CN104485978B - 一种跳频式wifi系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的跳频式WIFI系统包括射频前端、WIFI信号处理单元、跳频单元和跳频同步单元。跳频单元包括第一混频器、第二混频器和射频信号源，跳频同步单元包括功率分配器、功率合成器、同步信息收发器、跳频同步控制器、本地时间基准和北斗接收机。本发明能避免局域组网系统在集群整体移动通讯模式下，整体移动的局域设备与本地固定组网设备之间的突发遭遇引起的相互干扰。并在一定程度上拓展了WIFI系统的可用通信频道，使局域组网系统具有更强的通信能力。当使用北斗系统的定位功能时，还能实现三维空间模式的频谱资源智能分配，相比传统二维蜂窝平面分配方式，本发明能显著提高WIFI系统的频谱资源使用效率。

Description

一种跳频式WIFI系统

技术领域

本发明涉及一种通讯系统，特别涉及一种跳频式WIFI系统。

背景技术

当前，无线移动设备日益普及，但由于频谱资源的稀缺，频道使用已非常紧张，WIFI系统是非常典型的无线通讯网络，智能手机、电脑等移动设备一般都具有WIFI无线通讯功能。现有的WIFI移动通讯网络主要由固定频道的地面接入点及移动设备等构成。地面接入点相互之间有空间距离，并按一定的规则使用不同频率，形成同频通讯区域网格，蜂窝网格就是一种典型结构，由于频率不同，地面各网格接入点之间互不干扰。移动设备在具有地面接入点的区域中移动，自由切换频道并实现移动通讯。WIFI移动通讯就是考虑这样的一个移动过程，目前这种移动通讯技术已很成熟。但是，随着移动通讯的广泛使用，移动网络中的移动设备常常不再是一个单独的设备，它可能是一个通讯集群网络的整体移动，这将带来新的问题。其中，通讯频道的冲突和干扰是最突出的问题之一。

WIFI的通讯协议是基于IEEE 802.11系列协议，根据IEEE 802.11系列协议，当它建立起通讯后工作信道就固定了，工作的频率范围就固定下来，这些局域内的移动设备都会有相同的工作频率，IEEE 802.11协议定义了WIFI跳频，但只是在这个信道中的小范围内跳频，不能实现跨信道的跳频。这里发生频率冲突的情况是这样的一个过程：当局域系统组网后，可移动接入设备和可移动的无线节点就组成一个可整体移动的局域网络，它整体移动时常常会与地面固定局域网遭遇，由于工作原理是相同的，做整体移动的局域网系统就难免会与本地网络在使用频道上发生冲突，从而产生相互干扰。WIFI系统本身有一种避让机制，可使相同频道上的移动设备之间相互避让保证通讯能正常进行，但在这种情况下由于相同信道上移动设备数量的突然增加，WIFI系统通讯速率会明显下降。另外一种情景是，这个可移动网络本身的接入设备数量已经很大，地面固定网络接入设备数量也很大，一旦相遇，在相同信道上总设备数就会突然增加到超过通讯协议允许的最大容限，其结果是导致WIFI通信阻塞或者瘫痪，这时无论是可移动局域网络还是地面固定局域网络都无法建立起有效通讯。

