CN111342921A - 基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法、系统及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于跳频通信技术领域，公开了一种基于认知无线电的跳频通信频谱共享方法、系统及应用，认知跳频系统对周围电磁频谱使用状况进行实时感知，剔除其他用户信号或干扰所占用的频段，遴选没有干扰或较低干扰的频段作为传输信道，生成跳频图案进行通信；在通信过程中，对所有正在使用的工作信道进行监测，若发现待传信道中未出现干扰信号，则继续沿用原来的频率集进行通信，若发现出现干扰信号，则评估干扰信号对通信造成的损害，结合频谱感知结果，选择继续在现有信道上通信或者是跳转至另外的可用跳频信道进行通信。本发明可以提高跳频电台对电磁环境的适应性、增加频谱资源的利用率，降低系统误码率，提高系统的抗干扰能力。

Description

基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法、系统及应用
技术领域
本发明属于跳频通信技术领域，尤其涉及一种基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法、系统及应用。
背景技术
目前，最接近的现有技术：跳频通信因其具有良好的保密性、抗远近效应及抗干扰等性能而备受关注，广泛应用于现代军事短波、超短波以及数据链通信装备中。随着电磁环境的日益复杂，现有跳频通信系统正在面临越来越多的问题和挑战，逐渐影响到跳频抗干扰通信系统的性能。常规跳频通信系统中，收发双方进行的跳频图案是预先规划好的，一旦通信链路建立，双方将在通信过程中顺序遍历跳频图案中的每一个频点，很少对频率集的频点进行质量分析，我们称这种跳频模式为“盲目跳”。在该模式下，即使某些频点受到严重干扰，为了保证收发双方跳频图案的同步，系统仍然使用这些频点，而这些频点上的干扰则主要通过系统跳频增益、跳频速率和信道编译码增益来抑制。随着电磁环境的日趋复杂和电磁信号的日益密集，原来较为“干净”的跳频通信频段内将会被引入越来越多的无用信号和人为干扰，这些信号的存在会破坏越来越多原来跳频频率集上的频点通信，造成大量误码，从而降低系统的抗干扰能力。跳频点“碰撞”概率增高,制约跳频通信网容量提升。随着跳频多址、跳频组网在无线通信中的广泛应用，网内不同用户之间、同频段网系之间的可用频率资源也将日益紧张，跳频图案集的正交性将更难得到保证，从而导致跳频点的碰撞现象日益明显，将直接制约跳频通信网的容量提升。
由于通信设备周围电磁环境是时变的，采用探测技术感知出来的频谱窗在数量、位置和宽度上也是变化的，从而导致跳频通信过程中的跳频图案也具有时变性。跳频图案的变化必须要通过一种机制让收发双方实时知道，并能迅速进行配置更新，从而为可靠的跳频图案同步及通信传输奠定基础。因此，必须寻找一种稳健的感知信息和跳频图案共享方式，以保证通信双方按照正确的跳频图案进行配置，从而实现抗干扰通信。
现有信息共享方式可以归纳为固定信道法和中心控制法两种方法。固定信道法：:设置一个固定的信道，让收发双方都通过该信道实现握手，交互感知信息或跳频图案信息，然后利用频谱感知的动态信道来传输业务信息。由于这个方法只使用实现约定好的固定信道，频率和工作方式在整个通信过程中不会改变，故这个方法在干扰严重时不太可行，因为该固定信道一旦被干扰，收发双方将由于无法交互感知信息而导致通信陷入瘫痪。中心站控制法：为实现感知信息的共享，可以将收发双方各自的频谱感知信息都提交给中心控制站，然后由中心控制站统一配置。该方法使用也比较受限，除了要在跳频网络中增加中心站之外，还需复杂的网络管理和专用物理信道来支撑感知信息配置，且由于信息传输环节的增加，还会造成通信时延，影响通信效率而且可靠性也不高。另外，一旦中心控制站出现故障，也会导致感知信息无法交互。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有信息共享方式存在干扰严重时不太可行，收发双方将由于无法交互感知信息而导致通信陷入瘫痪。
(2)现有信息共享方式存在需要复杂的网络管理和专用物理信道来支撑感知信息配置，且由于信息传输环节的增加，造成通信时延，影响通信效率而且可靠性也不高。
