CN102307392A - 一种基于相关性的跳频通信系统接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相关性的跳频通信系统接入方法，在一般跳频通信系统中通过添加认知模块来同时进行感知和通信，利用不同跳频节点跳变载频之间的时延相关性来实现无碰撞的信道接入，以提高无线频谱利用率、系统的网络节点数和系统吞吐量。主呼节点接入方法主要分为4个过程：（1）主呼节点的信道寻找过程，获得实际跳频通信中时频资源使用情况；（2）主呼节点选择调度节点发送接入申请过程；（3）收到接入申请的调度节点，对申请接入的节点进行时频资源分配，并反馈接入引导信息，控制申请接入的节点接入网络；（4）结束跳频通信的节点向相关节点通告退出网络，占用的时频资源被释放。

Description

一种基于相关性的跳频通信系统接入方法

技术领域

本发明涉及基于相关性的跳频通信系统接入方法，有效利用实时感知的可用频谱和时隙，通过基于相关性的时频资源调度分配实现无碰撞的接入跳频网络，提高有效资源利用率和系统吞吐，应用于跳频通信系统中的接入策略。

背景技术

跳频通信系统首先应用于军事通信并以其安全性和抗干扰性的优势得到了广泛的关注和应用。跳频通信系统应用于民用通信主要在ISM频段(IndustrialScientific Medical band)上，主要代表有慢速跳频的WLAN(Wireless Local AreaNetwork)系统和快速跳频的蓝牙系统(Bluetooth，BT)。跳频技术的基本思想是将一段频域分割成很多窄带频隙，称为载频，调制信号根据跳频码序列使载波频率在这些载频中不断的随机跳变，从而获得扩频增益且具有抗干扰和多址接入的能力。但是一般民用跳频通信系统中很难采用完全正交的跳频图案进行通信，因此不可避免多个节点在同一时隙跳变到同一载频发生碰撞，且碰撞次数随着网络节点的增加而增加，严重时导致系统效率下降难以正常通信。

认知无线电技术是在软件无线电基础上提出的全新无线通信概念。认知无线电的特点是认知能力和重构能力。认知能力指认知无线电必须具备感知无线电环境信息的能力。不仅要在全频段范围内进行多维度的频谱检测，还必须满足实时迅速跟新无线电环境的时空变化并且避免对其他节点的干扰。重构能力指根据无线电环境动态编程调整传输参数但是不改变硬件组成设备的能力。若将认知能力的感念引入一般跳频通信系统，则可利用感知手段检测载频使用情况，避免随机接入发生的碰撞，提高频谱利用率。同时结合跳频系统扩展频谱抗干扰的特性，能够达到有效利用和共享时频资源，提高系统吞吐量的目的。

由于跳频通信的特点使其本身具有时频资源动态变化的特性，若单纯依靠频谱监测的认知技术无法适应不断变化的时频使用环境，频繁的采用认知过程也将增加感知算法的复杂度、设备实现的复杂度和能源消耗，因此在一般跳频系统增加认知功能的基础上，传统的跳频接入机制已经不能满足以上通信的需求。而已有研究多集中在同步和跳频序列的设计，或者单一地针对跳频系统追踪载频跳变给出解决方法，因此本发明给出了一种基于相关性的跳频通信系统接入方法。

发明内容

技术问题：本发明的目的是在具有认知功能的跳频通信系统中提供一种基于相关性的接入方法，利用感知时频资源使用信息，通过基于相关性的接入申请、时频资源调度和资源释放流程避免接入碰撞，提高资源利用效率和系统吞吐量。

技术方案：首先给出几个定义：

活跃节点：已经接入网络并且正在进行跳频通信的节点被称为活跃节点。

调度节点：若某活跃节点使用的载频在下一时隙空闲，或者在接下来的几个时隙内都空闲，则该活跃节点具有调度资格，即被称为调度节点。如附图1中所示，调度节点负责给发出接入申请的节点分配可使用的时频资源并决定是否允许其接入网络。

