CN104468013A - 一种无线组网通信的时隙结构确定方法 - Google Patents

Abstract

一种无线组网通信的时隙结构确定方法，包括时隙结构中同步字脉冲包、时间信息TOD脉冲包、数据脉冲包的设计方法，适用于多个节点之间自适应跳频时分多址无线组网通信，实现了跳频频率集实时更新、协议开销大幅缩减、编码增益有效提高，从而实现了高码率、抗干扰、强健壮性、多节点组网通信。

Description

一种无线组网通信的时隙结构确定方法

技术领域

本发明涉及一种无线组网通信的时隙结构确定方法，属于无线组网通信技术领域。

背景技术

多个节点在空间无线组网、相互协作完成单个节点无法或难以完成的任务已成为一种典型模式，广泛应用于军事、民用等方面，并发挥着越来越大的作用。

美国的Link16数据链能够将多个节点铰链在一起，采用无中心节点的体系结构，协同实现某项任务，为了满足节点容量、数据速率、抗干扰能力和保密特性等要求，其采用了时分多址接入协议，将每个时元(12.8min)划分为98304个时隙，按照一定原则分配给网络内各节点。Link16可以对每个时隙采用不同的消息封装结构，封装结构共有五种，第一种是标准消息打包(SMP)，第二种是2倍压缩单脉冲消息封装(P2SP)，第三种是2倍压缩双脉冲消息封装(P2DP)，第四种是4倍压缩单脉冲消息封装(P4SP)，第五种是往返定时(RTT)询问和应答封装。每种消息封装均有粗同步头、精同步头、报头和传输保护段。除RTT封装以外的其余四种封装都有消息本体，是用以运载本消息所传送的消息内容的。粗同步和精同步是实现各端机时钟同步的步骤和状态，即粗同步和精同步。在消息中的粗同步头是开端，精同步头是时间优化，用于使接收机和发射机实现同步。在每个时隙中粗同步是端机要发射或接收的第一个单元，粗同步头由16个双脉冲字符构成。在同一个网络内的每个端机都事先知道本时隙所有脉冲(包括同步头、报头和消息本体)的跳频顺序和粗/精同步头各脉冲所用的伪随机序列，亦即知道本时隙的跳扩频图案，因而能接收到消息。虽然如此，对于接收端机来说，它既不知道发射机的位置，也不知道信号的传播时间，亦即不知道信号什么时候到来，因此它在时隙开始前便产生出32个本地脉冲，其频率和伪码的顺序即跳扩频图案与发射信号粗同步的相同，以等待信号到来。粗同步头的作用是认定有信号到来，并使接收机与发射机同步起来。精同步头由4个双脉冲字符组成，用以减小由粗同步头产生的信号到达时间的不确定范围，精同步头所用的伪码与以后的报头和消息本体属于统一种类。每条消息的第三个单元是报头，由16个双脉冲字符构成，占用416μs的时间。与同步头不同，报头载有用于对本时隙消息的封装和格式等的说明，以便接收端机对收到的消息进行处理，为了提高抗干扰能力，报头字符用了(16，7)的RS纠错编码，因此报头只载有7个字符的信息，即7×5＝35bit的信息。在报头之后，除了RTT消息之外，其余4种消息均有消息本体，但不同的封装，消息本体的长短不同，所用的单或双脉冲字符也不同。时隙的最后一段是传播保护段，保护段的意义是要在下一个时隙开始之前信号已到达作用距离内的所有接收端机，以免发生收发冲突。传播保护段的第二个作用是让端机为下一个时隙的发射或接收做准备。

从上述可见，Link16的时隙设计存在以下问题：Link16采用跳频方式，跳频序列是固定的，时隙结构中未考虑跳频序列的更新字段，不能应用于对抗强干扰的自适应跳频系统；Link16的消息本体采用了RS(31，15)纠错编码，降低了系统吞吐率，且编码增益不高；RTT消息的引入使得协议开销大幅度增加，无法支持网内节点高速数据传输。

因此，对于时分多址无线组网系统，时隙结构需要进一步优化和改善。目前，国内外已在时分多址数据链系统方面开展了一些研究，但都侧重时隙分配方法和模型，如《火力与指挥控制》第36卷第4期发表的“时分多址数据链时隙分配方法及仿真分析”一文，主要对时分多址数据链时隙分配的流程及方法进行研究，并利用排队论构建了时隙预约选择分配模型，解决的是TDMA网络中时隙分配优化的问题，没有涉及实现TDMA网络的时隙结构设计，也缺乏对自适应跳频组网系统跳频频率集的设计和分析。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种无线组网通信的时隙结构确定方法，适用于多个节点之间自适应跳频时分多址组网通信，实现了跳频频率集实时更新、协议开销大幅缩减、编码增益有效提高、抗干扰能力巨大提升，从而实现了高码率、强健壮性、多节点组网通信。

