CN101087289B - 一种基于正交频分复用的跳频通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于正交频分复用的跳频通信方法，首先设置跳频图案，跳频图案可以是收发双方预先共知的，也可以通过发送端以通知的方式通知接收端；然后发送端根据跳频图案发送数据，发送端的OFDM系统按照跳频方案将发送数据承载到相应的子载波或子载波组上发送；最后接收端根据跳频图案接收数据，接收端的OFDM系统以预先共知的跳频图案或按通知消息通知的跳频图案进行接收。应用本发明所述方法，使数据传输的安全性和可靠性得到提高，同时增加了网络的多址传输能力。

Description

一种基于正交频分复用的跳频通信方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体地说，涉及一种基于正交频分复用(OFDM)的跳频通信方法。
背景技术
跳频通信是通过使发射机的工作频率按照一定的跳频图案跳变来发送信息，接收机通过对发送频率捕获、同步以相应的跳频图案接收来自发射机的数据。跳频通信具有保密性好，抗干扰能力强，具有频率分集作用，能方便地兼容窄带通信系统，无远近效应，非常适于军事通信应用。跳频图案的伪随机性和跳频图案的密钥量使跳频系统具有保密性。当跳频速率加快，跳频图案的密钥足够大时，跳频系统的抗截获、侦听能力也随之提高。载波频率的跳变，还使跳频系统具有频率分集的作用，从而使系统具有抗多径衰落、抗单频及部分带宽干扰的能力。跳频通信在民用系统也得到广泛应用，不同的用户使用不同的跳频图案可以实现多址接入，是频分多址(FDMA)的一个特例。
然而跳频速率受到诸多因素的限制，其中主要的原因是快速的跳频频率对频率的捕获和同步的要求非常高。因此，使得跳频系统的各项优点也受到了局限。
OFDM是另一种通信技术，其完善的概念是Weinstein和Ebert在1971年提出的，其核心思想是，利用IFFT将数据流调制在多个子载波上，对信道的频率响应进行分割，使之变成并行、独立近似无记忆的多个子信道。与单载波系统相比，OFDM系统最重要的优越性是能够很好地克服频率选择性信道衰落，另外，由于各子信道之间的频谱相互交叠，OFDM系统有着较高的频谱效率，因此，OFDM传输技术非常适用于宽带高速无线移动通信。
然而，频率选择性信道衰落会使得OFDM的子载波信道呈现出不同的统计特性，当这些质量比较差的子信道数目增多时，通信的质量和可靠性将下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于正交频分复用的跳频通信方法，以克服跳频系统在快跳频方式下频率捕获、同步和频率跳变速率之间的矛盾。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于正交频分复用的跳频通信方法，包括如下步骤：
(1)确定跳频图案，并在正交频分复用系统的N个子载波中确定用于承载传输数据的M个子载波，其中M大于等于1小于等于N；
(2)发送端按照跳频图案为每个正交频分复用符号配置子载波或子载波组，将跳频图案中每M个元素对应一个子载波组，每个子载波组对应一个正交频分复用符号，子载波组内的每个元素对应N个子载波中的一个，将待发送数据承载到相应的子载波或子载波组上发送；
(3)接收端根据跳频图案所指示的子载波组排列顺序、子载波组内元素所对应的子载波，将每个正交频分复用符号的N个元素中的M个元素取出，完成数据接收。
其中，所述M个子载波是根据跳频图案而选择确定的，并且所述M个子载波的位置根据跳频图案随机确定。
其中，所述步骤(1)中，所述确定跳频图案，包括跳频图案重复周期T、频率跳变速率F，并据此确定重复周期T内跳频图案长度L，并要求跳频图案的每个元素为1～N中的一个。所述跳频图案通过发送端以通知的方式通知接收端，包括：将跳频图案的初值、跳频图案的编号以及跳频图案的生成方法信息添加到发送数据中发送到接收端。
其中，所述步骤(2)包括：
以某个初值作为跳频图案的起点，跳频图案中每M个元素对应一个子载波组，每个子载波组对应一个正交频分复用符号，组数为G，子载波组内的每个元素对应N个子载波中的一个，设正交频分复用系统发送的数据长度为L_data，则G通过对L_data除以M的商向上取整得到；
对待发送数据，每M个划分为一个数据组，按照子载波组的顺序、子载波组内的顺序以及子载波组每个元素对应的子载波依次将数据组的数据放置到正交频分复用的N个子载波的对应子载波上，其他子载波为0，生成N个元素的正交频分复用符号，再对每个正交频分复用符号进行反傅立叶变换。
其中，所述步骤(3)包括：
对接收数据进行傅立叶变换；