例如，我国高速列车上已逐步地开通了WIFI服务，甚至在飞机上也逐步地提供了WIFI服务。在这些服务中，列车上的接入点(可移动的路由节点)和飞机上的接入点(可移动的路由节点)以及接入这些接入点的移动设备在工作信道是一样的，并跟随列车和飞机一起移动。当列车或飞机进站或者途径一些具有WIFI系统的场所时，难免与站内或者途径区域内现有的WIFI系统在频率上发生冲突，从而产生相互的干扰。目前的基本解决办法是：固定WIFI系统工作信道，让它成为专门频段，但这样做有明显的缺点，因为WIFI工作的频段是自由频段并没有规定某个频道只能专门使用，不可能做到保留。另外一个办法是控制移动WIFI的通讯范围，即限制WIFI系统的通讯距离。限制通讯距离这大概是目前最好的解决办法，然而这只是在一定程度上解决问题。随着未来移动设备的增加，接入点遍布各地，像汽车等这种大众化交通工具也逐渐配置了WIFI系统，一个汽车车队可能要组建局域网一起移动并相互通讯，近年也有报道将在公交汽车上开通WIFI服务，显然在日益复杂的通讯形势下，固定频道和限制通讯距离范围的解决办法就显得非常困难。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种跳频式WIFI系统，以避免局域组网系统在集群整体移动通讯模式下遭遇本地固定网时的相互干扰。本发明能实现WIFI系统的跨信道跳频，解决频率冲突的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种跳频式WIFI系统，其包括一用于接收和发送无线信号的射频前端和一用于对信号进行调制与解调的WIFI信号处理单元，其特征在于：所述跳频式WIFI系统还包括一跳频单元以及一跳频同步单元，所述跳频单元包括第一混频器、第二混频器和射频信号源；所述跳频同步单元包括功率分配器、功率合成器、同步信息收发器、跳频同步控制器以及本地时间基准；所述射频前端的低噪声放大器LNA经第一混频器与功率分配器的输入端连接，所述功率分配器的输出端分为两路，其中第一路与所述WIFI信号处理单元的输入端连接，第二路与所述同步信号收发器的输入端连接；所述跳频同步控制器与所述WIFI信号处理单元双向连接，所述WIFI信号处理单元的输出端与所述功率合成器的一个输入端连接，所述跳频同步控制器的一个输出端经所述同步信息收发器与功率合成器的另一个输入端连接，所述功率合成器的输出端经所述第二混频器与射频前端的功率放大器PA的输入端连接，所述跳频同步控制器的两个输出端经所述射频信号源分别与所述第一混频器、第二混频器的一个输入端连接；所述本地时间基准为跳频同步控制器提供时钟。

所述射频前端包括一用于接收信号且与所述第一混频器信号输入端连接的低噪声放大器LNA，以及一用于发送信号且与所述第二混频器的信号输出端连接的功率放大器PA。

所述WIFI信号处理单元上设有有线通信接口。

所述跳频同步单元还包括北斗接收机，所述北斗接收机与跳频同步控制器双向连接。

所述射频信号源包括直接数字式频率合成器DDS和锁相环式频率合成器PLL。

本发明由于采用以上技术方案，其达到的技术效果为：1、具有常规WIFI的功能，又具有常规WIFI不能实现的跨信道，宽广频率范围跳频功能。本系统不修改基本WIFI通信协议，结构上是在原有的WIFI系统中增加跳频单元和跳频同步单元实现。因此，能兼容常规WIFI，具有常规WIFI系统的功能。由于具有跨信道跳频功能，本发明可实现局域组网系统整体移动时自动选择当地空闲信道的能力，避免频道使用冲突。当多个整体移动的系统相遇时，还可利用北斗系统的定位功能实现依据地理位置信息规避不同集群系统相遇同时抢占空闲信道的可能，使WIFI移动通信组网更加合理、有序。2、本发明实现的局域组网系统具有独立性和整体性，易于通信控制与新功能开发。系统采用接入点控制接入设备的工作信道，使组网设备具有独立性和局域整体性，因而更加适合局域组网和移动通讯，在开发更新型组网功能方面也具有较大潜力。3、拓展了WIFI工作频段，目前WIFI系统主要工作在2.4GHz和5GHz频段，而本发明提供的跳频式WIFI系统，可以在其它频段工作，例如ISM自由频段的315MHz、433MHz、915MHz频段等，在频谱资源非常有限的情况下，尽量提高频谱资源的利用率可能是最有效和最实用的做法。4、提高了局域系统的信息保密性和区域频谱使用效率。现有WIFI系统是基于固定信道的通信系统，一旦建立起网络通信，频率范围就固定了，在物理连接上不具有保密性。本发明提供的跳频式WIFI系统，可以跨信道跳频。由于频率可以实时改变，在局域通信时可以利用局域网自定义的跳频图谱工作，使网络黑客难于直接利用和接入，在信息保密上更安全。本系统采用了北斗系统，利用北斗系统不断提升的功能还能使本发明实现更先进的新型通信模式。例如，使用北斗系统的精确定位功能，可使每个局域网的工作频率按地理位置坐标进行有效分配，WIFI资源不再是人为去调整各自的工作频段，可节省大量人力物力。这种位置信息可以是平面上的，也可以是立体空间上的分配，比如高层建筑、山脉上的WIFI系统可以根据海报高度和水平坐标位置来划分各自的工作频段，使各接入点之间互不干扰，更加科学地分配频谱资源。这也是对传统平面蜂窝形式的工作频率分配的一种创新。立体三维模式的频谱资源规划，比平面二维方式的规划更全面、更科学。5、较低的实现成本，易于推广和应用。本发明提供的跳频式WIFI系统采用现行WIFI通讯体制结构，由于WIFI通讯已很完善、稳定、成本低廉，已得到了全球公认，加上我国大力推进北斗系统建设，其成本不断降低，性能不断提升。因此本发明的实现将更加容易，易于广泛使用。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是跳频同步控制信号与WIFI信号的频谱分布示意图，图2a是相邻信道互相不重叠的状态，图2b是相邻信道部分重叠的状态；