相关节点：对任意一个活跃节点来说，时间上前一个接入相同载频的活跃节点被称为该节点的相关节点。

申请接入网络的节点根据感知结果，查找出具有调度资格的节点，向调度节点发送接入请求，收到接入请求的调度节点查看本地资源记录表，按业务优先级排序分配时频资源，申请接入网络的节点根据被分配的资源接入网络。当节点没有数据需要发送时准备退出网络，向前一个接入网络的相关节点发送退网通告，收到退网通告的节点将退网节点占用的时频资源更新为本地可用资源，退网节点完全退出网络。

在本发明的接入方法中，每个节点感知到的时频资源使用情况都记录在本地资源记录表中，4个过程中一旦资源使用情况发生变化，必须立刻更新本地资源记录表。

本发明的基于相关性的跳频通信系统接入方法，当节点有数据需要发送时，首先感知无线信道的使用情况，然后利用频率相关性选择调度节点并向其发送接入网络的申请，调度节点根据可用时频资源存储情况和业务优先级等约束条件给申请接入的节点分配资源，没有分配到可用资源的节点此次申请接入网络失败，可重新发起申请接入网络的过程；结束通信的节点在推出网络前必须释放占用的时频资源，具体方法具体包括如下步骤：

1)主呼节点的信道寻找过程：需要发送数据的节点或者发送完数据需要退出跳频通信的节点，在接入网络或者退出网络之前必须进行频谱感知，确认整个共享频谱的载频使用情况，此过程是独立完成的，或是多节点协作完成，此过程在跳频节点的扫描阶段完成；

2)主呼节点发送接入申请过程：当节点需要建立跳频通信发送数据时，根据感知结果，直接接入空闲信道或者作为申请接入的节点利用频率相关性选择一个具有调度资格的节点，向其发送接入申请；

3)可用时频资源调度过程：根据本地时频资源存储情况和业务等级约束条件，收到接入请求的调度节点以最小化节点间跳频序列的汉明相关为目标，对申请接入的节点进行时频资源的分配，并将资源分配信息反馈给申请接入的节点；若本地时频资源不足，则拒绝申请节点的接入请求；

4)退出跳频通信及释放时频资源的过程：当节点完成跳频通信时，退出跳频通信网络前要进行时频资源释放过程，此时触发主呼节点的信道寻找过程，根据此过程的结果向前一个接入网络的相关节点发送退网通告，释放占用的时频资源。

主呼节点的信道寻找过程中，每个节点的接收端都添加有认知模块实时监测时频资源的使用情况，节点监听的传输数据包中携有公开跳频图案的信息，节点根据感知结果能够确定当前活跃节点的ID信息、时频使用信息、活跃节点数量的资源使用信息。

主呼节点发送接入申请过程中，若某活跃节点使用的载频在下一时隙空闲，或者接下来的几个时隙内载频都空闲，则该活跃节点被称为具有调度资格的节点；接入网络后，新接入节点的跳变载频与调度节点的跳变载频具有时延相关性，因此该系统的接入方法是基于相关性的接入方法。

释放时频资源的过程中，需要退出网络的节点通过感知过程，找到相关节点，向其告知退出决定和自己存储的时频资源，收到退网通知的相关节点将退网节点的时频资源更新为自己的本地时频资源，相关节点定义为前一个比退出节点提早接入相同载频的节点。

有益效果：本发明提出了基于相关性的跳频通信系统接入方法，其优点是将认知无线电技术引入一般跳频系统以实时获取无线传输环境，利用节点之间的跳变载频具有时延相关性进行资源调度和信道接入，从而降低多个跳频节点接入网络产生碰撞的可能性，以获得资源利用的最大化和系统吞吐的最大化。

附图说明

图1是主呼节点基于相关性接入退出网络的拓扑结构图。

图2是主呼节点接入退出过程和相关帧结构图。

图3是主呼节点申请接入的结构图。

图4是调度节点调度可用时频资源的结构图。

具体实施方式

本发明提出的基于相关性的跳频系统接入方法，系统节点接入网络与退出网络的过程均可在一般跳频系统的迟入网与同步过程中携带完成；感知过程可以在一般跳频系统的扫描状态完成。因此本发明提出的接入方法不会增加额外的系统开销和延时。

