CN108282190B - 双向跳频与概率同时同频全双工结合的通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双向跳频与概率同时同频全双工结合的通信方法，解决了现有技术跳频系统中频谱利用率较低和同时同频全双工抗干扰不强的问题。本发明的具体步骤包括：首先，终端节点采用正交相移键控QPSK方法调制信号；其次，将调制后的信号进行两次快慢跳频；再次，终端结点计算进行同时同频全双工传输的概率；最后，终端结点将需要进行自干扰消除的信号进行自干扰消除，之后进行解跳和解调得到发射的信号。本发明适用于在同一时间和同一频率上进行信号的发射和接收的相互通信，提高了协作通信系统的频率利用率和抗干扰性。

Description

双向跳频与概率同时同频全双工结合的通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的一种双向跳频与概率同时同频全双工结合的通信方法。本发明可用于无线移动通信的协作传输系统中电台之间在同一时间和同一频率上进行信号的发射和接收的相互通信。

背景技术

随着跳频无线通信中带宽越来越宽，而实际对应的可用频谱资源却越来越少，人们开始研究能最大化利用频谱资源的方法。全双工技术在同一时间和同一频段上进行信号的发射和接收，因此它能最大可能地提高未来无线通信网络的频谱资源利用率，但其存在严重的自干扰问题，这限制了全双工系统性能地提升。而随着当前研究自干扰消除技术的成熟，且相应的自干扰信号消除的带宽也越来越宽，这使得跳频与同时同频全双工相结合的通信机制成为可能，不仅可以解决频率利用率不足的情况，而且可以使得系统的抗干扰性和抗侦听性增强。然而由于跳频技术与同时同频全双工技术的结合需要考虑自干扰信号的消除，因此需要解决如何设计合理的带宽来进行自干扰消除的问题。

Hongzhi Zhao等人在其发表的论文“Performance analysis of RF self-interference cancellation in broadband full duplex systems”(CommunicationsWorkshops(ICC),2016IEEE International Conference on,2016,pp.175-179)中公开了一种影响自干扰消除参数的方法。该方法首先对中心频率进行固定，以保证接收的信号的频率不会改变。接着对系统传输速率、信号带宽、载波频率、自干扰消除结构的多抽头延迟和多路径延迟的自干扰信道等参数进行仿真。之后分析了信号带宽对自干扰消除的影响，最后理论分析和仿真得到自干扰消除与信号带宽的关系。该方法存在的不足之处是：分析的条件局限于固定中心频率的同时同频全双工系统，无法应用于中心频率可变的复杂环境中。

西安电子科技大学在其申请的专利文件“认知跳频通信抗干扰容限确定方法”(申请号：201610056611.7公开号：CN105743541A)中提出了一种基于认知理论下的跳频通信抗干扰容量确定的方法。该方法的具体步骤是：第一.该方法工作在传统的时分全双工模式下，第二，确定和配置认知跳频通信系统的参数；第三.加入噪声后，终端节点利用认知理论得到认知跳频通信系统的误比特率；第四，终端节点利用漏警概率、虚警概率和链路会合时延三个因素得出认知跳频系统的抗干扰容量的公式。该方法存在的不足之处在于：该方法适用于传统的时分双工模式下，在同一时间和同一频率上进行信号的发射和接收时由于误码率太高而不再适用，整个跳频通信系统的频谱利用率没有得到充分的利用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种双向跳频与概率同时同频全双工结合的通信方法。通过本发明的方法可获得跳频技术的抗干扰性和同时同频全双工技术的高频率利用率。

实现本发明目的的具体思路是：通过对发射信号进行两次跳频，第一次跳频是快速跳频，第二次跳频是慢速跳频，跳频之后的信号工作于概率同时同频全双工传输系统下，接收端在每一次慢跳频的时间内进行自干扰消除后进行二次解跳，最终得到终端结点的发射信号。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

