CN105873075A - 无线链状拓扑网络节点的频点选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无线链状拓扑网络节点的频点选择方法，a、新节点在未入网之前、上电之后处于接收状态，进行频点扫描，频点扫描时先执行干扰检测，若无干扰存在，则直接进入后续信号处理，若有干扰存在，则先进行干扰消除，获取实际信号强度及信噪比，再进入后续信号处理，根据可用频点列表依次扫描各频点；b、基于频点扫描结果选择后向频点和前向频点，其中，根据检测到的广播信号强度选择后向频点，再根据前向频点选取规则选择干扰子载波数最少的频点作为前向频点。当无线链状网工作在UHF频段，会存在较强的模拟广播电视信号干扰，本发明提供了的方法能够快速找到合适的频点，使得整网受到的干扰最小，频谱效率最高。
Description
技术领域
本发明涉及一种当存在模拟电视信号时用于链状拓扑无线通信网络节点的频点选择方法，可用于无线多跳链状网络拓扑结构，属于无线通信领域。
背景技术
无线链状通信系统针对通信区域呈链状拓扑的带状应用场景而设计，在石油管道、公路运输、边防周界等需要带状覆盖的应用场景下有着其独特的优势，目前有着广泛的市场需求。
广电白频谱所在频率范围的无线电波具有自由空间传播路径损耗小、透射和绕射能力强等特点，无线链状网在不干扰广播电视用户的前提下，可以利用广播电视白频谱进行数据传输，在同等功率下可以获得更广的覆盖范围。我国模拟广播电视采用PAL-D制式。模拟广播电视信号主要包括图像信号和伴音信号，图像信号又是由频谱交错的亮度信号以及色度信号组成。信号能量主要集中在亮度信号、色度信号以及伴音信号载频附近。亮度信号载频与伴音信号载频频差6.5MHz，色度信号载频位于亮度信号与伴音信号之间，色度信号载频与亮度信号载频频差4.43MHz。对于无线链状网而言，当存在较强的模拟电视信号时，若不处理，将会影响后续的信号处理，降低系统性能。
频点规划是无线通信系统的重要指标之一，能有效地减小频域间的干扰。每个节点能否选取合适的频点将直接影响到节点间通信的质量，通过合理分配有效频点能够减小相互间的干扰以及满足最大的网络容量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种无线链状拓扑网络节点的频点选择方法，用于基于链状拓扑的无线OFDM宽带网络在组建网络过程中各节点的频点选择，通过该方法节点能在入网时根据模拟电视信号干扰情况选择合适的频点。
按照本发明提供的技术方案，所述的无线链状拓扑网络节点的频点选择方法包括两个步骤：
a、新节点在未入网之前、上电之后处于接收状态，进行频点扫描，频点扫描时先执行干扰检测，确定当前扫描的频点是否存在干扰，及干扰的具体位置，若无干扰存在，则直接进入后续信号处理，若有干扰存在，则先进行干扰消除，获取实际信号强度及信噪比，再进入后续信号处理，根据可用频点列表依次扫描各频点；
b、基于频点扫描结果选择后向频点和前向频点，其中，根据检测到的广播信号强度选择后向频点，再根据前向频点选取规则选择干扰子载波数最少的频点作为前向频点。
所述可用频点列表是指每个节点可以选择使用的频点列表，它可以通过网管或配置文件进行配置，或者根据设定规则计算得到。
当扫描到某一频点时，扫描过程会先进行干扰检测，对接收信号进行N点快速傅里叶变换，N为系统的子载波数；在模拟广播电视亮度信号、色度信号、伴音信号载频子载波处采用开窗法，通过窗内频域功率与设定阈值的比较，来判定该载频处是否存在强干扰，若某载频窗内存在子载波功率超过阈值，就记录下载频子载波索引及超过阈值的子载波数目；根据记录的子载波索引，对时域信号进行频谱搬移、滤波、频谱反搬移，滤除所有强干扰，滤除干扰后，计算信号功率，利用数字自动增益控制将信号功率恢复至参考值附近，再进行同步及后续处理。
若在某频点检测到广播的系统消息，记录的信号功率就是有效信号强度，若未检测到广播的系统消息，那么记录的是噪声功率。
由于模拟广播电视信号的色度信号一直是跳动变化的，因此通过多次取平均值的方法来减小误差。