图3是局域组网工作过程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的一种跳频式WIFI系统包括射频前端1、顺序连接射频前端1的跳频单元2、跳频同步单元3和WIFI信号处理单元4。

其中，射频前端1用于接收和发送无线信号，其包括用于接收无线信号的接收天线10，将接收到的无线信号进行放大处理的低噪声放大器(LNA)11，将无线信号进行功率放大的功率放大器(PA)12，以及用于发送无线信号的发射天线13。

跳频单元2包括连接低噪声放大器11信号输出端的混频器20，混频器20将经低噪声放大器11输出的信号变频到一个固定频率上，实现WIFI信号的接收，连接功率放大器12信号输入端的混频器21，混频器21把WIFI输出的固定频率信号变换到跳频频率上并送至功率放大器12进行放大。混频器20和混频器21的信号输入端均连接射频信号源22，射频信号源22接收来自跳频同步控制器33的控制命令，当射频信号源22频率改变时，接收与发送的信号随之改变。射频信号源22包括包括DDS(Direct-Digital-Synthesizer，直接数字式频率合成器)和PLL(Phase-Locked-Loop，锁相环)构成宽带射频信号产生源。

跳频同步单元3包括连接混频器20信号输出端的功率分配器30，连接混频器21信号输入端的功率合成器31，连接功率分配器30的信号输出端和功率合成器31的信号输入端的同步信息收发器32，同步信息收发器32输出的信号用于向其它同步信息接收器32发送同步控制信号。跳频同步控制器33与本地时间基准34和北斗接收机35双向连接，通过北斗授时信号矫正系统长时间工作带来的时间偏差，通过本地时间基准34实现精准跳频控制。

WIFI信号处理单元4包括用于对WIFI接收或发送的信号进行调制与解调的WIFI信号处理器40，WIFI信号处理器40同时连接功率分配器30的信号输出端，功率合成器31的信号输入端，以及跳频同步控制器33的输入和输出端。WIFI信号处理器40还连接有线通讯接口5。

下面详细说明本发明的工作过程:

如图1所示，接收信号时，来自天线的信号经低噪声放大器11放大，经混频器20变频到接收频率点上，然后通过功率分配器30将信号分配给WIFI信号处理器40和同步信息收发器32，由于WIFI信号的频率与同步控制信息的工作频率不同因而互不干扰，同步信息收发器32可以解析出跳频同步信号并送给跳频同步控制器33实现跳频信息接收。WIFI信号同时被WIFI信号处理器40接收，实现WIFI信息的接收。

发射信号时，经WIFI信号处理器40处理的WIFI信号送给功率合成器31，功率合成器的另一路来自同步信息收发器32，功率合成后送至混频器21变频形成发射信号。与接收信号类似，WIFI信号和同步发射信号在频率上不同，因此相互不干扰，所形成的混合信号经混频器21变频后形成发射信号在频谱上互不重叠，最后由功率放大器PA放大后发射。此时，WIFI信号和同步控制信号一起发射出去。