本发明的技术解决方案是：

一种无线组网通信的时隙结构确定方法，步骤如下：

(1)将所述无线组网通信的时隙结构划分为同步字脉冲包、TOD脉冲包、传播时延计算段、数据脉冲包以及传输保护段五个子段；

(2)确定所述五个子段的长度；

(3)将所述无线组网通信的时隙类型划分为主节点时隙和从节点时隙两种类型；

(4)确定主节点时隙结构内五个子段的内容：

同步字脉冲包是由64组11bit巴克码级联而成，为后续数据脉冲包信息提供位同步及帧同步指示；

TOD脉冲包包括TOD信息、频率集更新通知信息、频率集更新命令、从节点1传播延迟、从节点2传播延迟、……、从节点N传播延迟和CRC校验字；TOD脉冲包的比特数在160bit内，不足160bit时末位补零，经过(5，32)软扩频映射为伪随机序列，再通过LDPC编码，形成传输符号；所述TOD信息用于网络内时间同步，TOD信息的结构按照“时、分、秒、时帧、跳数”的方式确定，通过对跳频跳数的累加计数，完成对TOD信息的更新；

传播时延计算段空出，用于从节点计算传播时延，空出的长度为步骤(2)中确定的传播时延计算段长度；

数据脉冲包直接将原始信息经过LDPC编码形成传输符号；

传输保护段空出，用于保证本时隙信号到达最远节点前其他节点不发射信号，空出的长度为步骤(2)中确定的传输保护段长度；

(5)确定从节点时隙结构内五个子段的内容：

同步字脉冲包是由64组11bit巴克码级联而成，为后续数据脉冲包信息提供位同步及帧同步指示；

TOD脉冲包包括TOD信息、接收确认信息和CRC校验字；TOD脉冲包比特数控制在160bit内，不足160bit时末位补零，经过(5，32)软扩频映射为伪随机序列，再通过LDPC编码，形成传输符号；所述TOD信息用于网络内时间同步，TOD信息的结构按照“时、分、秒、时帧、跳数”的方式确定，通过对跳频跳数的累加计数，完成对TOD信息的更新；

传播时延计算段空出，用于主节点计算传播时延，空出的长度为步骤(2)中确定的传播时延计算段长度；

数据脉冲包直接将原始信息经过LDPC编码形成传输符号；

传输保护段空出，用于保证本时隙信号到达最远节点前其他节点不发射信号，空出的长度为步骤(2)中确定的传输保护段长度；

(6)所述无线组网系统中主节点按照步骤(4)中确定的主节点时隙结构，从节点按照步骤(5)中确定的从节点时隙结构进行自适应跳频时分多址组网通信。

所述步骤(2)中确定五个子段长度具体为：

传播时延计算段以及传播保护段在每个时隙中均有一个，且长度相同，均为d/c，其中，d为时分多址无线组网通信中节点之间最大传输距离，c为光速；

TOD脉冲包及数据脉冲包均采用LDPC(1536,1024)编码，长度为1024/R，所述无线组网通信的每个时隙包括一个TOD脉冲包及B/1024个数据脉冲包；其中，R为每个节点编码前有效传输速率，B为每个时隙内传输的有效数据，

每个时隙中有一个同步字脉冲包，长度为t-2×d/c-(1+B/1024)×1024/R，其中，t为时隙长度，t>0。

主节点时隙是所述无线组网通信中主节点使用的时隙结构，所述无线组网通信中仅有一个主节点以及该主节点对应的主节点时隙；从节点时隙是从节点使用的时隙结构，在所述无线组网通信中有N个从节点及其对应的N个从节点时隙，N>1。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

通过本发明所设计的时隙帧结构，将用于精同步的RTT消息省去，采用TOD信息实现网络时间精同步，缩短了协议开销，大幅度提升了通信效率；将跳频频率集更新信息添加到时隙结构中，使得时隙的设计能够用于自适应跳频组网系统中，达到了时隙结构的抗干扰设计；全网仅有两种时隙结构，简化了时分多址系统的时序设计，降低了终端实现复杂度；利用软扩频及LDPC高增益纠错编码，实现了扩频增益及编码增益的双提升。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明：

由本发明所确定的无线组网通信时隙结构，为多个节点之间自适应跳频时分多址无线组网通信提供一种高效实用的时隙格式。如图1所示，本发明提供的一种无线组网通信的时隙结构确定方法，步骤如下：