由于新节点有可能收到多个节点、多个频点上广播的系统消息，因此根据多个广播信号的功率，选择在信号最强的频点上发出接入请求；若长时间未得到响应接入，再选择在信号强度次之的频点上发出接入请求，直至收到响应；根据接收到的响应消息，新节点可知其位于响应节点的前向或后向；若是新节点位于响应节点的前向，则选择该频点，并完成后续接入，此时新节点的后向频点确定；若是新节点位于响应节点的后向，则重新选择在其他频点上发出接入请求。
经过干扰检测可以得到前向与后向可用频点的干扰子载波数，后向频点确定后，依据前向可用频点的干扰子载波数来选择前向频点，前向频点选取规则为：1)根据频点干扰子载波数最小原则，选取干扰子载波数最少的频点，当干扰子载波数相同时，选择噪声功率低的频点作为前向频点；2)选取的前向频点不能与该节点的后向频点相同或相邻。
本发明的优点是：当无线链状网工作在UHF频段，会存在较强的模拟广播电视信号干扰，本发明提供了的方法能够快速找到合适的频点，使得整网受到的干扰最小，频谱效率最高。
附图说明
图1是模拟广播电视信号频谱结构。
图2是在链路末尾加入一个新节点示意图。
图3是在链路中加入一个新节点示意图。
图4是频点扫描过程。
图5是干扰消除流程图。
具体实施方式
无线链状网的核心部分，也就是主干链状网部分，是由多个顺序排列而形成链状分布的节点组成的，CCU(Central Control Unit，中央控制单元)位于链路的一端，负责完成网络的管理、实时调度、安全认证、路由转发等功能，与CCU连接的节点称为首节点，远离CCU的方向称为前向，靠近CCU的方向称为后向。以某一节点为基准，距离首节点较远的节点为该节点的前向节点，距离首节点较近的点为后向节点。每个节点有两个方向的通信链路，用于与前向节点通信的频点称为该节点的前向频点，用于与后向节点通信的频点称为该节点的后向频点。该节点的前向频点与前向节点的后向频点相同，该节点的后向频点与后向节点的前向频点相同，两节点间通过时分的方式共享频率资源。
本发明提出了一种用于链状拓扑的无线通信网络节点的频点选择方法，在节点入网时能根据模拟电视信号干扰状况选择合适的频点。该方法包括两个步骤：
1)频点扫描，以确定节点的干扰情况；具体包括两个子步骤：
a)干扰定位：确定当前扫描的频点是否存在干扰，及干扰的具体位置；
b)干扰消除：消除干扰，获取实际信号强度/信噪比；
2)频点选择：基于频点扫描结果选择后向频点和前向频点，其中后向频点选择接收到有效信号强度大/干扰少/信噪比高的可接入节点的频点；前向选择权值最高的频点，其中权值的计算考虑信道的干扰情况+信噪比。
具体来说，新节点(新加入链状网的节点)在未入网之前、上电之后处于接收状态，进行频点扫描，根据检测到的广播信号强度，选择后向频点。再根据前向频点选取规则，选择干扰子载波数最少的频点作为前向频点。
频点扫描时，先执行干扰检测。若无干扰存在，则直接进入后续信号处理。若有干扰存在，则先进行干扰消除，再进入后续信号处理，根据可用频点列表依次扫描各频点。
可用频点列表是指每个节点可以选择使用的频点列表，它可以通过网管或配置文件进行配置，也可以根据一定规则计算得到。
当扫描到某一频点时，扫描过程会先进行干扰检测。对接收信号进行N点FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)，N为系统的子载波数。由于模拟广播电视信号的色度信号一直是跳动变化的，仅根据单次运算会带来较大误差，因此通过多次取平均值的方法来减小误差。在模拟广播电视亮度信号、色度信号、伴音信号载频子载波处采用开窗法，通过窗内频域功率与设定阈值的比较，来判定该载频处是否存在强干扰。若某载频窗内存在子载波功率超过阈值，就记录下载频子载波索引及超过阈值的子载波数目。根据记录的子载波索引，对时域信号进行频谱搬移、滤波、频谱反搬移，滤除所有强干扰。滤除干扰后，计算信号功率。利用数字AGC(Automatic Gain Control，自动增益控制)将信号功率恢复至参考值附近，再进行同步及后续处理。
若在某频点检测到广播的系统消息，记录的信号功率就是有效信号强度。若未检测到，那么记录的是噪声功率。