(1)终端节点调制待跳频的信号：

(1a)利用正交相移键控QPSK方法，终端节点1和终端节点2分别对待跳频的信号进行调制；

(1b)将终端节点1调制后的信号传递给第一频率合成器，将终端节点2调制后的信号传递给第二频率合成器；

(2)对调制后的信号进行两次跳频处理：

(2a)利用跳变时间公式，分别计算两次跳频的跳变时间；

(2b)在第一次跳变时间T₁内，对第一频率合成器中调制后的信号进行第一次跳频处理，将处理后的信号输入到第三频率合成器；在第二次跳变时间T₂内，对第三频率合成器中的第一次跳频后的信号，进行第二次跳频处理，将第二次跳频后的信号发送给终端节点2；

(2c)在第一次跳变时间T₁内，对第二频率合成器中调制后的信号进行第一次跳频处理，将处理后的信号输入到第三频率合成器，在第二次跳变时间T₂内，对第三频率合成器中的第一次跳频后的信号；进行第二次跳频处理，将第二次跳频后的信号发送给终端节点1；

(3)采用最小均方误差估计方法，估计每个终端节点的环路信道参数；

(4)按照下式，计算两个终端节点进行同时同频全双工传输的概率：

其中，ρ_p1,p2表示两个终端节点进行同时同频全双工传输的概率，L表示第一频率合成器和第二频率合成器中离散的二进制双极性信号序列的长度，∑表示求和操作，j表示第一频率合成器中离散的二进制双极性信号序列位置的序号，h[·]表示卷积操作，p₁表示第一频率合成器中离散的二进制双极性信号序号，p₂表示第二频率合成器中离散的二进制双极性信号序列，τ表示循环移位器的位置序号；

(5)按照下式，计算每个终端节点拟进行抵消自身回路干扰的信号序列：

其中，G_v(i)表示第i个时隙时第v个终端节点拟进行抵消自身回路干扰的信号序列，v的取值1或者2，L表示每个终端节点接收一帧信号的长度，I表示每个终端节点接收一帧信号的增益，其取值相同范围为[1,10]，R_v(i)表示每个终端节点在第i个时隙接收天线接收的信号；

(6)终端节点抵消自身回路干扰：

(6a)终端节点2通过接收天线接收包含终端节点1和终端节点2发射的信号，终端节点1通过接收天线，接收包含终端节点1和终端节点2发射的信号；

(6b)利用自干扰消除公式，将工作在同时同频全双工下的终端节点1和终端节点2进行自身回路干扰抵消，得到终端节点1和终端节点2自干扰消除后的信号；

(7)终端节点进行解跳：

(7a)将终端节点1的自干扰消除后的信号，输入到第一个频率合成器进行第一次解跳处理，将第一次解跳后的信号输入到第三个频率合成器进行第二次解跳处理，将第二次解跳后的信号发送给待解调模块；

(7b)将终端节点2的自干扰消除后的信号，输入到第二个频率合成器进行第一次解跳处理，将第一次解跳后的信号输入到第三个频率合成器进行第二次解跳处理，将第二次解跳后的信号发送给待解调模块；

(8)终端节点进行解调：

(8a)将终端节点1解跳后的信号进行非相干解调，得到最终的2发射的信号；

(8b)将终端节点2解跳后的信号进行非相干解调，得到最终的1发射的信号。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，由于本发明通过计算终端节点进行同时同频全双工的概率，使得本发明能够在不同的概率状态下，终端节点不仅可以工作在传统的双工模式，而且还可以工作在同时同频全双工模式，克服了现有技术由于仅工作在传统的双工模式下，导致跳频通信系统的频谱利用率没有得到充分利用的不足，使得本发明提高了跳频系统的频谱利用率。

第二，由于本发明将调制后的终端结点信号进行两次跳频，通过两次不同跳变时间处理，选取其中长的跳变时间进行环路自干扰抵消，克服了局限于固定中心频率的同时同频全双工系统，无法应用于中心频率可变的复杂环境中的不足，使得本发明提高了系统的抗干扰性和抗截获性。

附图说明

图1为本发明通信场景的示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，对本发明的工作场景下做进一步的描述。

