time. An algorithm is proposed in this research to accelerate rendezvous in cognitive radio networks with several users, and the new algorithm is least recently used strategy(LRUS) which is used to reduce the repetition of rendezvoused users. A lot of experiments were carried out to evaluate this algorithm.

cognitive radio networks; channel hopping; blind rendezvous; information sharing; time to rendezvous

TP393

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.018

田宏偉，王宜懷.認知無線電網(wǎng)絡(luò)信道交匯加速算法[J].微型機與應用，2017,36(12)：61-63，67.

2016-12-27)

田宏偉(1981-)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)應用。

王宜懷(1962-)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與傳感網(wǎng)技術(shù)。