由于新节点可能收到多个节点、多个频点上广播的系统消息，因此根据多个广播信号的功率，选择在信号最强的频点上发出接入请求。若长时间未得到响应接入，再选择在信号强度次之的频点上发出接入请求，直至收到响应。根据接收到的响应消息，新节点可知其位于响应节点的前向或后向。若是新节点位于响应节点的前向，则选择该频点，并完成后续接入，此时新节点的后向频点确定。若是新节点位于响应节点的后向，则重新选择在其他频点上发出接入请求。
经过干扰检测，可以得到前向与后向可用频点的干扰子载波数。后向频点确定后，依据前向可用频点的干扰子载波数来选择前向频点。规则为：1)根据频点干扰子载波数最小原则，选取干扰子载波数最少的频点。当干扰子载波数相同时，选择噪声功率低的频点作为前向频点。2)选取的前向频点不能与该节点的后向频点相同或相邻。
下面将结合附图及具体实施案例对本发明的技术方案进行更为详细的说明。
本发明实施例中的无线链状网络工作在600MHz-700MHz，可用频点为(610+5n)MHz，其中n＝0,1,…,11,16，每个频点带宽20MHz，子载波数256，有效子载波数200。接收端采用零中频方案，采样率20MHz。
图1所示的是模拟广播电视信号频谱结构，图中a为图像载频，b为副载频，c为伴音载频。信号能量主要集中在图像载频、色度副载频、伴音载频附近，其中图像载频也就是亮度载频幅度最大，伴音次之，色度最小。
图2所示的是新插入的“NEW”节点加在链路的末尾处，第N节点在前向频点f1上广播系统消息，在本实施例中广播频点f1＝625MHz。“NEW”节点会收到第N节点广播的系统消息，也可能会收到其他后向节点(如第N-1节点)广播的系统消息。“NEW”节点通过比较有效信号强度，选择强度较大的频点f1，在频点f1向第N节点发出接入请求，在收到第N节点的响应消息后，可知“NEW”节点位于第N节点的前向，由此确定“NEW”节点的后向频点为f1。
图3所示的是新插入的“NEW”节点加在链路的中间，第N-1节点与第N-2节点通过频点f1连接，“NEW”节点位于第N-1与第N-2节点之间，“NEW”节点可能同时收到第N-1与第N-2节点的广播消息，也有可能收到第N与第N-3节点广播的系统消息，不过第N和第N-3节点的信号强度要小于第N-1与第N-2节点。若第N-1节点的信号强，则在频点f1向第N-1节点发送接入请求。第N-1节点回复“NEW”节点的响应消息中会包含前后向信息，可以得知频点f1是第N-1节点的前向频点，因此可以接入。若第N-2节点的信号强，则先向第N-2节点发送接入请求，通过第N-2节点的响应消息可以得知频点f1是第N-2节点的后向频点，因此再向第N-1节点发送接入请求。
图4所示的是频点扫描过程。“NEW”节点在上电后，开始遍历可用频点列表执行频点扫描。先通过干扰检测，若不存在干扰，就将干扰子载波数记为零，并跳过干扰消除。若存在干扰，就定位出频点干扰位置并计算频点内干扰子载波数，通过干扰消除将强干扰处的信号进行滤除，再进行后续的信号处理。若不能够正确接收前向节点的接入帧，那么“NEW”节点会继续切换至下一频点直至能够正确接收。
图5所示的是干扰消除流程。
1)FFT求平均：当选择某一频点时，本发明实施例中选取10段接收数据，每段256点，再分别对每段数据进行256点的FFT，计算频域功率，并对结果取平均值。
2)干扰检测与定位：根据模拟广播电视亮度信号、色度信号、伴音信号载频列表可知，在频点f1±10MHz内，亮度信号有3处，载频分别位于615.25MHz、623.25MHz、631.25MHz；色度信号有2处，载频分别位于619.68MHz、627.68MHz；伴音信号有2处，载频分别位于621.75MHz、629.75MHz。由于采用零中频方案，接收下变频后的实际载频应减去f1。对上述载频采用开窗法，在亮度信号载频±0.75MHz内、色度信号载频±0.50MHz内、伴音信号载频±0.25MHz内搜索，比较频域功率与阈值的大小，若存在子载波频域功率大于阈值，则记录该载频位置及类型，完成干扰定位。
3)频谱搬移：计算干扰载频与频点f1的差值，对接收信号进行变频，将强干扰的频谱搬移至零频附近。
4)高通滤波器：利用IIR高通滤波器将干扰滤除，不同的类型的干扰使用不同的滤波器。对于亮度信号干扰使用通带频率0.75MHz的高通滤波器，对于色度信号干扰使用通带频率0.50MHz的高通滤波器，对于伴音信号干扰使用通带频率0.25MHz的高通滤波器，
