CN104270169B

CN104270169B - 一种适用于航空自组网多通道自适应跳频处理方法及系统

Info

Publication number: CN104270169B
Application number: CN201410562274.XA
Authority: CN
Inventors: 仇启明; 方正; 丁勇飞; 彭文攀; 靳超; 殷晓晨
Original assignee: China Aeronautical Radio Electronics Research Institute
Current assignee: China Aeronautical Radio Electronics Research Institute
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2034-10-21
Also published as: CN104270169A

Abstract

本发明公开一种适用于航空自组网多通道自适应跳频处理方法，包含以下步骤：1)、对各频点进行评估；2)、将跳频全频段划分为m个物理信道，每个物理信道初始分配n个频点组成频率集；3)、选择其它物理信道中功率最小频点代替选中物理信道中受干扰频点；4)、节点MAC层待发送信息发送时，依据当前各物理信道忙闲程度动态选择当前最空闲物理信道；5)、用选中的物理信道对组帧后数据进行调制和跳频发射。本发明还公开一种适用于航空自组网多通道自适应跳频处理系统，包含频谱感知模块、自适应频点分配模块、信道忙闲统计模块。本发明通过频谱感知处理及自适应频点分配协议设计提高了网络可靠性。

Description

一种适用于航空自组网多通道自适应跳频处理方法及系统

技术领域

本发明属于航空电子信息的无线自组织网络技术，是一种针对航空无线自组网共享信道自适应跳频处理的实现方法及系统，应用于航空无线数据链组网领域。

技术背景

作为航空协同数据链未来的发展方向，航空自组网(Aeronautical Ad HocNetwork,AANET)创造性地将移动自组网应用于航空飞行器之间，使其能够互相分发地面指控信息和空中感知信息。而跳频通信技术则是一种重要的抗干扰技术，将跳频技术应用于航空自组织网络将在保证网内节点充分共享信道带宽的同时，提高系统的抗干扰能力。

在航空无线数据链组网系统中，信道共享模式的设计占有重要的地位，它是数据链组网有效性和可靠性的重要保证。为适应未来战场快速、高效、抗毁性强的空天地一体化作战信息平台需求，国家在航空无线数据链组网领域进行了大力的投入，发展具有自主知识产权的无线数据链组网领域中的各项技术成为目前和未来数年中国内各相关研究机构的重要任务。在无线数据链组网领域中，物理层信道共享体制是关键一环，具有频谱感知特征的自适应跳频处理更是能有助于提高整个无线组网系统的效能。针对航空无线信道环境的自适应跳频处理技术可通过频谱感知及频点动态分配来降低信号频点碰撞概率以及保证系统的抗干扰性能，对于确保无线通信数据链组网的可靠性及有效性起到重要作用。

为适应实际应用需求，可靠性和有效性是行业内对于该技术方向的两个核心要求，前者需重点分析本技术所采用的核心思想对跳频图案的构造以及跳频同步的依赖关系，后者则应重点考虑共享无线信道下如何降低多节点信号频率碰撞对组网通信效能产生的影响。目前，国内针对航空无线通信数据链组网的信道共享体制研究领域的研究和应用还远未成熟。而国外相关领域的研究和应用目前主要集中在基于时分体制或全频谱共享跳频体制的相关设计上。时分体制信道利用率不高，基于全频谱共享跳频体制为满足系统网络接入成功率，信道编译码效率低，运算复杂度较高。

近年来国家在发展航空数据链组网的大力投入与目前我国在该领域很多技术还相对落后，是国内相关研究机构迫切需要解决的矛盾之一。而如何打破国外在该领域技术上的垄断，通过自主创新，提升我国在航空无线组网关键技术领域的综合实力，是促使我们进行研究的主要激励。

发明内容

为了解决航空无线组网跳频体制网络节点间频率碰撞问题、提高全网共享信道利用率，本发明的发明目的在于提供一种适用于航空自组网多通道自适应跳频处理方法，通过频谱感知处理及自适应频点分配协议设计提高网络可靠性。本发明的另一目的在于提供一种实现适用于航空自组网多通道自适应跳频处理方法的系统。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种适用于航空自组网多通道自适应跳频处理方法，包含以下步骤：

步骤1)、对各频点进行评估确认各频点是否被干扰；

步骤2)、将跳频全频段划分为m个物理信道，每个物理信道初始分配n个频点组成频率集；

步骤3)、若确定某物理信道有频点被干扰，则暂时关闭该物理信道，选择其它物理信道中功率最小频点代替该物理信道中受干扰频点，待受干扰频点替换完成后该物理信道再恢复正常；