(1)确定时隙结构：时隙结构划分为同步字脉冲包、TOD脉冲包、传播时延计算段、数据脉冲包以及传输保护段五个子段；

(2)确定时隙子段长度：

传播时延计算段以及传播保护段在每个时隙中均有一个，且长度相同，均为d/c，其中，d为时分多址无线组网通信中节点之间最大传输距离，c为光速；

TOD脉冲包及数据脉冲包均采用LDPC(1536,1024)编码，长度为1024/R，所述时分多址无线组网通信的每个时隙包括一个TOD脉冲包及B/1024个数据脉冲包；其中，R为每个节点编码前有效传输速率，B为每个时隙内传输的有效数据，

每个时隙中有一个同步字脉冲包，长度为t-2×d/c-(1+B/1024)×1024/R，其中，t为时隙长度，t>0。

(3)确定时隙类型：所述无线组网通信中时隙类型划分为主节点时隙和从节点时隙两种类型，长度相同，均为t。主节点时隙是所述无线组网通信中主节点使用的时隙结构，所述无线组网通信中仅有一个主节点以及该主节点对应的主节点时隙；从节点时隙是从节点使用的时隙结构，在所述无线组网通信中有N个从节点及其对应的N个从节点时隙，N>1。

(4)确定主节点时隙结构：

同步字脉冲包是由64组11bit巴克码级联而成，为后续数据脉冲包信息提供位同步及帧同步指示；

TOD脉冲包包括TOD信息、频率集更新通知信息、频率集更新命令、从节点1传播延迟、从节点2传播延迟、……、从节点N传播延迟和CRC校验字；TOD脉冲包的比特数在160bit内，不足160bit时末位补零，经过(5，32)软扩频映射为伪随机序列，再通过LDPC编码，形成传输符号；所述TOD信息用于网络内时间同步，TOD信息的结构按照“时、分、秒、时帧、跳数”的方式确定，通过对跳频跳数的累加计数，完成对TOD信息的更新，更新方式为：跳数按照跳速逐步累加，计到最大跳频点数时，时帧数加1；按照每秒包含的最大时帧数，时帧逐步累加到最大时帧数时，秒数加1；秒数累加到60时，分数加1；分数累加到60时，时数加1；时数累加到2时，为一个循环，TOD信息中的时、分、秒、时帧、跳数各部分清零，重新开始下一个循环。

传播时延计算段空出，传播时延空出的长度为步骤(2)中确定的传播时延计算段长度。传播时延计算段用于从节点计算传播时延，从节点接收到主节点的TOD信息，获知主节点发送的时刻，与自己的本地时间(TOD信息)相减，得到传播时延，用于从节点TOD信息的调整。

数据脉冲包直接将原始信息经过LDPC(1536，1024)编码形成传输符号。

传输保护段空出，空出的长度为步骤(2)中确定的传输保护段长度。传播保护段用于保证本时隙信号到达最远节点前其他节点不发射信号，防止节点之间所使用的时隙发生重叠，造成信道间相互干扰。

(5)确定从节点时隙结构：

同步字脉冲包是由64组11bit巴克码级联而成，为后续数据脉冲包信息提供位同步及帧同步指示；

TOD脉冲包包括TOD信息、接收确认信息和CRC校验字；TOD脉冲包比特数控制在160bit内，不足160bit时末位补零，经过(5，32)软扩频映射为伪随机序列，再通过LDPC编码，形成传输符号；所述TOD信息用于网络内时间同步，TOD信息的结构按照“时、分、秒、时帧、跳数”的方式确定，通过对跳频跳数的累加计数，完成对TOD信息的更新，更新方式为：跳数按照跳速逐步累加，计到最大跳频点数时，时帧数加1；按照每秒包含的最大时帧数，时帧逐步累加到最大时帧数时，秒数加1；秒数累加到60时，分数加1；分数累加到60时，时数加1；时数累加到2时，为一个循环，TOD信息中的时、分、秒、时帧、跳数各部分清零，重新开始下一个循环。

传播时延计算段空出，传播时延空出的长度为步骤(2)中确定的传播时延计算段长度。传播时延计算段用于主节点计算传播时延，主节点接收到从节点的TOD信息，获知从节点发送的时刻，与自己的本地时间(TOD信息)相减，得到传播时延，用于主节点时隙结构中TOD脉冲包的节点传播延迟字段的填充。

数据脉冲包直接将原始信息经过LDPC编码形成传输符号；

传输保护段空出，空出的长度为步骤(2)中确定的传输保护段长度。传播保护段用于保证本时隙信号到达最远节点前其他节点不发射信号，防止节点之间所使用的时隙发生重叠，造成信道间相互干扰