5)频谱反搬移：将信号频谱搬移回原位置。
6)AGC：消除带宽内的模拟电视信号后，有用信号(即滤波后的到的信号)的幅度会降低，一旦滤掉较大的功率，信号幅度会出现很多小值，如果不对有用信号进行放大，则在后续信号的定点化处理过程中损失精度，导致接收性能下降。为了消除上述影响，采用数字自动增益控制将有用信号功率稳定在参考值附近。在本发明实施例中，假设设定的信号功率为P。首先可以从滤波后得到的信号中选取一段长度为1024的数据段，计算平均功率值Pavg，然后计算数字AGC对信号放大的倍数综合考虑硬件资源和性能问题，一般选取C是0.5的倍数即可。
当“NEW”节点的后向频点确定以后，“NEW”节点根据前向频点干扰子载波数以及前向频点选取规则，选择干扰子载波数最少的频点作为“NEW”节点的前向频点。
以上本发明实施例对提供的无线链状拓扑网络节点的频点选择方法进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。依据本发明的思想，在具体实施上会有不同之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.无线链状拓扑网络节点的频点选择方法，其特征是：
a、新节点在未入网之前、上电之后处于接收状态，进行频点扫描，频点扫描时先执行干扰检测，确定当前扫描的频点是否存在干扰，及干扰的具体位置，若无干扰存在，则直接进入后续信号处理，若有干扰存在，则先进行干扰消除，获取实际信号强度及信噪比，再进入后续信号处理，根据可用频点列表依次扫描各频点；
b、基于频点扫描结果选择后向频点和前向频点，其中，根据检测到的广播信号强度选择后向频点，再根据前向频点选取规则选择干扰子载波数最少的频点作为前向频点。
2.如权利要求1所述的无线链状拓扑网络节点的频点选择方法，其特征是，所述可用频点列表是指每个节点可以选择使用的频点列表，它可以通过网管或配置文件进行配置，或者根据设定规则计算得到。
3.如权利要求1所述的无线链状拓扑网络节点的频点选择方法，其特征是，当扫描到某一频点时，扫描过程会先进行干扰检测，对接收信号进行N点快速傅里叶变换，N为系统的子载波数；在模拟广播电视亮度信号、色度信号、伴音信号载频子载波处采用开窗法，通过窗内频域功率与设定阈值的比较，来判定该载频处是否存在强干扰，若某载频窗内存在子载波功率超过阈值，就记录下载频子载波索引及超过阈值的子载波数目；根据记录的子载波索引，对时域信号进行频谱搬移、滤波、频谱反搬移，滤除所有强干扰，滤除干扰后，计算信号功率，利用数字自动增益控制将信号功率恢复至参考值附近，再进行同步及后续处理。
4.如权利要求3所述的无线链状拓扑网络节点的频点选择方法，其特征是，若在某频点检测到广播的系统消息，记录的信号功率就是有效信号强度，若未检测到广播的系统消息，那么记录的是噪声功率。
5.如权利要求3所述的无线链状拓扑网络节点的频点选择方法，其特征是，模拟广播电视信号的色度信号一直是跳动变化的，因此通过多次取平均值的方法来减小误差。
6.如权利要求1所述的无线链状拓扑网络节点的频点选择方法，其特征是，新节点有可能收到多个节点、多个频点上广播的系统消息，因此根据多个广播信号的功率，选择在信号最强的频点上发出接入请求；若长时间未得到响应接入，再选择在信号强度次之的频点上发出接入请求，直至收到响应；根据接收到的响应消息，新节点可知其位于响应节点的前向或后向；若是新节点位于响应节点的前向，则选择该频点，并完成后续接入，此时新节点的后向频点确定；若是新节点位于响应节点的后向，则重新选择在其他频点上发出接入请求。
7.如权利要求1所述的无线链状拓扑网络节点的频点选择方法，其特征是，经过干扰检测可以得到前向与后向可用频点的干扰子载波数，后向频点确定后，依据前向可用频点的干扰子载波数来选择前向频点，前向频点选取规则为：1）根据频点干扰子载波数最小原则，选取干扰子载波数最少的频点，当干扰子载波数相同时，选择噪声功率低的频点作为前向频点；2）选取的前向频点不能与该节点的后向频点相同或相邻。
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