解决上述技术问题的难度：上述两种信息共享方法从本质上来说都是用额外资源来换取性能改善。固定信道法占用频率资源，若要提高其在严重干扰条件下的性能，只有通过增加固定信道数目来实现，但又会很容易遭到瞄准式干扰；中心站控制法占用硬件资源和传输处理环节，降低了整个系统的信息传输效率，且中心站一旦出现故障或受到破坏，信息共享无法达成。在复杂电磁环境中，上述两种方法既耗费本来就稀缺的资源，又不能从本质上提升系统的鲁棒性。
解决上述技术问题的意义：有效的频谱共享是实现远距离认知跳频通信的前提，现有的两类方法无法在资源受限和强干扰环境中实现动态频谱共享，亟需寻找和研究性能优异的频谱信息共享方法，保证复杂电磁环境中认知跳频通信达成。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法、系统及应用。
本发明是这样实现的，一种基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法，所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法包括以下步骤：
第一步，认知跳频系统对周围电磁频谱使用状况进行实时感知，剔除其他用户信号或干扰所占用的频段，遴选没有干扰或较低干扰的频段作为传输信道，生成跳频图案进行通信；
第二步，在通信过程中，对所有正在使用的工作信道进行监测，若发现待传信道中未出现干扰信号，则继续沿用原来的频率集进行通信，若发现出现干扰信号，则评估干扰信号对通信造成的损害，结合频谱感知结果，选择继续在现有信道上通信或者是跳转至另外的可用跳频信道进行通信。
进一步，所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法的双方感知信息共享后，在接收信息时，使用己方感知的可用频率集进行最佳接收，而在发送时，使用对方感知的可用频率集进行发送。
进一步，所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法的认知单元通过检测和相应处理，结合解调器送来的相关信息，给出整个工作频段内的频谱感知结果，遴选出若干个干扰噪声相对较低的频谱窗，并在频谱窗中进行跳频信道选取和跳频图案生成。
进一步，所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法通信双方通过认知单元中的频谱检测模块实时检测设备所处电磁环境的频谱使用状况，剔除被其他信号占用的频段，选出未被干扰信号占用的频段，得到用于跳频通信的空闲频段集；在频谱分析的基础上，遴选出动态的发送频率集与接收频率集，生成动态的跳频图案，进行随机跳频通信，实现信息在无干扰或者较低干扰的频段上的可靠传输。
进一步包括：
(1)实时检测工作频段的频谱窗，在通信之前或者通信过程中的静默期内，对设备所处无线环境进行快速感知，得到当前通信双方所处无线环境的频谱占用状况，进得到各自所处环境中没有被使用或被干扰占用的具体频段，为随后的频谱分析与判决提供依据；采用基于能量检测和循环平稳特征检测的级联型检测算法进行检测；
(2)得到频谱检测结果后，根据周围无线环境的具体频谱占用状况进行具体分析；根据环境感知出的干扰频段以及系统设定的干扰温度门限将频谱状况区分为频谱黑洞、频谱空洞和频谱灰洞三类；对获得的频谱空洞进行质量分析，按照标准进行质量排序，建立可用频段实时数据库K；
(3)引入两种跳频频率表，分别用于发送与接收，分别称为发送频率集与接收频率集，并且是实时动态变化的；根据通信双方频谱分析结果，产生可用的跳频图案；跳频频段的所有跳频点作为信道空间F＝{f1,f2,…,fn}，某一时刻经过频谱窗检测后，所有频谱窗所含有的跳频点构成另外一个集合K＝{fi,…fi+k}，(i＝1,2,…n)，(k≤n-i)确定哪些频率点用于通信。
进一步，所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法的伪随机序列产生器产生伪随机序列，由伪码—信道编号转换单元将其变换成信道编号；信道编号与子集K中的跳频点编号进行比对，若在子集K中不存在该信道编号，说明该信道不在可用的频谱窗中，不能用来传输信息；若该信道恰恰在子集K中，还要查询认知单元发过来的信道质量信息，然后基于注水准则和信道质量信息来确定该信道的使用频次，产生可变的跳频图案。
进一步，所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法采用两种跳频方法：常规跳频预同步，认知跳频迭代同步；
所述常规跳频预同步方法，具体为：
(1)在通信系统中，有标识的将通信双方划分为A端和B端；