根据跳频图案所指示的子载波组排列顺序、子载波组内元素所对应的子载波，将每个正交频分复用符号的N个元素中的M个元素取出，恢复发送端发送的数据。
本发明采用了基于OFDM的跳频通信方法，该方法可以通过事先约定或通知跳频方案信息的方式，跳变地采用部分OFDM子载波进行数据传输，克服了跳频系统在快跳频方式下频率捕获、同步和频率跳变速率之间的矛盾，因此可以使数据传输的安全性和可靠性得到提高，同时也为OFDM系统提供了一种多址接入手段。
附图说明
图1是本发明实施例所述的基于正交频分复用的跳频通信方法的流程方框图；
图2是本发明实施例所述的基于正交频分复用的跳频通信方法的流程示意图。
具体实施方式
参考图1，为本发明实施例所述的基于正交频分复用的跳频通信方法的流程方框图。其过程如下：
步骤110：设置跳频图案。
跳频图案可以是收发双方预先共知的，也可以通过发送端以通知的方式通知接收端。让OFDM系统所有子载波的一个或一组子载波承载发送数据，子载波或子载波组内的子载波按照跳频图案来选择，且跳频图案的设计可以是伪随机序列，也可以是非随机序列。按照跳频图案的指配，相邻两个OFDM符号中承载数据子载波、子载波组或子载波组内的子载波可以是不同的，发送端按照跳频图案为每个OFDM符号配置子载波或子载波组。
优选地，所述子载波组，包括：从OFDM符号的所有子载波中，选择其中的一部分子载波进行数据传输，这部分传输数据的子载波就构成了子载波组。
优选地，所述子载波组，还包括：子载波组内子载波的选择可以仅仅明确组内子载波数量，而子载波位置根据跳频图案可以是随机的，子载波组内子载波数可以为1。
步骤120：发送端根据跳频图案发送数据。
发送端的OFDM系统按照跳频图案将待发送数据以OFDM符号序列发送，每个OFDM符号中承载待发送数据的可以是相应的单个子载波，也可以是相应的多个但不是所有子载波组成的子载波组。跳频图案是收发双方预先共知的或发送端将跳频图案消息通知接收端。
步骤130：接收端根据跳频图案接收数据。
接收端的OFDM系统以预先共知的跳频图案或按通知消息通知的跳频图案进行接收。发送端以事先与接收端预约共知的跳频图案发送数据，接收方以该跳频图案接收数据；或发送端在发送信号中携带跳频图案信息，跳频图案信息以接收端可以正确接收的方式发送，接收端首先对跳频图案信息进行解析，然后以跳频图案信息指示的跳频图案接收数据。
本实施例所述的基于OFDM的跳频通信方法可以以传统的OFDM系统先进行同步，而频率的跳变速率和OFDM符号的符号速率以及OFDM符号承载的子载波数量有关，因此可以实现快跳频，解决了跳频同步限制跳变速率提高的问题；同时，由于OFDM符号内的子载波和子载波组可以基于伪随机序列来选择，单个OFDM符号中出现大量传输质量的子载波的概率减少，减少了突发错误，增加了系统频率分集的能力；同时，网络内不同的用户通过选择不同的伪随机序列可以实现频分多址。
参考图2，为本发明实施例所述的基于正交频分复用的跳频通信方法的流程示意图。具体过程如下：
步骤201：设置子载波组的子载波数。
在OFDM符号的N个子载波中设置以M个子载波承载待传输数据，M大于等于1小于等于N。OFDM系统通常是将数据流进行串/并转换分组，每个分组有N个样点，将这N个样点并行输出进行IFFT变换，使这N个样点看起来是在N个子载波上传输。在OFDM符号的N个子载波中设置以M个子载波承载待传输数据，指在N个子载波上只使用其中的M个子载波传输数据，其他子载波不传输数据。
步骤202：设置跳频图案，包括跳频图案重复周期T、频率跳变速率F，并据此确定重复周期T内跳频图案长度L，根据T、F、L以及现有的设计原理和方法设计跳频图案，并要求跳频图案的每个元素为1～N中的一个。
步骤203：旁听站点进入空闲状态，若有数据请求发送，进入步骤204，若有接收数据到达，进如步骤210。
步骤204：数据发送请求。作为触发条件之一，是指在系统中有数据请求发送。
步骤205：配置跳频图案。
固定以某个初值或选择某个初值作为跳频图案的起点，跳频图案中每M个元素一组得到子载波组，每个子载波组对应一个OFDM符号，组数为G，子载波组内的每个元素对应N个子载波中的一个，待OFDM系统发送的数据长度为L_data，则G可以通过对L_data/M向上取整得到。
步骤206：依据跳频方案对发送速率进行IFFT。
对待发送数据，每M个划分为一个数据组，按照子载波组的顺序、子载波组内的顺序以及子载波组每个元素对应的子载波依次将数据组的数据放置到OFDM的N个子载波的相应子载波上，其他子载波为0，生成N个元素的OFDM符号，再对每个OFDM符号进行IFFT。
步骤207：判断是否采用通知消息，若是，进入步骤208，若不是，进入步骤209。