图1中的T1表示终端节点1，T2表示终端节点2。h₁₁表示终端节点T1的环路信道参数，h₁₂表示终端节点T1到终端节点T2的信道参数，h₂₂表示终端节点T2的环路信道参数，h₂₁表示终端节点T2到终端节点T1的信道参数，图1中的虚线表示环路信道，实线表示终端节点之间接收信号经过的信道。两个终端节点都采用概率同时同频全双工工作模式，每个终端节点都有两根天线，一根用来发射信号，一根用来接收信号。终端节点T1在每个通信时隙内，通过发射天线向终端节点T2发射经过两次跳频后的信号，终端节点T2接收来自终端节点T1的信号。在终端节点T1发射信号的同时，端节点T2在每个通信时隙内，通过发射天线向终端节点T1发射信号，终端节点T1接收来自终端节点T2的信号。

参照图2，对本发明的实现步骤做进一步的描述。

步骤1，终端节点调制待跳频的信号。

利用正交相移键控QPSK方法，终端节点1和终端节点2分别对待跳频的信号进行调制。

将终端节点1调制后的信号传递给第一频率合成器，将终端节点2调制后的信号传递给第二频率合成器。

其中，H_k表示第K个频率合成器，K的取值为1或者2，f_c表示每个频率合成器的固定频率，当K＝1或K＝2时，取值范围都为[f₁₁,f₁₂]，f₁₁表示频率合成器合成的最低频率，f₁₂表示频率合成器合成的最高频率，∑表示求和操作，N表示每个合成器输入的离散二进制双极性序列信号的总长度，n表示第一频率合成器与第二频率合成器合成时输入的离散二进制双极性信号序列中的位置，m表示为合成第一频率合成器与第二频率合成器的移位器数量，j表示移位器序号，p_k(·)表示合成第一频率合成器与第二频率合成器输入的离散二进制双极性信号序列，Q表示第一频率合成器或第二频率合成器控制的跳频总数，B_s表示第一频率合成器或第二频率合成器控制的跳频带宽。

步骤2，对调制后的信号进行两次跳频处理。

利用跳变时间公式，分别计算两次跳频的跳变时间。

T_h＝β_hT_c,

其中，T_h表示第h次跳频的跳变时间，h的取值等于1或者2，当h＝1时，T₁表示第1次跳频的跳变时间，当h＝2时，T₂表示第2次跳频的跳变时间，β_h表示第h次跳频的跳变常数，当h＝1时，β₁表示第1次跳频的常数，其取值为大于1的整数,当h＝2时，β₂表示第2次跳频的常数，其取值为(0,1]，T_c表示两个终端节点中任意一个终端节点传输一个信号的时间。

在第一次跳变时间T₁内，对第一频率合成器中调制后的信号进行第一次跳频处理，将处理后的信号输入到第三频率合成器；在第二次跳变时间T₂内，对第三频率合成器中的第一次跳频后的信号，进行第二次跳频处理，将第二次跳频后的信号发送给终端节点2。

在第一次跳变时间T₁内，对第二频率合成器中调制后的信号进行第一次跳频处理，将处理后的信号输入到第三频率合成器，在第二次跳变时间T₂内，对第三频率合成器中的第一次跳频后的信号；进行第二次跳频处理，将第二次跳频后的信号发送给终端节点1。

其中，H₃表示第三频率合成器，f_c'表示第三频率合成器的固定频率，其取值范围为[f₂₁,f₂₂]，f₂₁表示第三频率合成器合成的最低频率，f₂₂表示第三频率合成器合成的最高频率，N'表示第三频率合成器输入的离散二进制双极性序列信号的总长度，n表示第三频率合成器合成前输入的离散二进制双极性信号序列中的位置，m'为合成第一频率合成器与第二频率合成器的移位器数量，j表示移位器序号，p₃(·)表示合成第三频率合成器离散输入的二进制双极性序列信号，Q'表示第三频率合成器控制的总跳数，B表示第三频率合成器控制的跳频带宽。