如附图1所示，在正常通信的数据帧中，有少量比特用于携带节点的跳频图案信息，因此经过感知过程的节点根据感知结果和捕获的跳频图案信息，能够得到实时的时频使用情况。有数据要发送的主呼节点产生接入申请，并作为申请接入的节点选择调度节点，向其发送接入申请；收到接入申请的调度节点，对申请接入的节点进行时频资源分配，产生引导信息并反馈回去；收到接入引导信息后，主呼节点设置接入参数，可以接入网络进行正常的跳频通信；结束通信后节点必须退出网络，此时作为退网节点通告其相关节点，释放占用的时频资源。

本发明提出的接入方法具体可以分为四个过程：

(1)主呼节点的信道寻找过程：通过在每个节点的接收端添加认知模块，可以在一般跳频系统的扫描状态下完成感知过程。需要发送数据的主呼节点或者发送完数据需要退出跳频通信的主呼节点，在接入网络或者退出网络之前触发感知过程，对无线通信环境进行频谱感知，确认整个共享频谱的载频使用情况，此过程可以是独立完成的，也可以是多节点协作完成。如附图3所示，感知结果存储在时频资源记录表中。

(2)主呼节点发送接入申请过程：当某个主呼节点需要建立跳频通信发送数据时，作为申请接入的节点触发接入申请过程。如附图2所示，申请接入的节点根据感知结果，选择一个具有调度资格的节点，向其发送入网申请帧，申请跟随调度节点的跳频图案进行跳频通信。帧结构中组网信息由2bit二进制符号表示，00表示默认，01表示该节点为最后入网的节点，10表示该节点使用的载频在下一时隙空闲。接入申请过程如附图3所示，步骤如下：

步骤1)：当节点上层数据到达需要发送时，根据主呼节点的信道寻找过程的结果进行分析，如果所有时频资源均可用，根据节点自己生成的跳频图案直接接入网络进行跳频通信，组网信息设置为01，组网信息与跳频图案一起打包在数据帧中传播，本地网络剩余容量跟新为q-1。

步骤2)：如果部分时频资源可用，申请接入的节点向具有调度资格的节点发送接入申请帧(如附图2)，若某活跃节点使用的载频在下一时隙空闲，则该活跃节点被称为具有调度资格的节点，调度节点信息记录在调度节点记录卡中。当有多个调度节点时，选择其中一个调度节点向其发送接入请求。

步骤3)：申请接入的节点收到接入引导帧后(如附图2)，根据帧中的控制参数，设置自己的组网信息、本地网络剩余容量、跳频图案等信息，向调度节点发送确认反馈(如附图2)。

步骤4)：申请接入的节点根据引导帧设置接入参数接入网络进行跳频通信，并跟新本地时频资源存储信息；若没有收到引导帧则重新发起接入申请过程，返回步骤1)。

步骤5)：如果没有时频资源可用，则重新感知，返回步骤1)。

(3)可用时频资源调度过程：根据本地时频资源存储情况和业务等级等约束条件，收到接入请求的节点以最小化节点间跳频序列的汉明相关为目标，对申请接入的节点进行时频资源的分配，并将资源分配信息反馈给申请节点。若本地时频资源不足，则拒绝申请节点的接入请求。若收到申请节点确认资源分配的反馈，更新本地时频资源的存储信息。

资源分配必须满足每个跳频节点的跳频图案互不相关的原则，即使使用相同的跳频图案，每个节点在时隙上完全正交，不会发生碰撞。即活跃节点的跳频图案之间，在相邻时隙内具有汉明相关性，而在相同时隙内汉明相关性为零。

如附图4所示，可用时频资源调度过程如下：

步骤1)：当调度节点收到接入申请帧后，首先查询本地时频资源记录表，若时频资源足够分配，按照申请节点业务的优先级安排接入顺序；

步骤2)：若时频资源不够分配，优先拒绝业务权限最低的节点；

步骤3)：没有资源可分配时全部拒绝。

步骤4)：分配资源后，本地时频资源存储＝原来时频资源存储-同意接入节点的数量，调度节点将自己的组网信息跟新为00(若拒绝分配则不更改)，将同意接入节点的组网信息、接入顺序等信息打包在接入引导帧中发送。接入顺序为最末的节点组网信息设置为01，其他节点为00；时频资源存储为跟新的资源容量，其他节点本地资源剩余容量置零。