跳频同步控制器33是跳频实现的关键，它接收来自同步信息收发器32、WIFI信号处理器40、本地时间基准34和北斗接收机35的信号。工作过程分为2种状态：

1、同步状态，这个状态下跳频同步控制器33处于组网状态。此时，作为接入点的跳频同步控制器33处于主机地位，并由它发出同步控制命令。处于接收设备的跳频同步控制器33处于从机地位，接收来处于自主机的同步控制信息并紧跟主机执行跳频命令，使本机的射频信号源22紧跟主机频率变化。

2、搜索状态，处于此状态的跳频同步控制器33处于从机地位，属于接入设备。由于跳频WIFI工作时频率是实时变化的，而刚启动的设备还没有接入这个组网，它无法知道当前时刻该局域网的工作频率，因此它需要搜索组网信息。此时，跳频同步控制器33根据北斗接收机35的授时信号和本地时间基准34的信号，并按照该局域网设置的跳频图谱去搜索接入点控制信息，即控制射频信号源22的输出频率按该局域网设置的跳频图谱不断尝试去跟踪接收，此时整个系统处于接收状态不发射任何信号，因此不会导致无线干扰。一旦跟踪成功就会解析出自接入点上处于主机地位的跳频同步控制器33的控制命令，最终实现组网同步，完成由搜索状态到同步状态的过渡。当局域系统周边没有其它系统时，整个局域网络按预先的跳频图谱工作，因此系统很快就能进入同步状态。当局域网周边有很多其它系统时，这个图谱就可能被打乱，使得进入同步的时间就会变长，但由于WIFI系统的频道数量不是很大，加上系统本身具有北斗系统辅助，因此它总是能在较短时间内找到需要接入的网络。

如图1所示，局域组网的整个系统在正常工作时频率需要实时改变这个过程就是跳频，跳频会带来频谱扩散，进而产生干扰。WIFI信号处理器40与跳频同步控制器33之间有控制信号相连，作用是完成跳频协同。工作过程是WIFI信号处理器40每次组织发射和接收数据时都输出控制信息给跳频同步控制器33，跳频同步控制器33根据这个信号实时给出跳频决策协同跳频时刻。这个设计可使跳频引起的频谱扩散影响减到最低，由于WIFI信号处理器40按照IEE802.11协议工作，收发数据包之间有足够长的时间间隔，因此跳频同步控制器33总是能根据本地时间基准34给出适当的控制决策选择跳频时刻点，从而降低跳频干扰提高WIFI通信质量。

同步信息收发器32发出和接收的数据量很小，采用窄带高斯滤波频移键控GFSK调制传输可以节约发射带宽，GFSK信号也是恒包络调制信号，还可使发射器效率做到比较高，从而降低电源消耗。同步控制信号的频率可以在两个不重叠的WIFI频道中间的保护间隔上实现。但由于WIFI信号的不重叠频道数很少，2.4GHz频段通常只有3个信道互不重叠，5.8GHz频段通常只有5个信道互不重叠。因此大部分WIFI信号的频道在邻频频道上都是部分重叠的，这里可分为2种情况：

如图2a所示，第N信道为移动局域网使用的信道。这里各个信道选择的频率互不重叠，同步控制信息频率在这2个信道之间的空隙上实现。因此同步控制信息不会引起与邻频WIFI信号的冲突。

如图2b所示，第N信道为移动局域网使用的信道，相邻信道频率部分重叠，此时同步控制信息频率仍旧选择在互不重叠的频道之间。这种情况下，WIFI各频道的信号之间以时分复用方式出现占用情况或者按WIFI协议以信道内的跳频方式自动规避，因此跳频同步信号与第N+1信道WIFI信号不会产生冲突。发生冲突的信道是整个第N信道，但同步信息在第N信道之外，因此同步信息仍旧能正常传输。由此可见，在上述2种情况下，由于同步信息与WIFI信息在接收与发送上的时间是一致的避免了与邻频WIFI信号的冲突，系统始终都能保障同步信息的正常通信。

