CN104202066B - 一种基于认知无线电的差分跳频通信方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于认知无线电的差分跳频通信方法以及通信系统，通过频谱感知功能发现频谱空洞，并将通信性能差的“坏频点”和通信性能好并且无信号的“替代点”同时编入发送帧头，以实现频率集自适应更新，最终完成差分跳频。本发明将认知无线电引入差分跳频通信方法，提出具有认知能力的差分跳频网络，在使用认知无线电技术进行频谱感知得到频谱空洞信息的基础上，根据频带干扰或占用情况动态优化频率集中的频点，使得频率集中的频点保持相对洁净，提高差分跳频网络抗部分频带干扰和抗多音干扰的性能；对特定帧头的修改来传输感知到的频率通告信息，不会明显增加网络负载，提高通信的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于认知无线电的差分跳频通信方法，属于无线通信领域。
背景技术
跳频通信是战术通信技术中应用最广泛，最有效的技术之一。在美国Sanders公司于1996年公布CHESS电台之后，差分跳频组网技术于2003年在美国军事通信大会上被首次提出。差分跳频通信系统凭借高跳速、优秀的抗截获与抗干扰特性被认为是军事通信系统的重要创新。
差分跳频技术的基本思想是通过相关频率跳变来传输信息，即相邻跳变频率之间通过数据序列建立了一定的相关性。假设，系统在某时刻待传输的数据是Xn，系统在前一跳的频点是Fn-1，那么系统在当前时刻应使用的频点是：
Fn＝G(Fn-1,Xn)
这里G函数可看作一个有向图。有向图中的每个节点代表频率集中的一个频点，每个节点有f＝2BPH个分叉，其中，BPH是每跳传输的比特数，f为扇出系数。每个分叉都对应当前的信息符号，传输比特流按每BPH个比特构成一个符号组成传输符号流。确定了当前使用的频点后，发射机发射一个未经调制的单频脉冲。接收机用FFT分析的方法获得当前跳频率信息，并与前一跳使用的频率相比较，根据G-1可确定传输的信息符号。
认知无线电是一种智能无线电技术，它能够通过频谱感知技术，检测频谱空穴，实现对无线频谱资源的动态共享，极大地提高频谱利用率和通信系统性能。
认知无线电的基本出发点就是：具有认知功能的无线通信设备按照某种择机的方式工作在已授权频段内。它能够在已授权频段没用或只有很少的通信业务在活动的情况下充分利用在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源。
认知差分跳频网络中，用户可以使用相对“干净”的频率工作。这样的“干净”频率即认知无线电中定义的频谱空洞。无线电环境是随时变化的，网络使用的频率集会因为地理位置变化、传播损失、干扰等因素出现部分频点劣化甚至失效。传统差分跳频网络对于这样的情况没有理想的解决办法，目前较好的策略是当失效频点达到一定数量时，随机的将一些工作频带内的频率替换频率集中失效频率。如果新替换到频率集的频点仍然是无效的，则继续随机选取替换它们，反复替换直到有足够的可用频点。不难看出，这样的替换策略是盲目而低效的。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于认知无线电的差分跳频通信方法，通过认知无线电感知周围射频环境的变化，通过频谱感知功能发现频谱空洞，并获得当前工作频带内的频谱空洞分部信息，实现可用频率集自适应更新，最终完成差分跳频。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于认知无线电的差分跳频通信方法，包括接收和发射流程，其中，所述的发射流程为：
(1a)产生跳频序列、频率合成信号以及跳频频率信号，将三者合成为发送信号，滤去频率集外的信号以得到差分跳频信号；其中，跳频序列通过以下步骤产生：