步骤3，采用最小均方误差估计方法，估计每个终端节点的环路信道参数。

所述的终端节点环路信道参数包括终端节点1与终端节点2链路的信道参数、终端节点2与终端节点1链路的信道参数、终端节点1的环路信道参数、终端节点2的环路信道参数，终端节点1的时延、终端节点2链路的时延，共六种参数。

步骤4，按照下式，计算两个终端节点进行同时同频全双工传输的概率。

其中，ρ_p1,p2表示两个终端节点进行同时同频全双工传输的概率，L表示第一频率合成器和第二频率合成器中离散的二进制双极性信号序列的长度，∑表示求和操作，j表示第一频率合成器中离散的二进制双极性信号序列位置的序号，h[·]表示卷积操作，p₁表示第一频率合成器中离散的二进制双极性信号序号，p₂表示第二频率合成器中离散的二进制双极性信号序列，τ表示循环移位器的位置序号。

步骤5，按照下式，计算每个终端节点拟进行抵消自身回路干扰的信号序列。

其中，G_v(i)表示第i个时隙时第v个终端节点拟进行抵消自身回路干扰的信号序列，v的取值1或者2，L表示每个终端节点接收一帧信号的长度，I表示每个终端节点接收一帧信号的增益，其取值相同范围为[1,10]，R_v(i)表示每个终端节点在第i个时隙接收天线接收的信号。

步骤6，终端节点抵消自身回路干扰。

终端节点2通过接收天线接收包含终端节点1和终端节点2发射的信号，终端节点1通过接收天线，接收包含终端节点1和终端节点2发射的信号。

利用自干扰消除公式，将工作在同时同频全双工下的终端节点1和终端节点2进行自身回路干扰抵消，得到终端节点1和终端节点2自干扰消除后的信号。

所述的将工作在同时同频全双工下的终端节点1和终端节点2进行自身环路干扰抵消是按照下式完成的：

R_v(i)＝G_v(i)-ρ_p1,p2·h_vv·y_v(i)

其中，R_v(i)表示第i个时隙时第v个终端节点自身环路干扰抵消后的信号，v的取值等于1或者2，G_v(i)表示第i个时隙时第v个终端节点拟进行抵消自身回路干扰的信号序列，·表示相乘操作，h_vv表示采用最小均方误差估计方法估计的终端节点环路信道参数，y_v(i)表示第v个终端节点第i个时隙通过发射天线发射的信号。

步骤7，终端节点解跳。

将终端节点1的自干扰消除后的信号，输入到第一个频率合成器进行第一次解跳处理，将第一次解跳后的信号输入到第三个频率合成器进行第二次解跳处理，将第二次跳频后的信号发送给待解调模块。

将终端节点2的自干扰消除后的信号，输入到第二个频率合成器进行第一次解跳处理，将第一次解跳后的信号输入到第三个频率合成器进行第二次解跳处理，将第二次跳频后的信号发送给待解调模块。

步骤8，终端节点进行解调。

将终端节点1解跳后的信号进行非相干解调，得到最终的2发射的信号。

将终端节点2解跳后的信号进行非相干解调，得到最终的1发射的信号。

下面结合附图3对本发明的效果做详细描述。

1.仿真条件：

本发明的仿真实验是在MATLAB 7.11软件下进行的。在本发明的仿真实验中，收发天线数为2，第一频率合成器和第二频率合成器控制的跳频数为64，每秒跳变5000次，第三频率合成器跳频数为8，每秒跳变100次，源节点采用正交移频键QPSK调制的方法对信源信号进行调制，调制得到的发射信号帧长M＝1024。源节点之间的信道和各节点的环路自干扰信道均为瑞利平坦衰落信道，两个源节点的剩余自干扰大小均为-40dB，各节点噪声方差相等，且均为-40dB。仿真信噪比范围为-30～10dB，仿真次数为10000次。