步骤4)、节点MAC层待发送信息发送时，依据当前各物理信道忙闲程度动态选择当前最空闲物理信道；

步骤5)、用选中的物理信道对组帧后数据进行调制和跳频发射。

依据上述特征，所述步骤1)中各频点进行评估的方法为：

对输入数据经与本地各频点并行混频并经匹配滤波后，采用滑窗递归模式进行信号功率估计，同时与本地同步序列进行相关处理，若功率估计结果高于信号强度门限，同时同步相关检测无峰值出现，则表明该频点被干扰。

依据上述特征，所述步骤3)中还包含根据频点评估更新频率表，具体步骤为：

步骤3.1)、若节点确定某物理信道有频点被干扰，则暂时关闭该发射物理信道，并于Hello报文中增加受干扰频点更新信息；

步骤3.2)、该节点所有一跳节点回复确认信息，源节点收到确认信息后关闭受干扰通知信息；

步骤3.3)、一跳节点在回复确认信息后，于Hello报文中增加受干扰频点更新信息，并等待其一跳节点回复确认信息，一跳节点收到确认信息后关闭受干扰通知信息；

步骤3.4)、已完成更新信息发送节点后续收到邻节点发来干扰频点信息相同更新信息，只回复确认信息而不转发，以上流程直至全网节点完成回复确认为止。

依据上述特征，所述步骤4)中选择当前最空闲物理信道的方法为：

步骤4.1)、根据物理层一定时间内物理信道中侦听到的业务量统计以及信道功率统计，若业务量统计值高，或者信道业务量统计值较低，但信道功率统计值较高时，将物理信道状态归类为忙；

步骤4.2)、从物理信道状态归类为非忙的物理信道中选择业务量统计值最低的物理信道，若物理信道忙闲程度区别不大前提下，选择一跳节点未占用接收通道。

本发明的另一发明目的通过以下技术方案实现：

一种适用于航空自组网多通道自适应跳频处理系统，包含频谱感知模块、自适应频点分配模块、信道忙闲统计模块。

所述频谱感知模块用于对各频点进行评估确认频点是否受干扰；

所述自适应频点分配模块用于将跳频全频段划分为m个物理信道，每个物理信道初始分配n个频点组成频率集，若某物理信道中有频点受干忧，则暂时关闭该发射物理，选择其它物理信道中功率最小频点代替中受干扰频点，待受干扰频点替换完成后该物理信道再恢复正常；

所述信道忙闲统计模块用于在节点MAC层待发送信息发送时，依据当前各物理信道忙闲程度动态选择当前最空闲物理信道，对组帧后数据进行调制和跳频发射。

依据上述特征，所述信道忙闲统计模块根据物理层一定时间内物理信道中侦听到的业务量统计以及信道功率统计，若业务量统计值高，或者信道业务量统计值较低，但信道功率统计值较高时，将物理信道状态归类为忙；从物理信道状态归类为非忙的物理信道中选择业务量统计值最低的物理信道，若物理信道忙闲程度区别不大前提下，选择一跳节点未占用接收通道。

依据上述特征，所述频谱感知模块对输入数据经与本地各频点并行混频并经匹配滤波后，采用滑窗递归模式进行信号功率估计，同时与本地同步序列进行相关处理，若功率估计结果高于信号强度门限，同时同步相关检测无峰值出现，则表明该频点被干扰。

依据上述特征，所述系统还包含频率表更新协议模块，所述频率表更新协议模块用于更新频率表，根据频谱感知模块确定某通道有频点被干扰时，则暂时关闭该发射物理信道，并于Hello报文中增加受干扰频点更新信息，当前节点所有一跳节点回复确认信息，源节点收到确认信息后关闭受干扰通知信息；一跳节点在回复确认信息后，于Hello报文中增加受干扰频点更新信息，并等待其一跳节点回复确认信息，一跳节点收到确认信息后关闭受干扰通知信息；已完成更新信息发送节点后续收到邻节点发来干扰频点信息相同更新信息，只回复确认信息而不转发，以上流程直至全网节点完成回复确认为止。

本发明采用异步跳频体制，对跳频同步和跳频图案设计无明确需求，能保证m架以内飞机编队完全无频率碰撞。设计中通道频点可依据物理层对频点受干扰情况估计结果作动态调整，调整后各通道频点集由频率表更新协议对编队各节点进行更新。

