CN110213829A - 一种基于频点替换的专用自组网抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于频点替换的专用自组网抗干扰方法，该方法包括如下步骤：(1)通过被干扰节点的广播对干扰信息进行收集和处理；(2)通过划分节点类型，对受干扰影响的有限域内节点的被干扰频点所在时隙进行半时隙频点替换，保证安全工作模式下资源的有效利用；(3)通过检测干扰变化信息，实时自适应进行抗干扰流程，实现基于频点独立的工作模式切换；本发明充分利用了在干扰条件下的专用自组网通信信道和时间资源，满足基于跳频的无人系统专用自组网安全、可靠、抗干扰的通信需求。

Description

一种基于频点替换的专用自组网抗干扰方法

技术领域

本发明涉及一种基于频点替换的专用自组网抗干扰方法，尤其涉及利用频点替换对抗复杂环境下动态干扰的应对方法，和针对有限干扰域场景，减少传输消耗的资源分配优化方法。

背景技术

随着传感器技术、网络技术、人工智能技术的发展，由大量人工个体组成用于完成特定任务的大规模无人系统正得到越来越广泛的应用。在工业上利用传感器网络，由大量机器人组成的人工系统用于危险物品的检查、收集和搬运，在水下、陆地和太空等危险或复杂环境中进行探测、监视；在军事上利用大量微型传感器网络机器人撒布在特定区域，从而在大范围时空域内进行实时监控、态势感知，甚至协同攻击；由大规模无人机、无人舰艇和机器人等代替进行工作任务处理、侦察和作战，可以最大限度地提升任务效率、减少人员风险。而这些群体协作无人系统能够在野外任何没有4G、5G等预布置网络环境下顺利精确地相互交互、协同工作，连接它们之间自组织通信网络是关键技术之一。

随着群体协作无人系统应用与发展，未来自组织通信网络节点规模将越来越大、业务信息量也越来越丰富，群体协同组网的安全性和可靠性也会越来越高。自组织网络在应用环境下受到蓄意电磁干扰、多种随机干扰时，将会导致网络出现误码、阻塞、甚至崩溃等情况。

现有自组织网络如被无人机集群平台经常使用的IEEE 802.11等主流自组织网络协议，存在干扰条件下网络容量急剧恶化、网络稳定性差等问题，这会导致群体无人系统无法可靠、安全地协同工作。部分专用自组织网络系统主要采用跳扩频、调零天线等方法进行抗干扰，虽然点-对点通信模式时有效，但其抗干扰模式单一、效率低，尤其无法解决大规模组网应用时干扰条件下网络容量急剧恶化和稳定性差等问题。

本发明基于传统跳频专用自组网系统，提供一种网络层抗干扰方法，该方法可提供传统固定式跳频和自适应跳频等技术无法解决的，更可靠、安全的连接，和频点资源、时隙资源的优化分配，实现无人系统专用自组网的稳定运行。

发明内容

本发明的目的是针对无人系统恶劣环境、复杂动态干扰场景下的专用自组网通信问题，提供一种抗干扰方法，该方法可提供传统固定式跳频和自适应跳频等技术无法解决的，更可靠、安全的连接，和频点资源、时隙资源的优化分配，实现无人系统专用自组网的稳定运行。

为了达到上述目的，本发明采用部分受干扰节点切换到安全工作模式的方法，技术方案如图1所示，具体过程如下：

(1)干扰信息的收集和处理

(1.1)干扰频点发现：设定物理层具有识别频点被干扰的能力，干扰频点的发现包括：节点物理层检测发现并通知网络层，或一定时间内节点网络层无法收到邻居节点周期性消息。

(1.2)干扰频点广播：干扰频点发现后，被干扰节点利用最近可用时隙发送频点干扰状态帧，帧内容包含自身干扰频点信息、可用频点信息、节点属性、是否切到安全工作模式。其中干扰频点信息指的是频点干扰的情况，可用频点信息指的是一跳或二跳邻居节点频点干扰导致的不可共用情况。

(1.3)干扰信息处理：收到频点干扰状态帧的节点，更新自身频点状态表，并在最近可用时隙发送频点干扰状态回复帧。一旦某节点收到所有一跳邻居的频点干扰状态回复帧，则整合频点状态表，并根据上述信息进行节点类型的判断。