(a01)设置探测频带范围以及干扰温度限，在探测频带范围内对各频点进行噪声检测：对于每个频点，若当前所检测的频点所对应信道的噪声高于或等于干扰温度限，则该频点所对应信道的通信性能差，并将该频点标记为坏频点；若当前所检测的频点所对应信道的噪声低于干扰温度限，则该频点所对应信道的通信性能好，并识别该频点所对应信道中是否有信号，若未发现信号，则将该频点标记为替代点，若发现信号，则丢弃该频点；各频点噪声检测完成后，所有的替代点的集合为频率集；
(a02)为待发送的串行比特数据序列添加帧头，所述的帧头包括坏频点、替代点和校验位；
(a03)将添加帧头的待发送的串行比特数据序列转换为并行比特数据序列；
(a04)将添加帧头的并行比特数据序列经过G函数进行映射转换为跳频序列；
(1b)将跳频序列、频率合成信号以及跳频频率信号合成为发送序列，滤去频率集外的信号以得到差分跳频信号；
(1c)通过帧头所记载的替代点频点发送差分跳频信号；
所述的接收流程为：
(2a)在频率集范围内接收差分跳频信号；
(2b)将差分跳频信号转换为中频信号；
(2c)将中频信号转换为数字信号；
(2d)将数字信号转换为频域信号；
(2e)从频域信号中提取载频信息；
(2f)对载频信息进行译码得到并行比特数据；
(2g)将并行比特数据转换为串行比特数据。
本发明同时提供了一种差分跳频系统，至少包括接收器和发射器，还包括连接发射器和接收器的频谱感知单元；所述接收器由依次连接的RF射频模块、下变频模块、AD模数转换模块、FFT模块、载频识别模块、载频序列译码模块以及并串转换模块组成；其中，所述RF射频模块用于接收差分跳频信号；
所述下变频模块用于将差分跳频信号转换为中频信号；
所述AD模数转换模块用于将中频信号转换为数字信号；
所述FFT模块用于将数字信号转换为频域信号；
所述载频识别模块用于从频域信号中提取载频信息；
所述载频序列译码模块用于译码；
所述并串转换模块用于将译码后的并行序列转换为串行发送序列；
所述频谱感知单元由能量检测模块、与能量检测模块相连的媒体访问控制模块、与媒体访问控制模块相连的特征检测模块、以及与媒体访问控制模块相连的频率集合模块组成；
其中，能量检测模块和特征检测模块同接收器的RF射频模块相连；能量检测模块用于检测所设置频带范围内的各频点的噪声；媒体访问控制模块用于对各频点按照噪声是否低于所设置的干扰温度限分类，控制特征检测模块对噪声低于干扰温度限进行信号识别，以及记录坏频点和替代点；特征检测模块用于进行信号识别，并将识别结构反馈至媒体访问控制模块；频率集合模块同发射器的选择器模块连接，用于存储频率集；所述发射器由依次连接的选择器模块、串并转换模块、G函数模块、DDS模块、DA数模转换模块、带通模块以及RF射频模块组成；所述选择器模块用于为并行比特数据序列添加帧头，所述的帧头包括坏频点、替代点和校验位；所述串并转换模块用于将串行比特序列转换为并行比特序列；所述G函数模块用于将添加帧头的并行比特数据序列经过G函数进行映射转换为跳频序列；所述DDS模块用于产生频率合成信号；所述DA数模转换模块用于产生调频频率信号；所述带通模块用于滤去频率集外的信号；发射器的RF射频模块用于发射信号。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明将认知无线电引入差分跳频通信方法，提出具有认知能力的差分跳频网络，在使用认知无线电技术进行频谱感知得到频谱空洞信息的基础上，根据频带干扰或占用情况动态优化频率集中的频点，使得频率集中的频点保持相对洁净，提高差分跳频网络抗部分频带干扰和抗多音干扰的性能；
(2)本发明对特定帧头的修改来传输感知到的频率通告信息，不会明显增加网络负载；通常场景中，帧头只是被破坏很小的部分，接收方仍能够识别出帧头，从而用该方法提取出“坏频点”和“替代点”信息，提高通信的可靠性。
附图说明