本发明创造性地使用结合物理信道划分自适应跳频的方法保证了航空无线网络的抗干扰性和通信效能，使用基于信道忙闲程度统计策略保证网络中每个成员节点以最优信道完成信号发射，并依据物理层频谱感知动态更新各物理信道频率集，保证了系统的抗干扰性能。

为支持在不同规模网络系统中的应用，本发明中物理信道数以及每通道频点数均可依实际情况配置。且本发明主要针对信道共享体制进行设计，可以很方便与现有主要MAC协议及路由协议完成综合。

本发明中有以下四个主要的技术要点。

(1)跳频接收不依赖于跳频图案设计。传统跳频通信对各节点跳频图案正交性要求高，接收端依据跳频图案比对来确定发射节点。在共享信道前提下，各节点需同步发送且跳频图案正交性良好才能保证系统低的频率碰撞概率以及信息的正确接收。而本发明基于物理信道以及频率集划分思想，网络规模所划分的物理信道间采用不同频率集，保证了网络通信过程中不同节点发射信号间的正交性。发射源节点的确定通过信息数据帧内容确定，接收端无跳频图案比对过程，简化了接收机设计。

(2)采用异步跳频体制，无须全网跳频同步过程。传统跳频通信若要保持各网络节点跳频图案的正交性，各节点间需保证足够的时间同步性能。而针对航空无线组网环境，采用传统跳频体制需全网时间同步，可能采用的模式有两种：一为全网同步跳频，二为基于TDMA+跳频体制。对于全网同步跳频模式，由于航空组网环境下各节点之间的距离较大时传播时延不可忽略(与传输时延相比)。即使发送数据端严格同步且依据正交图案跳频，但到达目的节点后数据还是可能会因时延不一致导致发生信号频率碰撞。并且节点在发送数据前，无法知道自己的数据是否会与其它节点发送的数据相碰撞，随意性大，碰撞概率高。基于TDMA+跳频体制在付出全网同步开销后，将时间划分成时隙，分配给不同的用户使用，通过设置保护时间能保证同一时刻空域只有一个邻节点发射跳频信号。该体制完全避免了频率碰撞问题，但信道容量低，在获取抗干扰性能的同时带宽利用率太低。而本发明采用异步跳频体制，无须全网同步开销，全频段采用并行接收处理，在获取抗干扰性能的同时带宽利用率较高。

(3)物理信道频率集依频谱感知结果动态可更新。传统基于跳频组网系统各节点依正交跳频图案所确定频率集固定，在部分频点受干扰后，主要依赖信道纠错码正确解析信息。本发明中，由于无须固定跳频图案设计，通过对各频点并行频谱感知分析确定各频点的受干扰情况，进而更新各物理信道中受干扰的频点，能够提高系统抗干扰能力。

(4)基于信道忙闲程度统计完成发射信道优选。本发明基于对各物理信道接收信号功率和数据包统计确定各物理信道的相对忙闲程度。若网络节点有信息待发送，则优选最空闲信道，对提高信号传输质量和网络容量都具有积极意义。

本发明的有益效果为：

(1)将异步跳频体制引入航空自组网系统，在无须全网同步开销及正交跳频图案设计前提下，保证系统的跳频抗干扰性能和网络容量。

(2)物理信道频率集依频谱感知结果动态可更新，能够提高系统抗干扰能力。

(3)基于信道忙闲程度估计优选发射信道，提高信号传输质量和网络容量。

附图说明

图1为本发明一种适用于航空自组网多通道自适应跳频处理方法的流程示意图；

图2为本发明中频点评估的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作一进步的详细描述。

本发明一种适用于航空自组网多通道自适应跳频处理方法的实施方案流程如下(按照图1)：

1)、首先对中频模拟数据data_in采样并混频至以各频点为中心频率窗，得到并行解调数据输入parallel_demodule_input。

2)、对输入数据parallel_demodule_input经与本地各频点并行混频并经匹配滤波后，采用滑窗递归模式进行信号功率估计，同时与本地同步序列进行相关处理。若功率估计结果gain_para高于信号强度门限，同时同步相关检测无峰值出现，则表明该频点因被干扰而需从频率集中删除。实施过程如图2所示：