2.仿真内容及结果分析：

分别采用现有技术的时分双工模式通信方法和本发明的方法，对跳频通信系统平均误比特率相对于噪声和剩余自干扰信号进行仿真，仿真结果如图3所示。图3中的横轴表示终端节点的信干噪比，纵轴表示误比特率。图3中以三角标示的实线表示传统的全双工模式下的跳频通信系统进行传输获得的误比特率曲线，以三角标示的虚线表示概率同时同频全双工模式下的跳频通信系统进行传输获得的误比特率曲线。

从图3中可以看出，本发明采用的概率同时同频全双工模式的跳频通信系统的仿真图曲线与传统双工模式的跳频通信系统的仿真曲线基本重叠，所以说明本发明与现有技术的时分双工模式通信系统的误码率基本相同。仿真结果说明当环路自干扰消除到要求的范围内，本发明采用的概率同时同频全双工跳频通信系统与传统双工模式的跳频系统在信噪比相同且误码率相同的条件下，其频率利用率更高，能够缓解频谱紧张的要求。

Claims (6)

1.一种双向跳频与概率同时同频全双工结合的通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)终端节点调制待跳频的信号：

(1a)利用正交相移键控QPSK方法，终端节点1和终端节点2分别对待跳频的信号进行调制；

(1b)将终端节点1调制后的信号传递给第一频率合成器，将终端节点2调制后的信号传递给第二频率合成器；

(2)对调制后的信号进行两次跳频处理：

(2a)利用跳变时间公式，分别计算两次跳频的跳变时间；

(2b)在第一次跳变时间T₁内，对第一频率合成器中调制后的信号进行第一次跳频处理，将处理后的信号输入到第三频率合成器；在第二次跳变时间T₂内，对第三频率合成器中的第一次跳频后的信号，进行第二次跳频处理，将第二次跳频后的信号发送给终端节点2；

(2c)在第一次跳变时间T₁内，对第二频率合成器中调制后的信号进行第一次跳频处理，将处理后的信号输入到第三频率合成器，在第二次跳变时间T₂内，对第三频率合成器中的第一次跳频后的信号；进行第二次跳频处理，将第二次跳频后的信号发送给终端节点1；

(3)采用最小均方误差估计方法，估计每个终端节点的环路信道参数；

(4)按照下式，计算两个终端节点进行同时同频全双工传输的概率：

其中，ρ_p1,p2表示两个终端节点进行同时同频全双工传输的概率，L表示第一频率合成器和第二频率合成器中离散的二进制双极性信号序列的长度，∑表示求和操作，j表示第一频率合成器中离散的二进制双极性信号序列位置的序号，h[·]表示卷积操作，p₁表示第一频率合成器中离散的二进制双极性信号序号，p₂表示第二频率合成器中离散的二进制双极性信号序列，τ表示循环移位器的位置序号；

(5)按照下式，计算每个终端节点拟进行抵消自身回路干扰的信号序列：

其中，G_v(i)表示第i个时隙时第v个终端节点拟进行抵消自身回路干扰的信号序列，v的取值1或者2，L表示每个终端节点接收一帧信号的长度，I表示每个终端节点接收一帧信号的增益，其取值相同范围为[1,10]，R_v(i)表示每个终端节点在第i个时隙接收天线接收的信号；

(6)终端节点抵消自身回路干扰：

(6a)终端节点2通过接收天线接收包含终端节点1和终端节点2发射的信号，终端节点1通过接收天线，接收包含终端节点1和终端节点2发射的信号；

(6b)利用自干扰消除公式，将工作在同时同频全双工下的终端节点1和终端节点2进行自身回路干扰抵消，得到终端节点1和终端节点2自干扰消除后的信号；

(7)终端节点进行解跳：

(7a)将终端节点1的自干扰消除后的信号，输入到第一个频率合成器进行第一次解跳处理，将第一次解跳后的信号输入到第三个频率合成器进行第二次解跳处理，将第二次解跳后的信号发送给待解调模块；

(7b)将终端节点2的自干扰消除后的信号，输入到第二个频率合成器进行第一次解跳处理，将第一次解跳后的信号输入到第三个频率合成器进行第二次解跳处理，将第二次解跳后的信号发送给待解调模块；