所述从节点时隙结构与主节点时隙结构最大不同在于TOD脉冲包设计，对环境中干扰的检测与剔除均由主节点完成，从节点只需反馈接收确认，以表征收到主节点频率集更新通知。主节点对干扰的检测与剔除过程为接收机扫描通信频带内的干扰信号，若干扰频点与跳频频点相同，则将该干扰频点从跳频频率集中直接剔除，后续跳频通信过程中不再使用该频点。

(6)无线组网系统中主节点按照步骤(4)中设计的时隙结构，从节点按照步骤(5)中设计的时隙结构进行自适应跳频时分多址组网通信。

采用上述确定的时隙结构，将现有时分多址无线组网中用于精同步的RTT消息省去，使用TOD信息实现网络时间精同步，缩短了协议开销，从而提高了通信效率；在时隙结构的TOD脉冲包子段中包含了跳频频率集更新信息，使得该时隙的设计能够用于自适应跳频组网系统中，达到了时隙结构的抗干扰设计；在时隙内容设计上，采用了软扩频和LDPC高增益纠错编码，实现了扩频增益及编码增益的双提升。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种无线组网通信的时隙结构确定方法，其特征在于步骤如下：

(1)将所述无线组网通信的时隙结构划分为同步字脉冲包、TOD脉冲包、传播时延计算段、数据脉冲包以及传输保护段五个子段；

(2)确定所述五个子段的长度；

(3)将所述无线组网通信的时隙类型划分为主节点时隙和从节点时隙两种类型；

(4)确定主节点时隙结构内五个子段的内容：

同步字脉冲包是由64组11bit巴克码级联而成，为后续数据脉冲包信息提供位同步及帧同步指示；

TOD脉冲包包括TOD信息、频率集更新通知信息、频率集更新命令、从节点1传播延迟、从节点2传播延迟、……、从节点N传播延迟和CRC校验字；TOD脉冲包的比特数在160bit内，不足160bit时末位补零，经过(5，32)软扩频映射为伪随机序列，再通过LDPC编码，形成传输符号；所述TOD信息用于网络内时间同步，TOD信息的结构按照“时、分、秒、时帧、跳数”的方式确定，通过对跳频跳数的累加计数，完成对TOD信息的更新；

传播时延计算段空出，用于从节点计算传播时延，空出的长度为步骤(2)中确定的传播时延计算段长度；

数据脉冲包直接将原始信息经过LDPC编码形成传输符号；

传输保护段空出，用于保证本时隙信号到达最远节点前其他节点不发射信号，空出的长度为步骤(2)中确定的传输保护段长度；

(5)确定从节点时隙结构内五个子段的内容：

同步字脉冲包是由64组11bit巴克码级联而成，为后续数据脉冲包信息提供位同步及帧同步指示；

TOD脉冲包包括TOD信息、接收确认信息和CRC校验字；TOD脉冲包比特数控制在160bit内，不足160bit时末位补零，经过(5，32)软扩频映射为伪随机序列，再通过LDPC编码，形成传输符号；所述TOD信息用于网络内时间同步，TOD信息的结构按照“时、分、秒、时帧、跳数”的方式确定，通过对跳频跳数的累加计数，完成对TOD信息的更新；

传播时延计算段空出，用于主节点计算传播时延，空出的长度为步骤(2)中确定的传播时延计算段长度；

数据脉冲包直接将原始信息经过LDPC编码形成传输符号；

传输保护段空出，用于保证本时隙信号到达最远节点前其他节点不发射信号，空出的长度为步骤(2)中确定的传输保护段长度；

(6)所述无线组网系统中主节点按照步骤(4)中确定的主节点时隙结构，从节点按照步骤(5)中确定的从节点时隙结构进行自适应跳频时分多址组网通信。

2.根据权利要求1所述的一种无线组网通信的时隙结构确定方法，其特征在于：所述步骤(2)中确定五个子段长度具体为：

传播时延计算段以及传播保护段在每个时隙中均有一个，且长度相同，均为d/c，其中，d为时分多址无线组网通信中节点之间最大传输距离，c为光速；

TOD脉冲包及数据脉冲包均采用LDPC(1536,1024)编码，长度为1024/R，所述无线组网通信的每个时隙包括一个TOD脉冲包及B/1024个数据脉冲包；其中，R为每个节点编码前有效传输速率，B为每个时隙内传输的有效数据，

每个时隙中有一个同步字脉冲包，长度为t-2×d/c-(1+B/1024)×1024/R，其中，t为时隙长度，t>0。

3.根据权利要求1所述的一种无线组网通信的时隙结构确定方法，其特征在于：主节点时隙是所述无线组网通信中主节点使用的时隙结构，所述无线组网通信中仅有一个主节点以及该主节点对应的主节点时隙；从节点时隙是从节点使用的时隙结构，在所述无线组网通信中有N个从节点及其对应的N个从节点时隙，N>1。