步骤5)：如附图2调度节点发送接入引导帧，收到接入引导的节点向调度节点反馈确认帧，完成入网同步，进行跳频通信。

步骤6)：若收到申请接入的节点反馈的ACK，则资源分配过程结束；否则回收分配的时频资源，此次资源分配失败，时频资源记录表中相应的内容应作回滚修改。

(4)退出跳频通信及释放时频资源的过程：当节点完成跳频通信且没有数据要求发送时，退出跳频通信网络前要进行时频资源释放过程。如附图2所示，节点退网之前发送退网控制帧，包含组网信息和退网信息。

其中组网信息由2bit二进制符号表示，00表示默认，01表示该节点为最后入网的节点，10表示该节点使用的载频在下一时隙空闲。退网信息的映射关系如下：

如附图2所示，退网与资源释放过程如下：

步骤1)：首先触发主呼节点的信道寻找过程，通过扫描状态下的感知过程找到比自己提前接入相同载频的相关节点。

步骤2)：退网节点向相关节点发送退网控制帧，告知退出决定和自己存储的时频资源。第一个接入的节点退出时向最后一个接入的节点发送退网通知。

步骤3)：收到退网通知的节点将退网节点的时频资源添加到本地视频资源记录表中，根据退网节点的组网信息跟新自己的组网信息。

步骤4)：退网节点结束跳频通信，释放资源，退出网络。

上述实施系统和方法可以应用于采用任何感知手段、调度节点选择方法、时频资源调度算法和资源释放算法的接入通信过程。凡在本发明精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于相关性的跳频通信系统接入方法，其特征在于当节点有数据需要发送时，首先感知无线信道的使用情况，然后利用频率相关性选择调度节点并向其发送接入网络的申请，调度节点根据可用时频资源存储情况和业务优先级等约束条件给申请接入的节点分配资源，没有分配到可用资源的节点此次申请接入网络失败，可重新发起申请接入网络的过程；结束通信的节点在退出网络前必须释放占用的时频资源，接入方法具体包括如下步骤：

1）主呼节点的信道寻找过程：需要发送数据的节点或者发送完数据需要退出跳频通信的节点，在接入网络或者退出网络之前必须进行频谱感知，确认整个共享频谱的载频使用情况，此过程是独立完成的，或是多节点协作完成，此过程在跳频节点的扫描阶段完成；

2）主呼节点发送接入申请过程：当节点需要建立跳频通信发送数据时，根据感知结果，直接接入空闲信道或者作为申请接入的节点利用频率相关性选择一个具有调度资格的节点，向其发送接入申请；

3）可用时频资源调度过程：根据本地时频资源存储情况和业务等级约束条件，收到接入请求的调度节点以最小化节点间跳频序列的汉明相关为目标，对申请接入的节点进行时频资源的分配，并将资源分配信息反馈给申请接入的节点；若本地时频资源不足，则拒绝申请节点的接入请求；

4）退出跳频通信及释放时频资源的过程：当节点完成跳频通信时，退出跳频通信网络前要进行时频资源释放过程，此时触发主呼节点的信道寻找过程，根据此过程的结果向前一个接入网络的相关节点发送退网通告，释放占用的时频资源。

2. 如权利要求1所述的基于相关性的跳频通信系统接入方法，其特征在于主呼节点的信道寻找过程中，每个节点的接收端都添加有认知模块实时监测时频资源的使用情况，节点监听的传输数据包中携有公开跳频图案的信息，节点根据感知结果能够确定当前活跃节点的ID信息、时频使用信息、活跃节点数量的资源使用信息。

3.如权利要求1所述的基于相关性的跳频通信系统接入方法，其特征在于主呼节点发送接入申请过程中，若某活跃节点使用的载频在下一时隙空闲，或者接下来的几个时隙内载频都空闲，则该活跃节点被称为具有调度资格的节点；接入网络后，新接入节点的跳变载频与调度节点的跳变载频具有时延相关性，因此该系统的接入方法是基于相关性的接入方法。

4. 如权利要求1所述的基于相关性的跳频通信系统接入方法，其特征在于释放时频资源的过程中，需要退出网络的节点通过感知过程，找到相关节点，向其告知退出决定和自己存储的时频资源，收到退网通知的相关节点将退网节点的时频资源更新为自己的本地时频资源，相关节点定义为前一个比退出节点提早接入相同载频的节点。

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