(2)基于节点类型的干扰频点替换

(2.1)节点类型判断：节点类型根据被干扰情况判断。跳频场景下，每个频点的节点类型独立划分。针对当前干扰频点，通过参考频点状态表划分节点类型，具体类型包括：

(2.1.1)干扰中心节点：干扰中心节点指的是，针对当前干扰频点，自身及所有邻居都被干扰。

(2.1.2)干扰边缘节点：干扰边缘节点指的是，针对当前干扰频点，自身被干扰了，但存在邻居节点没有被干扰。

(2.1.3)干扰附近节点：干扰附近节点指的是，针对当前干扰频点，存在邻居节点被干扰。

(2.1.4)普通附近节点：普通附近节点指的是，针对当前干扰频点，存在邻居节点是干扰附近节点。

(2.1.5)普通节点：普通节点指的是，针对当前干扰频点，不属于上述类型的节点。

(2.2)频点替换：在干扰中心节点、干扰边缘节点、干扰附近节点三类节点的有限域内进行频点替换信息的选择和扩散，如图2所示。其过程包括：根据频点状态表，选择自身和邻居节点可用频点的交集，并在最近的可用时隙发送频点干扰状态帧。在收到所有邻居节点的可用频点帧后再次选择交集，并在最近的可用时隙发送，直到发生两次交集一致为止。在该交集中选择第一个频点作为被干扰频点的替换频点。

(2.3)进入安全工作模式：所有节点在规定时间点切换到安全工作模式。安全工作模式下原被干扰频点占用的时隙变为两个的半时隙，即最小时隙为原先的一半，不同节点类型的半时隙频点替换情况和通信对象有所区别，如图3所示。其中干扰中心节点原先时隙的前一半替换为新的频点，完成与所有邻居节点通信；干扰边缘节点原先时隙的前一半使用替换频点，可以完成与干扰中心节点的通信，后一半使用替换频点，可以完成与干扰附近节点的通信，整个时隙均可与同级干扰边缘节点通信；干扰附近节点原先时隙的前一半使用原频点，可以完成与普通附近节点的通信，后一半使用替换频点，可以完成与干扰边缘节点的通信，整个时隙均可与同级干扰附近节点通信；普通附近频点原先时隙的前一半使用原频点，可以完成与干扰附近节点的通信，后一半使用原频点，可以完成与普通节点的通信，整个时隙均可与同级普通附近节点通信。

(3)动态变化干扰的自适应流程：当检测到干扰变化时，有以下可能

(3.1)当前频点干扰消失：此时，在最近可用时隙广播频点干扰状态帧传播干扰消失信息，并根据收到的邻居干扰消失信息，更新频点状态表，再次判断节点类型，如果是普通或普通附近节点则进入正常工作模式，如果仍然是干扰附近节点，则重新选择替换频点并进入安全工作模式

(3.2)出现新的干扰频点：不同频点间的节点类型独立，因此出现新的干扰频点时再次进入步骤(1)节点被干扰的循环。

本发明具有的有益效果是：通过半时隙的设置、节点类型的划分和安全工作模式等设计，针对无人系统专用自组网的有限干扰域场景，在实现抗干扰方法的同时，避免干扰频点信息的全网扩散，兼顾优化了时隙资源利用率；通过频点独立判断节点类型的方案，针对跳频系统多频点被干扰场景，实现了频点替换和干扰动态变化的自适应，即使在最恶劣的只有单频点可用的情况下，也可正常工作；该抗干扰方法与路由协议相关性低，在此基础上设计路由自由度较大。

附图说明

图1是专用自组网抗干扰方案示意图；

图2是替换频点扩散与选择示意图；

图3是安全模式半时隙分配示意图；

图4无人系统工作场景示意图；

图5频点干扰状态帧设计图；

图6频点状态表示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案和优点变得更加清晰，接下来将结合附图对技术方案的具体实施方式作更加详细地说明：

设计一个基于跳频的无人系统自组网工作场景，节点数40，拥有F1、F2、F3、F4四个频点，优选1个时隙为1ms，网内所有节点按照固定随机频点随时隙跳频。设计共有两个干扰域J-1、J-2，分别干扰F1和F2两个频点，J-1在t1时间出现、t3时间消失，J-2在t2时间出现、t4时间消失，时间和空间上存在重叠。

(1)干扰信息的收集和处理

(1.1)干扰频点发现

干扰源J-1在t1时刻出现，如图4(a)所示，干扰区域如虚线圈所示。序号为3、4、6、7、10、11、12、13、15的节点F1频点被干扰，在自组网跳频到F1时，以上节点无法正常工作，因此发现频点F1被干扰。

