CN101350630A - 无线传感网短波通信单向扫频通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种无线传感网短波通信单向扫频通信方法，由预先设置、频点设置和频点扫描这几个步骤组成，本发明中，发射端和接收端预约通信频点范围集，发射端通过频点预测的方式或频率探测器的探测结果，在预约的通信频点范围内选择最佳工作频率，在该工作频率上传输扫频头和信息，接收端在通信频点范围集内进行逐频点扫描，在扫描到扫频头信息后，停在该频点上开始接收信息，操作方便。

Description

无线传感网短波通信单向扫频通信方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种无线传感网短波通信单向扫频通信方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，其综合了传感器技术、嵌人式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并将该些信息通过无线方式予以发送，同时还能以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通，因此，传感器网络具有十分广阔的应用前景，尤其在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。

无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点(Sink node)两大类。大量具有无线传输能力的传感节点由电池供电，随机部署在监测区域内，通过自组织方式构成网络。传感节点将兴趣事件通过节点间多跳方式上传至Sink，在上传过程中传感数据可能与其他节点进行协同或融合处理，从而达到提高上传信息熵和降低网络负载的目的。Sink在收集目标区域的信息后通过互联网络或卫星发送至终端用户或网络数据库。现有无线传感器网络典型的应用示意图如图1所示。

从应用层面来讲，无线传感器网络作为人类的神经末梢网络，是人与物理世界之间沟通的网络媒介，具有网络长期无人值守和泛在化的特点。其需求领域极为广泛，且应用环境和网络业务具有多样化特性，如节点的布设密度、间距、通信环境、传感器种类、目标事件发生概率、数据流量大小、QoS服务保障等均存在巨大的差异性。因此，各类无线传感器网络的应用开发必然具有阶梯式发展的特点，由典型应用到泛在网络逐步建立和完善。

无线传感网的信息传递，大多数情况下为信息的上传，节点以短距多跳形式向sink节点上传信息，但对双向通信的传感网而言，用户或sink节点处对节点下发命令或进行其他调度时，即信息下传时，若采用与信息上传相同的机制，节点间仍需要进行多跳的信息交互，将导致各个节点收到命令的时间不一致，延缓了命令下达速度，且在信息的传递过程中耗费了传感网节点大量的能量，影响了网络的生命周期。本专利的系统背景中，由于指控中心和传感探测节点相距较远，且下达命令信息较短，下行信息传递时，采用短波通信方式，通过大范围的电波覆盖达到命令的直接传输。本系统中，传感节点由于能量的限制，无法通过短波进行信息的上传，从而该系统为单向通信系统。

短波通信是指利用波长为100~10m(频率为3～30MHz)的电磁波进行的无线电通信。短波通信可以利用地波或低电离层反射进行几十公里到几百公里的中近距离通信，也可以利用中高电离层反射进行数千乃至上万公里的远距离通信，借助于中继站，短波通信甚至可以进行环球通信。短波电台既可以是大型固定台，也可以是车载、舰载、机载或背负式移动台，短波通信设备简单，造价低廉，灵活机动，且信道不易摧毁，因而短波通信多年来被广泛地用于政府、军事、外交、气象、商业等部门，用来传送语言、文字、图像、数据等信息。

短波电离层反射信道是一种时变的色散信道，在利用天波的短波通信中，为了达到较好的通信效果，需要根据时段、季节等因素动态选择可通信频段，根据MUF_F2和MUF_E进行最佳工作频率FOT的选择。在双向的短波通信系统中，可通过双方的握手信令交互，来实现频点的选择，但在单向的短波通信系统中，通信频点的接收效果无法进行反馈，必须通过其他方式来实现频点的选择，建立稳定有效的通信链路。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种无线传感网短波通信单向扫频通信方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种无线传感网短波通信单向扫频通信方法，包括以下步骤：

(1)预先设置：发射端和接收端约定多个通信频点，作为自适应通信的起始频点，开列频点表；

(2)频点设置：通信开始时，发射端按照当前时间的预测结果，选择最佳通信频点。然后频点表顺次发送识别帧头，并停留等待一段时间；

(3)频点扫描：接收端在频点表上扫描接收，在每个约定的频率点上停留接收，首先判断该频点上有无信息，若有信息，解调该信息是否为约定的扫频头，若是，则停留在该频点上进行信息接收，若不是，则继续到下一个频点上进行信息接收。

本发明的有益效果是：短波通信中，频点选择的优劣直接决定了信息传递的可通率；本发明中，发射端和接收端预约通信频点范围集，发射端通过频点预测的方式或频率探测器的探测结果，在预约的通信频点范围内选择最佳工作频率，在该工作频率上传输扫频头和信息，接收端在通信频点范围集内进行逐频点扫描，在扫描到扫频头信息后，停在该频点上开始接收信息，操作方便。