在跳频同步方面，系统使用了北斗接收机35用以实现整个跳频系统的时间同步，北斗系统使用国家授时中心的高精度时钟，因此不会产生大刻度时间上的偏差。但是，卫星信号接收会受到环境条件的限制，可能在某个瞬时或者一段时间无法实时得到时钟信号，这样就会影响跳频系统的同步建立。本地时间基准34可以不受卫星信号强弱和有无的影响，能一直工作，可以确保跳频信息在短时间范围上的可靠性。但是本地时间基准34是独立的时钟系统，运行长久后会出现时间漂移现象，进而导致同步偏移甚至无法建立同步。利用北斗授时的长时间无漂移特性去修订系统大刻度时间基准，而在小刻度时间方面使用本地时间基准，相互弥补能确保跳频同步系统的长时间精准可靠。随着北斗系统性能的日益提升，本系统的同步性能也会得到逐步提升。

下面详细介绍基于本发明的跳频组网系统工作过程：

如图1、图3所示，具有跳频能力的若干移动设备60与可移动的跳频式WIFI系统61的节入点构成局域组网6，局域组网6中的每个移动设备60都能通过北斗接收机35接收北斗卫星的授时信号，因此可以消除设备自身时钟引起的偏差。局域组网中的每一移动设备60均接收来自跳频式WIFI系统61节入点的控制信息，实现跳频信息的同步。整个局域组网6移动时，会遇到地面固定接入点，一旦侦测到有其它网络存在，跳频式WIFI系统61就自动搜索空闲信道，并让整个局域组网的移动设备60同时跳频到新的信道上，避开相互的干扰。

上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种跳频式WIFI系统，其包括一用于接收和发送无线信号的射频前端和一用于对信号进行调制与解调的WIFI信号处理单元，其特征在于：所述跳频式WIFI系统还包括一跳频单元以及一跳频同步单元，所述跳频单元包括第一混频器、第二混频器和射频信号源；所述跳频同步单元包括功率分配器、功率合成器、同步信息收发器、跳频同步控制器以及本地时间基准；所述射频前端的低噪声放大器LNA经第一混频器与功率分配器的输入端连接，所述功率分配器的输出端分为两路，其中第一路与所述WIFI信号处理单元的输入端连接，第二路与所述同步信号收发器的输入端连接；所述跳频同步控制器与所述WIFI信号处理单元双向连接，所述WIFI信号处理单元的输出端与所述功率合成器的一个输入端连接，所述跳频同步控制器的一个输出端经所述同步信息收发器与功率合成器的另一个输入端连接，所述功率合成器的输出端经所述第二混频器与射频前端的功率放大器PA的输入端连接，所述跳频同步控制器的两个输出端经所述射频信号源分别与所述第一混频器、第二混频器的一个输入端连接；所述跳频同步单元还包括北斗接收机，所述北斗接收机与跳频同步控制器双向连接，所述本地时间基准为跳频同步控制器提供时钟，跳频同步控制器与本地时间基准和北斗接收机双向连接，通过北斗授时信号矫正系统长时间工作带来的时间偏差，通过本地时间基准实现精准调频控制，跳频同步控制器接收来自同步信息收发器、WIFI信号处理器、本地时间基准和北斗接收机的信号，完成同步状态和搜索状态的两种状态的工作。

2.如权利要求1所述的跳频式WIFI系统，其特征在于：所述射频前端包括一用于接收信号且与所述第一混频器信号输入端连接的低噪声放大器LNA，以及一用于发送信号且与所述第二混频器的信号输出端连接的功率放大器PA。

3.如权利要求1所述的跳频式WIFI系统，其特征在于：所述WIFI信号处理单元上设有有线通信接口。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的跳频式WIFI系统，其特征在于：所述射频信号源包括直接数字式频率合成器DDS和锁相环式频率合成器PLL。