(8)终端节点进行解调：

(8a)将终端节点1解跳后的信号进行非相干解调，得到最终的2发射的信号；

(8b)将终端节点2解跳后的信号进行非相干解调，得到最终的1发射的信号。

2.根据权利要求1所述的双向跳频与概率同时同频全双工结合的通信方法，其特征在于，步骤(1b)中所述第一频率合成器和第二频率合成器是由如下公式得到的：

其中，H_k表示第K个频率合成器，K的取值为1或者2，f_c表示每个频率合成器的固定频率，当K＝1或K＝2时，取值范围都为[f₁₁,f₁₂]，f₁₁表示频率合成器合成的最低频率，f₁₂表示频率合成器合成的最高频率，∑表示求和操作，N表示每个合成器输入的离散二进制双极性序列信号的总长度，n表示第一频率合成器与第二频率合成器合成时输入的离散二进制双极性信号序列中的位置，m表示为合成第一频率合成器与第二频率合成器的移位器数量，j表示移位器序号，p_k(·)表示合成第一频率合成器与第二频率合成器输入的离散二进制双极性信号序列，Q表示第一频率合成器或第二频率合成器控制的跳频总数，B_s表示第一频率合成器或第二频率合成器控制的跳频带宽。

3.根据权利要求1所述的双向跳频与概率同时同频全双工结合的通信方法，其特征在于，步骤(2a)中所述跳变时间公式如下：

T_h＝β_hT_c,

其中，T_h表示第h次跳频的跳变时间，h的取值等于1或者2，当h＝1时，T₁表示第1次跳频的跳变时间，当h＝2时，T₂表示第2次跳频的跳变时间，β_h表示第h次跳频的跳变常数，当h＝1时，β₁表示第1次跳频的常数，其取值为大于1的整数,当h＝2时，β₂表示第2次跳频的常数，其取值为(0,1]，T_c表示两个终端节点中任意一个终端节点传输一个信号的时间。

4.根据权利要求1所述的双向跳频与概率同时同频全双工结合的通信方法，其特征在于，步骤(2b)、步骤(2c)中所述第三频率合成器是按照如下的公式得到的；

其中，H₃表示第三频率合成器，f_c'表示第三频率合成器的固定频率，其取值范围为[f₂₁,f₂₂]，f₂₁表示第三频率合成器合成的最低频率，f₂₂表示第三频率合成器合成的最高频率，N'表示第三频率合成器输入的离散二进制双极性序列信号的总长度，n表示第三频率合成器合成前输入的离散二进制双极性信号序列中的位置，m'为合成第一频率合成器与第二频率合成器的移位器数量，j表示移位器序号，p₃(·)表示合成第三频率合成器离散输入的二进制双极性序列信号，Q'表示第三频率合成器控制的总跳数，B表示第三频率合成器控制的跳频带宽。

5.根据权利要求1所述的双向跳频与概率同时同频全双工结合的通信方法，其特征在于，步骤(3)中所述的终端节点环路信道参数包括终端节点1与终端节点2链路的信道参数、终端节点2与终端节点1链路的信道参数、终端节点1的环路信道参数、终端节点2的环路信道参数、终端节点1的时延、终端节点2链路的时延，共六种参数。

6.根据权利要求1所述的双向跳频与概率同时同频全双工结合的通信方法，其特征在于，步骤(6b)中所述自干扰消除公式如下：

R_v(i)＝G_v(i)-ρ_p1,p2·h_vv·y_v(i)

其中，R_v(i)表示第i个时隙时第v个终端节点自身环路干扰抵消后的信号，v的取值等于1或者2，G_v(i)表示第i个时隙时第v个终端节点拟进行抵消自身回路干扰的信号序列，·表示相乘操作，h_vv表示采用最小均方误差估计方法估计的终端节点环路信道参数，y_v(i)表示第v个终端节点第i个时隙通过发射天线发射的信号。