(2)在通信初期，A端向B端发起呼叫并向B端传递感知信息；
(3)B端回应A端呼叫接收A端的感知信息并且向A端传递B端的感知信息；
(4)A端与B端成功握手，建立通信；
所述认知跳频迭代同步的方法，具体为：
(1)上述A端与B端成功握手，建立通信后，跳频方式转入认知跳频；
(2)当通信双方使用认知跳频可以建立通信时，A端按照B端的感知信息进行发送，B端按照B端的感知信息进行接收并提取A端的感知信息，双方进行信息感知更新。B端按照A端的感知信息进行发送，A端按照A端的感知信息接收并提取B端的感知信息，双方感知信息更新。
(3)当通信双方使用认知跳频无法建立通信时，A端按照B端的更新信息进行发送，B端按照B端的更新信息进行接收并提取A端的感知信息，双方进行信息感知更新。B端按照A端的更新信息进行发送，A端按照A端的更新信息接收并提取B端的感知信息，双方感知信息更新。
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行包括下列步骤：
第一步，认知跳频系统对周围电磁频谱使用状况进行实时感知，剔除其他用户信号或干扰所占用的频段，遴选没有干扰或较低干扰的频段作为传输信道，生成跳频图案进行通信；
第二步，在通信过程中，对所有正在使用的工作信道进行监测，若发现待传信道中未出现干扰信号，则继续沿用原来的频率集进行通信，若发现出现干扰信号，则评估干扰信号对通信造成的损害，结合频谱感知结果，选择继续在现有信道上通信或者是跳转至另外的可用跳频信道进行通信。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法的基于认知无线电的跳频通信中频谱共享系统，所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享系统包括：
频谱检测模块，用于实时检测工作频段的频谱窗；
频谱分析模块，用于得到频谱检测结果后，根据周围无线环境的具体频谱占用状况进行具体分析；
频谱决策模块，用于根据通信双方频谱分析结果，产生可用的跳频图案。
本发明的另一目的在于提供一种所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法在跳频通信系统中的应用。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明采用了两种跳频方法：一种是常规跳频预同步，主要用于解决通信初期的链路建立问题，其传输的信息主要包括收发双方各自检测的频谱窗信息和跳频图案信息；第二种就是认知跳频迭代同步，主要利用实时更新的频谱窗和跳频图案来解决信息的高可靠传输问题。本发明建立了一种收发频率集分置的认知跳频系统模型，并基于具体设计一种稳健的感知信息和跳频图案共享方法。此方法是常规跳频预同步与认知跳频迭代同步相结合的复合信息共享方法，能够在不增加额外资源的前提下实现通信双方感知信息的共享。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于认知无线电的跳频通信中频谱共享系统的结构示意图；
图中：1、频谱检测模块；2、频谱分析模块；3、频谱决策模块。
图3是本发明实施例提供的存在干扰时的认知跳频工作示意图。
图4是本发明实施例提供的通信双方设置两张跳频频率表用于发送与接收示意图。
图5是本发明实施例提供的认知跳频通信系统的组成结构示意图。
图6是本发明实施例提供的采用基于能量检测和循环平稳特征检测的级联型检测算法进行检测示意图。
图7是本发明实施例提供的建立可用频段实时数据库K示意图。
图8是本发明实施例提供的伪随机序列产生器产生伪随机序列示意图。
图9是本发明实施例提供的基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法流程图。
图10是本发明实施例提供的以点对点通信为例，给出了认知跳频的感知信息和业务数据传输示意图。
图11是本发明实施例提供的认知跳频通信实验系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法、系统及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法包括以下步骤：
S101：认知跳频系统对周围电磁频谱使用状况进行实时感知，剔除其他用户信号或干扰所占用的频段，遴选那些没有干扰或较低干扰的频段作为传输信道，进而生成跳频图案进行通信。