在这一步骤中，本发明采用信号功率估计和同步序列相关峰值检测频谱感知策略。干扰信号的施放目的即为阻碍有效信号的正常接收，通过对可能包括干扰信号的接收信号功率和有用信号中的同步序列的相关检测结果作综合评估可对频点受干扰情况做出有效评估。

3)、物理信道被初始划分为m个，每个物理信道初始分配n个频点，即第i个信道频点集为(f_i1,f_i2,…,f_in)，其中i∈[1,2,…,m]。依据频点评估对各频点受干扰情况判断，完成各通道频率集受干扰频点更新。更新规则为：依据功率统计输出，选择其它物理信道功率最小频点代替本通道受干扰频点。

在本步骤中，本发明采用频谱感知结果对各物理信道频点作动态更新策略。依据该策略，系统不会因部分频点被干扰而导致通信业务误码率大幅提高甚至通信中断。

4)、根据物理层一定时间内信道中侦听到的业务量统计以及信道功率统计，若业务量统计值越高表明信道繁忙程度越高。若信道业务量统计值较低，但信道功率统计值较高，此时可认为信道存在干扰或噪声功率高，应该认定信道质量较差，可统一将信道状态归类为忙。信道忙闲统计模块输出可作为MAC层业务数据发射通道优选的主要依据，同时，若信道条件不允许某分组接入信道时，信道忙闲统计模块输出也可作为MAC层回退算法的运行依据。

信道忙闲程度统计为节点选择发射物理信道提供主要依据，但源节点发射信道的选择还应综合考虑一跳接收节点在Hello信息中提供的一跳节点自身当前接收通道。在信道忙闲程度区别不大前提下，优选一跳节点未占用接收通道。在信道选择完毕后，就可以将待发送的业务进行组帧发射。

在本步骤中，本发明采用信道总功率和有效信号检测信道忙闲程度估计策略。依据该策略，可保证发射信道为最优信道，可提高信号传输质量和网络容量。

5)、若节点经频点评估确定某通道有频点被干扰，则暂时关闭该发射物理信道，并于Hello报文中增加受干扰频点更新信息(包括被干扰频点和替换频点)，该节点所有一跳节点回复确认信息，源节点收到确认信息后关闭受干扰通知信息。一跳节点在回复确认信息后，于Hello报文中增加受干扰频点更新信息，并等待其一跳节点回复确认信息，一跳节点收到确认信息后关闭受干扰通知信息。已完成更新信息发送节点后续收到邻节点发来干扰频点信息相同更新信息，只回复确认信息而不转发，以上流程直至全网节点完成回复确认为止。

为实现本发明的方法，设计了一种适用于航空自组网多通道自适应跳频处理系统，硬件部分采用Freescale公司Mpc8270 PowerPC和Altera公司Stratix IIIFPGA，软件部分包含频谱感知模块、自适应频点分配模块、信道忙闲统计模块、频率表更新协议模块。

(1)频谱感知模块：

对输入数据parallel_demodule_input经与本地各频点并行混频并经匹配滤波后，采用滑窗递归模式进行信号功率估计，同时与本地同步序列进行相关处理。若功率估计结果gain_para高于信号强度门限，同时同步相关检测无峰值出现，则表明该频点因被干扰而需从频率集中删除。

(2)自适应频点分配模块：

物理信道被初始划分为m个，每个物理信道初始分配n个频点，即第i个信道频点集为(f_i1,f_i2,…,f_in)，其中i∈[1,2,…,m]。依据频谱感知模块对各频点受干扰情况判断，自适应频点分配模块完成各通道频率集受干扰频点更新。更新规则为：依据信道忙闲统计模块的信道功率统计输出，选择其它物理信道功率最小频点代替本通道受干扰频点。

(3)信道忙闲统计模块：

信道忙闲程度统计依据为物理层一定时间内信道中侦听到的业务量统计以及信道功率统计。业务量统计值越高表明信道繁忙程度越高。若信道业务量统计值较低，但信道功率统计值较高，此时可认为信道存在干扰或噪声功率高，应该认定信道质量较差，可统一将信道状态归类为忙。信道忙闲统计模块输出可作为MAC层业务数据发射通道优选的主要依据，同时，若信道条件不允许某分组接入信道时，信道忙闲统计模块输出也可作为MAC层回退算法的运行依据。

信道忙闲程度统计为节点选择发射物理信道提供主要依据，但源节点发射信道的选择还应综合考虑一跳接收节点在Hello信息中提供的一跳节点自身当前接收通道。在信道忙闲程度区别不大前提下，优选一跳节点未占用接收通道。