附图说明

图1为传感器网络示意图，

图2为系统上下行传输示意图，

图3为重点扫描和全频段扫描交叉示意图，

图4为发送信息标准格式图，

图5为系统校时帧图，

图6为数据发送帧图，

图7为扫频接收流程图，

图8为扫频程序状态机示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种通过扩大频点可选范围来提高短波单向通信可通率的方法。短波通信中，频点选择的优劣直接决定了信息传递的可通率。本发明中，发射端和接收端预约通信频点范围集，发射端通过频点预测的方式或频率探测器的探测结果，在预约的通信频点范围内选择最佳工作频率，在该工作频率上传输扫频头和信息，接收端在通信频点范围集内进行逐频点扫描，在扫描到扫频头信息后，停在该频点上开始接收信息。本发明包括步骤：

1、预先设置

预约频点分为重点预约频点和全频段预约频点两种。

重点扫描：重点扫描频点为收发双方约定的频点，建议以10kHz步径选择频点，重点扫描的扫描个数和频点可以通过发射端的指令进行更改。

全频段扫描：收发双方以10kHz的步径进行可收发频点范围的设置，并从其中删除广播电台所在频点。

下面简要分析不同扫描预约方式花费的时间：

设识别位数为M位，数据传输速率为Kbit/s，假设该频点上有信号，则需要接收数据，判断扫描一个频点所耗时间为M/K，若无信号，则需要耗费的时间仅为频点切换时间。例如识别位数为8位，数据传输速率300bit/s，则探测一个频点最大的时间花费为27ms。

重点扫描时间：设定频点为N个，每扫描一个频点最大花费27ms，则总的最大花费时间为27Nms。一般设定扫描频点为10个，则花费的时间为270ms。

全频段扫描时间：以10k步径进行扫描，需扫描的频点为N(白天5M～25MHz2000个，夜间5M～15M  1000)个，设空闲率为d2％，则花费的时间为(1-d2％)×27×Nms。在端机存储常见广播电台频点参数，对这些频点不予扫描，可以进一步降低扫描时间。设固定广播电台占所有扫描频点数的k％，空闲率为d3％，则花费时间约为(1-k％)×d3％×27s。

系统采用重点扫描+全频段扫描方式：

由于全频段扫描时间较长，在系统设计时，采用首先保证重点扫描的方式，进行快速扫频；同时确保在发射频点为非重点扫描频点时，仍能进行接收，保证稳定性。故采用定时重点扫描+穿插全频段扫描的方式。系统定期进行一遍重点扫描(270ms)，如捕获，进行信息接收。如长时间未接收到信号，启动全频段扫描，全频段扫描在重点扫描的间歇进行，当在重点扫描中接收到信号时，停止全频段扫描，否则直到所有频点扫描完毕为止。

则采用该种方式时，如发射频点为重点扫描频点，则发射机需发送0.54s的捕获判定数据可保证接收机捕获。如发射频点为非重点扫描频点时，发射机需发送108s的捕获判定数据才可保证接收机捕获(夜间为54s)。

发射机尽量采用重点扫描频点进行信号发送(重点扫描频点可根据需要随时更改)，可保证短时捕获；若采用非重点扫描频点，需要长时间的发送捕获判定数据。

2.频点设置

VOA根据历年太阳黑子变化情况，提供了在不同季节不同时刻下的可通频带预测软件，可用于当前时刻可通频带的选择。图所示为2008-2-13日的可通频带范围，可见，一天范围内，可通频带范围有着较大的波动，一般情况下，上午的可通频点频率较高，下午的可通频点频率较低。

选择落在可通频带范围内的预约频点，取其效果最优者为通信频点。一般选择当前时刻可通频带中点附近的频点作为通信频点。

设重点预约频点集合为F_I，则选择的频点为f_c∈F_I，设F_MID＝(MUF_F2-MUF_F)/2，则 $D_{f_c{F}_{\mathrm{MID}}}=|f_c-F_{\mathrm{MID}}|=\min \left(\right|f-F_{\mathrm{MID}}\left|\right).$

发送的信息的标准格式为：

扫频头为收发双方约定的特殊信息，即只有当接收端收到的信号为该特殊信息时，认为该信号为需要接收的信息，从而停在该频点上进行接收。对于发送信息的时间，有着严格的要求，系统以整点开始，在收发双方约定的休眠间隔点上进行信息发送。为了保证接收端能够正确接收到约定的特殊信息，扫频头为多个特殊信息的重复。设扫频频点为N个，则扫频头为特殊信息的2N+Δ次重复，其中Δ为收发双方的校时误差。即当发送频点为重点扫描频点范围时，扫频头较短，而当发送频点为全频段扫描频点范围时，扫频头较长。以保证接收端能有足够的时间扫描到该频点并正确解调信息。