图1是帧结构示意图。
图2是差分跳频系统框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种基于认知无线电的差分跳频通信方法，包括接收和发射流程。结合图2，所述的发射流程为：(1a)产生跳频序列、频率合成信号以及跳频频率信号，将三者合成为发送信号，滤去频率集外的信号以得到差分跳频信号；其中，跳频序列通过以下步骤产生：
(a01)设置探测频带范围以及干扰温度限，在探测频带范围内对各频点进行噪声检测：对于每个频点，若当前所检测的频点所对应信道的噪声高于或等于干扰温度限，则该频点所对应信道的通信性能差，并将该频点标记为坏频点；若当前所检测的频点所对应信道的噪声低于干扰温度限，则该频点所对应信道的通信性能好，并识别该频点所对应信道中是否有信号，若未发现信号，则将该频点标记为替代点，若发现信号，则丢弃该频点；各频点噪声检测完成后，所有的替代点的集合为频率集；
(a02)为待发送的串行比特数据序列添加帧头，所述的帧头包括坏频点、替代点和校验位；
(a03)将添加帧头的待发送的串行比特数据序列转换为并行比特数据序列；
(a04)将添加帧头的并行比特数据序列经过G函数进行映射转换为跳频序列；
(1b)将跳频序列、频率合成信号以及跳频频率信号合成为发送序列，滤去频率集外的信号以得到差分跳频信号；
(1c)通过帧头所记载的替代点频点发送差分跳频信号；
所述的接收流程为：
(2a)在频率集范围内接收差分跳频信号；
(2b)将差分跳频信号转换为中频信号；
(2c)将中频信号转换为数字信号；
(2d)将数字信号转换为频域信号；
(2e)从频域信号中提取载频信息；
(2f)对载频信息进行译码得到并行比特数据；
(2g)将并行比特数据转换为串行比特数据。
所述的能量检测模块、特征检测模块、媒体访问控制模块、频率集合模块、选择器模块、串并转换模块、DDS模块、DA数模转换模块、带通模块、下变频模块、AD模数转换模块、FFT模块、载频识别模块、频率序列译码模块和并串转换模块可以利用现有技术中的通用电路实现，也可利用微软SORA等通用平台上的软件无线电实现。
结合图1，本发明提供了一种基于所述通信方法的认知无线电的差分跳频系统，包括接收器、发射器和频谱感知单元。所述接收器由依次连接的RF射频模块、下变频模块、AD模数转换模块、FFT模块、载频识别模块、载频序列译码模块以及并串转换模块组成；
其中，所述RF射频模块用于接收差分跳频信号；
所述下变频模块用于将差分跳频信号转换为中频信号；
所述AD模数转换模块用于将中频信号转换为数字信号；
所述FFT模块用于将数字信号转换为频域信号；
所述载频识别模块用于从频域信号中提取载频信息；
所述载频序列译码模块用于译码；
所述并串转换模块用于将译码后的并行序列转换为串行发送序列；
所述频谱感知单元由能量检测模块、与能量检测模块相连的媒体访问控制模块、与媒体访问控制模块相连的特征检测模块、以及与媒体访问控制模块相连的频率集合模块组成；
其中，能量检测模块和特征检测模块同接收器的RF射频模块相连；能量检测模块用于检测所设置频带范围内的各频点的噪声；媒体访问控制模块用于对各频点按照噪声是否低于所设置的干扰温度限分类，控制特征检测模块对噪声低于干扰温度限进行信号识别，以及记录坏频点和替代点；特征检测模块用于进行信号识别，并将识别结构反馈至媒体访问控制模块；频率集合模块同发射器的选择器模块连接，用于存储频率集；
所述发射器由依次连接的选择器模块、串并转换模块、G函数模块、DDS模块、DA数模转换模块、带通模块以及RF射频模块组成；
所述选择器模块用于为并行比特数据序列添加帧头，所述的帧头包括坏频点、替代点和校验位；
所述串并转换模块用于将串行比特序列转换为并行比特序列；
所述G函数模块用于将添加帧头的并行比特数据序列经过G函数进行映射转换为跳频序列；
所述DDS模块用于产生频率合成信号；