步骤208：添加跳频图案的通知消息，包括：在发送数据中添加跳频图案的初值，跳频图案的编号以及跳频图案生成方法的全部信息或这些消息的部分信息。
步骤209：完成数据发送。
如果有跳频图案的通知消息，则以接收端可以正确接收的方式发送这些消息，然后发送步骤206产生的数据；如果跳频图案为事先约定的，则直接发送步骤206产生的数据。数据发送完成后进入步骤203。
步骤210：有接收数据到达，作为触发条件之一，是指系统检测到有接收数据到达。
步骤211：判断是否采用通知消息，若是，进入步骤212，若不是，进入步骤213。
步骤212：获取跳频图案。接收端以事先约定的固定的接收方式，接收并解析跳频图案消息，获取跳频图案。
步骤213：对接收到的数据进行FFT。
步骤214：根据跳频方案抽取信号。
接收端按照跳频方案所指示的子载波组排列顺序、子载波组内元素所对应的子载波，将每个OFDM符号的N个元素中的M个元素取出，恢复在步骤206产生的数据组，而后按顺序并串转换输出。
步骤215：完成数据接收。指接收端完成所有接收动作，并转向步骤203。
由上述步骤可知：在数据传输过程中，网络分配矢量能够在传输速率变化时得到及时地调整，避免不同基础服务集之间的通信碰撞；兼容性好，故适用于传输速率可变的自适应传输，提高了网络效率。
以上虽然通过一些示例性的实施例对本发明的基于OFDM的跳频通信方法进行了详细的描述，但是以上这些实施例并不是穷举的，本领域技术人员可以在本发明的精神和范围内实现各种变化和修改。因此，本发明并不限于这些实施例，本发明的范围仅由所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于正交频分复用的跳频通信方法，其特征在于，包括：
(1)确定跳频图案，并在正交频分复用符号的N个子载波中确定用于承载传输数据的M个子载波，其中M大于等于1小于等于N；
(2)发送端按照跳频图案为每个正交频分复用符号配置子载波或子载波组，将跳频图案中每M个元素对应一个子载波组，每个子载波组对应一个正交频分复用符号，子载波组内的每个元素对应N个子载波中的一个，将待发送数据承载到相应的子载波或子载波组上发送；
(3)接收端根据跳频图案所指示的子载波组排列顺序和子载波组内元素所对应的子载波，将每个正交频分复用符号的N个元素中的M个元素取出，完成数据接收；
其中，所述步骤(2)包括：
以某个初值作为跳频图案的起点，跳频图案中每M个元素对应一个子载波组，每个子载波组对应一个正交频分复用符号，组数为G，子载波组内的每个元素对应N个子载波中的一个，设正交频分复用系统发送的数据长度为L_data，则G通过对L_data除以M的商向上取整得到；
对待发送数据，每M个划分为一个数据组，按照子载波组的顺序、子载波组内的顺序以及子载波组每个元素对应的子载波依次将数据组的数据放置到正交频分复用的N个子载波的对应子载波上，其他子载波为0，生成N个元素的正交频分复用符号，再对每个正交频分复用符号进行反傅立叶变换。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述跳频图案为伪随机序列或非随机序列设计。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述M个子载波是根据跳频图案而选择确定的。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述M个子载波的位置根据跳频图案随机确定。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述确定跳频图案，包括跳频图案重复周期T和频率跳变速率F，并据此确定重复周期T内跳频图案长度L，并要求跳频图案的每个元素为1～N中的一个。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述跳频图案为收发双方预先共知，或通过发送端以通知的方式通知接收端。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述跳频图案通过发送端以通知的方式通知接收端，包括：将跳频图案的初值、跳频图案的编号以及跳频图案的生成方法信息添加到发送数据中发送到接收端。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：
对接收数据进行傅立叶变换；
根据跳频图案所指示的子载波组排列顺序和子载波组内元素所对应的子载波，将每个正交频分复用符号的N个元素中的M个元素取出，恢复发送端发送的数据。
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