(4)频率表更新协议模块：

若节点经频谱感知确定某通道有频点被干扰，则暂时关闭该发射物理信道，并于Hello报文中增加受干扰频点更新信息(包括被干扰频点和替换频点)，该节点所有一跳节点回复确认信息，源节点收到确认信息后关闭受干扰通知信息。一跳节点在回复确认信息后，于Hello报文中增加受干扰频点更新信息，并等待其一跳节点回复确认信息，一跳节点收到确认信息后关闭受干扰通知信息。已完成更新信息发送节点后续收到邻节点发来干扰频点信息相同更新信息，只回复确认信息而不转发，以上流程直至全网节点完成回复确认为止。

Claims

1.一种适用于航空自组网多通道自适应跳频处理方法，包含以下步骤：

步骤1)、对各频点进行评估确认各频点是否被干扰，具体为：对输入数据经与本地各频点并行混频并经匹配滤波后，采用滑窗递归模式进行信号功率估计，同时将输入数据与本地各频点并行混频并经匹配滤波的结果与本地同步序列进行相关处理，若功率估计结果高于信号强度门限，同时同步相关检测无峰值出现，则表明该频点被干扰；

步骤3)、若确定某物理信道有频点被干扰，则暂时关闭该物理信道，选择其它物理信道中功率最小频点代替该物理信道中受干扰频点，待受干扰频点替换完成后该物理信道再恢复正常；同时根据频点评估更新频率表，具体步骤为：

步骤3.1)、若节点确定某物理信道有频点被干扰，则暂时关闭该物理信道，并于Hello报文中增加受干扰频点更新信息；

步骤3.4)、已完成更新信息发送节点后续收到邻节点发来干扰频点信息相同更新信息，只回复确认信息而不转发，以上流程直至全网节点完成回复确认为止；

步骤4)、节点MAC层待发送信息发送时，依据当前各物理信道忙闲程度动态选择当前最空闲物理信道，具体为：

步骤4.2)、从物理信道状态归类为非忙的物理信道中选择业务量统计值最低的物理信道，若物理信道忙闲程度区别不大前提下，选择一跳节点未占用接收通道；

2.一种适用于航空自组网多通道自适应跳频处理系统，包含频谱感知模块、自适应频点分配模块、信道忙闲统计模块和频率表更新协议模块其特征在于：

所述频谱感知模块用于对各频点进行评估确认频点是否受干扰，具体为：对输入数据经与本地各频点并行混频并经匹配滤波后，采用滑窗递归模式进行信号功率估计，同时将输入数据与本地各频点并行混频并经匹配滤波后的结果与本地同步序列进行相关处理，若功率估计结果高于信号强度门限，同时同步相关检测无峰值出现，则表明该频点被干扰；

所述自适应频点分配模块用于将跳频全频段划分为m个物理信道，每个物理信道初始分配n个频点组成频率集，若某物理信道中有频点受干忧，则暂时关闭该物理信道，选择其它物理信道中功率最小频点代替该物理信道中受干扰频点，待受干扰频点替换完成后该物理信道再恢复正常；

所述信道忙闲统计模块用于在节点MAC层待发送信息发送时，依据当前各物理信道忙闲程度动态选择当前最空闲物理信道，对组帧后数据进行调制和跳频发射，具体为：根据物理层一定时间内物理信道中侦听到的业务量统计以及信道功率统计，若业务量统计值高，或者信道业务量统计值较低，但信道功率统计值较高时，将物理信道状态归类为忙；从物理信道状态归类为非忙的物理信道中选择业务量统计值最低的物理信道，若物理信道忙闲程度区别不大前提下，选择一跳节点未占用接收通道；

所述频率表更新协议模块用于更新频率表，根据频谱感知模块确定某通道有频点被干扰时，则暂时关闭该发射物理信道，并于Hello报文中增加受干扰频点更新信息，当前节点所有一跳节点回复确认信息，源节点收到确认信息后关闭受干扰通知信息；一跳节点在回复确认信息后，于Hello报文中增加受干扰频点更新信息，并等待其一跳节点回复确认信息，一跳节点收到确认信息后关闭受干扰通知信息；已完成更新信息发送节点后续收到邻节点发来干扰频点信息相同更新信息，只回复确认信息而不转发，以上流程直至全网节点完成回复确认为止。