信息标准格式中，与扫频方式相关的信息帧结构包括两种：其一为系统校时，其二为数据发送。

系统校时帧：系统校时为收发双方对时间的约定，用于统一收发端的时间，从而可使发射端在进行信息发射时，接收端正处于信息接收阶段。

TS(Time Set)：时间校准；

假设接收端晶振的频偏为20ppm(较恶劣的情况)，即一秒偏(20*10e-6)秒，即0.02ms。则5min偏6ms。经过空中传播的时延估计误差为(空中传播3000公里时)：1ms。则此时进行校正有意义，能将较大的偏差纠正，保证系统工作的时间精度＜10ms。

数据发送帧：

在信息发送时，在通信频点上发送的信息为扫频头加信息，为了保证发送的信息无误，系统采用多次重发的机制，即捕获到扫频头后，停留在该频点上进行信息接收。如图所示：

帧头：用于识别数据帧的开始；

发送数据：帧头后的数据为发送信息；

RT(Repeat Times)：第几次重发；

PF(Position in the File)：在整个文件传输中位于第几段；

FF(Finish Flag)：数据发送是否结束；

3.频点扫描

接收端扫频原则为，使平均捕获时间最短。

根据长期预测形成初始可用频率表。

频率表结构：整体设计为三维数组内嵌结构。由月份(连续累加的月份，如第25月为第三年的一月)、小时(每个月份中认为频率表相同，按照每天的时间查表)和频率序号定义三维频率表：

每个频率表的结构定义为：

   Struct FREQ_STRUCT Frequency_tab[Month，Hour，Num]

   typedef struct

     {

         u_short frequenchy     //*对应的频率值

         u_short Flag_overflow；//*如果有一个频率收到的干扰超出了

门限

                           //*则设置干扰溢出标志，同时向系统报告这个

                      事件；

         u_short Num_disturb；  //*受到干扰的次数，这个数字越大，排

列顺序越靠后

         u_short Viar_EXT；     //*可扩展定义功能

      }FREQ_STRUCT；

   定时中断后开始扫频，扫频的方式如下：

   if频率上有信号

     启动基带部分，进入信号解调；

     if帧头捕获

       进入帧接收；

      if帧结构正确

        进入接收，接收完毕退出扫频和接收；

      else if如果帧结构不正确

        判定为干扰，增加其干扰次数；

     end if

  else if帧头没有捕获

     判定为干扰，增加其的干扰次数；

  end if

else if没有信号

    if未达到最大频率序号

频率序号+1，继续扫频；

  else if已达到最大频率序号

      退出扫频，关闭基带部分；

  end if

end if

扫频表更新

按照冒泡算法，对各个频率点的干扰值进行排序，按照从小到大的顺序，重新生成频率表。从而干扰较小的频点总是排在前面，当信号在干扰较小的频点上发送时，能够减少其扫频时间。

扫频状态控制

表1扫频状态机状态转换条件

图中编号	条件
		①	无条件转换
②	频点切换完毕
		③	频点隔离时间未超时
④	频点隔离时间超时
		⑤	数据缓存未完成
⑥	数据缓存完成
		⑦	未捕获相关峰
⑧	捕获到相关峰
		⑨	确认失败
⑩	确认成功

图6所示为扫频程序状态机，其状态装换条件如表1所列。扫频程序主要状态包括初始化、频点切换、频点隔离、数据缓存、预捕获、确认和定频，初始化是每次扫频模块被加载之后进入的第一个状态；频点切换是DSP程序通过SPI总线控制射频更换频点的状态；频点隔离是一个延续一定时间段的状态，这段时间用于清空前后两个不同频点切换时引起的混乱数据；数据缓存是为预捕获缓存足够的数据；预捕获对缓存的数据进行滑动相关运算和相关峰的预捕获；确认状态是根据相关峰的位置对缓存数据进行4FTSK解调后和特定扩频码进行比较以确认相关峰的正确性；定频状态是指确认调制方式和频点后程序停留的状态，在此状态下，扫频程序不停向控制部分输出当前频点和调制方式信息，等待控制部分将扫频程序卸载并加载所确认调制方式的解调模块。

Claims (1)

1.一种无线传感网短波通信单向扫频通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)预先设置：发射端和接收端约定多个通信频点，作为自适应通信的起始频点，开列频点表；

(2)频点设置：通信开始时，发射端按照当前时间的预测结果，选择最佳通信频点。然后频点表顺次发送识别帧头，并停留等待一段时间；

(3)频点扫描：接收端在频点表上扫描接收，在每个约定的频率点上停留接收，首先判断该频点上有无信息，若有信息，解调该信息是否为约定的扫频头，若是，则停留在该频点上进行信息接收，若不是，则继续到下一个频点上进行信息接收。

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