(1.2)干扰频点广播

被干扰频点在发现干扰后，利用最近可用时隙(非跳频到F1的时隙)发送频点干扰状态帧，帧结构如图5所示。其中自身频点信息表征频点是否被干扰，可用频点信息表征频点是否由于其他原因不可用，比如节点为某频点的干扰附近节点，该频点用于另一个被干扰频点的替换频点会导致此节点与某些邻居节点的通信失败。

收到频点干扰状态帧的节点，利用最近可用时隙(非跳频到F1的时隙)发送频点干扰状态回复帧，此类节点为干扰附近节点，只改变可用频点信息，自身频点信息不改。

(1.3)干扰信息处理

收到频点干扰状态帧及回复帧的节点，更新频点状态表，如图6所示。节点自身和可用频点均填1；收到邻居节点x的频点状态回复帧，则x的自身频点填0，可用频点填1；收到邻居节点y…m的频点状态帧和回复帧，根据内容，y…m自身和可用频点均填1；根据所有邻居节点的自身频点和可用频点情况，判断节点类型。

(2)基于节点类型的干扰频点替换

(2.1)节点类型判断

∏状态表中自身频点状态＝1，则本节点是干扰中心节点；∏状态表中自身频点状态＝0且∏状态表中可用频点状态＝1，则本节点是干扰边缘节点；∏状态表中自身频点状态＝0且∏状态表中可用频点状态＝0且本节点状态＝01，则本节点是干扰附近节点；∏状态表中自身频点状态＝0且∏状态表中可用频点状态＝0且本节点状态＝00且存在邻居节点状态为01，则本节点是普通附近节点。本节点未收到任何频点干扰状态帧，则为普通节点。

如图4(a)所示节点，4、7、11为干扰中心节点，3、6、10、12、13、15为干扰边缘节点，2、5、9、16、17、18、19、20、21为普通边缘节点，1、8、14、22、25、28为普通附近节点。

各节点根据判断的结果，对外再发送一次频点干扰状态帧。

(2.2)频点替换

在干扰中心节点、干扰边缘节点、干扰附近节点三类节点内部进行频点替换信息的扩散。其过程如图2。根据节点状态判断阶段频点1的干扰中心节点、干扰边缘节点、干扰附近节点可用频点为F2、F3、F4。因此优选F2作为替代频点。

(2.3)进入安全模式

干扰中心节点的单个时隙分为2个半时隙，前半个时隙改为使用替换频点F2，可用于对干扰边缘节点和干扰中心节点的通信，后半个时隙留空；干扰边缘节点的前半个时隙改为使用替换频点F2，可用于对干扰中心节点和对干扰边缘节点通信，后半个时隙也改为使用替换频点F2，可用于对干扰附近节点和干扰边缘节点通信；干扰附近节点的前半个时隙保留使用原频点F1，可用于对普通附近节点和对干扰附近节点通信，后半个时隙改为使用替换频点F2，可用于对干扰边缘节点和干扰附近节点通信；普通附近节点的前半个时隙保留使用原频点F1，可用于对普通附近节点和对干扰附近节点通信，后半个时隙保留使用原频点F1，可用于对普通节点和普通附近节点通信。

(3)干扰动态变化的自适应

(3.1)当t2时刻检测到干扰变化，发现部分节点的频点F2被干扰，如图4(b)所示。此时，重复(2)-(6)的过程，其中，频点替换存在特殊性，从F2的干扰中心节点、干扰边缘节点、干扰附近节点开始扩散，从图4(b)中可以看出，部分F2的特殊节点(本发明中的特殊节点指区别于普通节点的其它节点)与F1的特殊节点重合，如13节点即是F2的干扰中心节点也是F1的干扰边缘节点，因此经过若干次扩散迭代选择F3为两个干扰节点的替换频点。

(3.2)当t3时刻检测到干扰变化，发现频点F1的干扰消失，如图4(c)所示。此时干扰中心节点和干扰边缘节点对邻居节点广播干扰消失信息，根据广播后收到的信息，判断自己的节点类型，如果在该F1频点上已经不属于安全模式下的特殊节点则在该F1频点进入正常工作模式，即不区分半时隙。

(3.3)当t4时刻检测到干扰变化，发现频点F2的干扰消失，如图4(d)所示。此时干扰中心节点和干扰边缘节点对邻居节点广播干扰消失信息，根据广播后收到的信息，判断自己的节点类型，如果在该F2频点上已经不属于安全模式下的特殊节点则在该F2频点进入正常工作模式，即不区分半时隙。