所述DA数模转换模块用于产生调频频率信号；
所述带通模块用于滤去频率集外的信号；
发射器的RF射频模块用于发射信号。
Claims (2)
1.一种基于认知无线电的差分跳频通信方法，其特征在于：包括接收和发射流程，其中，所述的发射流程为：
(1a)产生跳频序列、频率合成信号以及跳频频率信号，将三者合成为发送信号，滤去频率集外的信号以得到差分跳频信号；其中，跳频序列通过以下步骤产生：
(a01)设置探测频带范围以及干扰温度限，在探测频带范围内对各频点进行噪声检测：对于每个频点，若当前所检测的频点所对应信道的噪声高于或等于干扰温度限，则该频点所对应信道的通信性能差，并将该频点标记为坏频点；若当前所检测的频点所对应信道的噪声低于干扰温度限，则该频点所对应信道的通信性能好，并识别该频点所对应信道中是否有信号，若未发现信号，则将该频点标记为替代点，若发现信号，则丢弃该频点；各频点噪声检测完成后，所有的替代点的集合为频率集；
(a02)为待发送的串行比特数据序列添加帧头，所述的帧头包括坏频点、替代点和校验位；
(a03)将添加帧头的待发送的串行比特数据序列转换为并行比特数据序列；
(a04)将添加帧头的并行比特数据序列经过G函数进行映射转换为跳频序列；
(1b)将跳频序列、频率合成信号以及跳频频率信号合成为发送序列，滤去频率集外的信号以得到差分跳频信号；
(1c)通过帧头所记载的替代点频点发送差分跳频信号；
所述的接收流程为：
(2a)在频率集范围内接收差分跳频信号；
(2b)将差分跳频信号转换为中频信号；
(2c)将中频信号转换为数字信号；
(2d)将数字信号转换为频域信号；
(2e)从频域信号中提取载频信息；
(2f)对载频信息进行译码得到并行比特数据；
(2g)将并行比特数据转换为串行比特数据。
2.一种基于权利要求1所述通信方法的认知无线电的差分跳频系统，至少包括接收器和发射器，其特征在于：还包括连接发射器和接收器的频谱感知单元；
所述接收器由依次连接的RF射频模块、下变频模块、AD模数转换模块、FFT模块、载频识别模块、载频序列译码模块以及并串转换模块组成；
其中，所述RF射频模块用于接收差分跳频信号；
所述下变频模块用于将差分跳频信号转换为中频信号；
所述AD模数转换模块用于将中频信号转换为数字信号；
所述FFT模块用于将数字信号转换为频域信号；
所述载频识别模块用于从频域信号中提取载频信息；
所述载频序列译码模块用于译码；
所述并串转换模块用于将译码后的并行序列转换为串行发送序列；
所述频谱感知单元由能量检测模块、与能量检测模块相连的媒体访问控制模块、与媒体访问控制模块相连的特征检测模块、以及与媒体访问控制模块相连的频率集合模块组成；
其中，能量检测模块和特征检测模块同接收器的RF射频模块相连；能量检测模块用于检测所设置频带范围内的各频点的噪声；媒体访问控制模块用于对各频点按照噪声是否低于所设置的干扰温度限分类，控制特征检测模块对噪声低于干扰温度限进行信号识别，以及记录坏频点和替代点；特征检测模块用于进行信号识别，并将识别结构反馈至媒体访问控制模块；频率集合模块同发射器的选择器模块连接，用于存储频率集；
所述发射器由依次连接的选择器模块、串并转换模块、G函数模块、DDS模块、DA数模转换模块、带通模块以及RF射频模块组成；
所述选择器模块用于为并行比特数据序列添加帧头，所述的帧头包括坏频点、替代点和校验位；
所述串并转换模块用于将串行比特序列转换为并行比特序列；
所述G函数模块用于将添加帧头的并行比特数据序列经过G函数进行映射转换为跳频序列；
所述DDS模块用于产生频率合成信号；
所述DA数模转换模块用于产生调频频率信号；
所述带通模块用于滤去频率集外的信号；
发射器的RF射频模块用于发射信号。
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