本发明是一种应用于无人系统的专用自组网抗干扰方法。针对专用自组网的特点和需求设计抗干扰方法，我们要求将作为发明进行保护。以上所述仅为特定应用场合的具体实施方式，但本发明的真实精神和范围不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员可以修改、等同替换、改进等，实现不同应用场合的抗干扰方法。本发明由权利要求书及其等效技术方案来限定。

Claims (3)

1.一种基于频点替换的专用自组网抗干扰方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)干扰信息的收集和处理

(1.1)干扰频点发现：节点物理层检测发现干扰频点并通知网络层，或一定时间内节点网络层无法收到邻居节点周期性消息，则认为节点的部分频点被干扰；

(1.2)干扰频点广播：干扰频点发现后，被干扰节点利用最近可用时隙发送频点干扰状态帧，帧内容包含自身干扰频点信息、可用频点信息、节点属性、是否切到安全工作模式；其中干扰频点信息指的是频点干扰的情况，可用频点信息指的是一跳或二跳邻居节点频点干扰导致的不可共用情况；

(1.3)干扰信息处理：收到频点干扰状态帧的节点，更新自身频点状态表，并在最近可用时隙发送频点干扰状态回复帧，一旦某一节点收到所有一跳邻居的频点干扰状态回复帧，则该节点整合频点状态表，并进行节点类型的判断；

(2)基于节点类型的干扰频点替换

(2.1)节点类型判断：节点类型根据被干扰情况判断，跳频场景下，每个频点的节点类型独立划分，针对当前干扰频点，通过参考频点状态表划分节点类型

(2.2)频点替换：在干扰中心节点、干扰边缘节点、干扰附近节点三类节点的有限域内进行频点替换信息的选择和扩散；其过程包括：根据频点状态表，选择自身和邻居节点可用频点的交集，并在最近的可用时隙发送频点干扰状态帧，在收到所有邻居节点的可用频点帧后再次选择交集，并在最近的可用时隙发送，直到发生两次交集一致为止；在该交集中选择第一个频点作为被干扰频点的替换频点；

(2.3)进入安全工作模式：所有节点在规定时间点切换到安全工作模式，安全工作模式下原被干扰频点占用的时隙变为两个的半时隙，即最小时隙为原先的一半，其中干扰中心节点原先时隙的前一半替换为新的频点，完成与所有邻居节点通信；干扰边缘节点原先时隙的前一半使用替换频点，可以完成与干扰中心节点的通信，后一半使用替换频点，可以完成与干扰附近节点的通信，整个时隙均可与同级干扰边缘节点通信；干扰附近节点原先时隙的前一半使用原频点，可以完成与普通附近节点的通信，后一半使用替换频点，可以完成与干扰边缘节点的通信，整个时隙均可与同级干扰附近节点通信；普通附近频点原先时隙的前一半使用原频点，可以完成与干扰附近节点的通信，后一半使用原频点，可以完成与普通节点的通信，整个时隙均可与同级普通附近节点通信；

(3)动态变化干扰的自适应流程：当检测到干扰变化时，

(3.1)若当前频点干扰消失：此时，在最近可用时隙广播频点干扰状态帧传播干扰消失信息，并根据收到的邻居干扰消失信息，更新频点状态表，再次判断节点类型，如果是普通或普通附近节点则进入正常工作模式，如果仍然是干扰附近节点，则重新选择替换频点并进入安全工作模式；

(3.2)若出现新的干扰频点：不同频点间的节点类型独立，因此出现新的干扰频点时再次进入步骤(1)节点被干扰的循环。

2.根据权利要求1所述的基于频点替换的专用自组网抗干扰方法，其特征在于所述的步骤(2.1)中的节点类型具体包括：

(2.1.1)干扰中心节点：干扰中心节点指的是，针对当前干扰频点，自身及所有邻居都被干扰；

(2.1.2)干扰边缘节点：干扰边缘节点指的是，针对当前干扰频点，自身被干扰了，但存在邻居节点没有被干扰；

(2.1.3)干扰附近节点：干扰附近节点指的是，针对当前干扰频点，存在邻居节点被干扰；

(2.1.4)普通附近节点：普通附近节点指的是，针对当前干扰频点，存在邻居节点是干扰附近节点；

(2.1.5)普通节点：普通节点指的是，针对当前干扰频点，不属于上述类型的节点。

3.根据权利要求1所述的基于频点替换的专用自组网抗干扰方法，其特征在于所述的步骤(2.2)中：针对干扰频点的动态变化和跳频系统的特征，通过动态频点信息扩散广播方法，采用区分干扰频点信息和可用频点信息，实时更新频点状态表，实现独立处理每个频点状态的策略。