S102：在通信过程中，系统对所有正在使用的工作信道进行监测，若发现待传信道中未出现干扰信号，则继续沿用原来的频率集进行通信，若发现出现干扰信号，则评估干扰信号对本系统通信造成的损害，结合频谱感知结果，选择继续在现有信道上通信或者是跳转至另外的可用跳频信道进行通信。
如图2所示，本发明实施例提供的基于认知无线电的跳频通信中频谱共享系统包括：
频谱检测模块1，用于实时检测工作频段的频谱窗。
频谱分析模块2，用于得到频谱检测结果后，根据周围无线环境的具体频谱占用状况进行具体分析。
频谱决策模块3，用于根据通信双方频谱分析结果，产生可用的跳频图案。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
在通信之前，系统对周围电磁频谱使用状况进行实时感知，剔除其他用户信号或干扰所占用的频段，遴选那些没有干扰或较低干扰的频段作为传输信道，进而生成跳频图案进行通信。在通信过程中，系统对所有正在使用的工作信道进行监测，若发现待传信道中未出现干扰信号，则继续沿用原来的频率集进行通信，若发现出现干扰信号，则评估干扰信号对本发明系统通信造成的损害，结合频谱感知结果，选择继续在现有信道上通信或者是跳转至另外的可用跳频信道进行通信。存在干扰时的认知跳频工作示意图如图3所示。
本发明提出发送跳频集与接收跳频集分开设置的思想，即通信双方设置两张跳频频率表用于发送与接收，如图4所示，其设计目的就是实现空闲频谱资源的最大化利用。
双方感知信息共享后，采用如下机制：在接收信息时，使用己方感知的可用频率集进行最佳接收，而在发送时，使用对方感知的可用频率集进行发送，如此，使通信双方所有的空闲频率均得到了使用，避免了频谱资源的浪费，同时也增加了跳频组网通信的容量。
认知跳频通信系统的组成结构示意图如图5所示。与常规跳频相比，认知跳频通信系统增加了认知单元，并以认知跳频图案发生器代替了常规的跳频图案发生器。认知单元通过检测和相应处理，结合解调器送来的相关信息，给出整个工作频段内的频谱感知结果，按照一定准则遴选出若干个干扰噪声相对较低的“频谱窗”，并在这些“频谱窗”中进行跳频信道选取和跳频图案生成。
从图5可以看出，认知跳频的工作过程是，通信双方通过认知单元中的频谱检测模块实时检测设备所处电磁环境的频谱使用状况，剔除被其他信号占用的频段，选出未被干扰信号占用的频段，得到可以用于跳频通信的空闲频段集；在频谱分析的基础上，遴选出动态的发送频率集与接收频率集，进而生成动态的跳频图案，进行随机跳频通信，实现信息在无干扰或者较低干扰的频段上的可靠传输。
认知跳频区别于常规跳频的不同之处在于其跳频图案不像常规跳频那样事先规划好，在整个通信中几乎不变，而是在认知单元频谱感知模块的控制下来动态变化和更新的。认知单元作为认知跳频通信系统中的关键部分，其组成及功能如下。
①频谱检测模块
频谱检测模块的任务是实时检测工作频段的频谱窗。其实现原理是在通信之前或者通信过程中的静默期内，对设备所处无线环境进行快速感知，得到当前通信双方所处无线环境的频谱占用状况，进而得到各自所处环境中没有被使用或被干扰占用的具体频段，为随后的频谱分析与判决提供依据。本发明采用基于能量检测和循环平稳特征检测的级联型检测算法进行检测，其原理示意图如图4所示。
②频谱分析模块
得到频谱检测结果后，频谱分析模块根据周围无线环境的具体频谱占用状况进行具体分析。首先，根据环境感知出的干扰频段以及系统设定的干扰温度门限将频谱状况区分为频谱黑洞、频谱空洞和频谱灰洞三类，然后对获得的频谱空洞进行质量分析，按照一定的标准进行质量排序，建立可用频段实时数据库K(包含全部的频谱空洞与一部分可用的频谱灰洞)，如图7所示。
③频谱决策模块
常规跳频通信双方只存在一张跳频频率表，同时被用于发送与接收，本发明设计的认知跳频系统与常规跳频、自适应跳频的主要区别之一，就是引入两种跳频频率表，分别用于发送与接收，分别称为发送频率集与接收频率集，并且是实时动态变化的，主要是为了最大化利用现有的频谱资源和实现最可靠的信息传输。频谱决策模块就是根据通信双方频谱分析结果，产生可用的跳频图案。其生成流程如图7所示。
假设跳频频段的所有跳频点作为信道空间F＝{f1,f2,…,fn}，某一时刻经过频谱窗检测后，所有频谱窗所含有的跳频点构成另外一个集合K＝{fi,…fi+k}，(i＝1,2,…n)，(k≤n-i)显然接下来的工作就是从这个子集中来确定哪些频率点用于通信。
如图8所示，伪随机序列产生器产生伪随机序列，由伪码—信道编号转换单元将其变换成信道编号。该信道编号与子集K中的跳频点编号进行比对，若在子集K中不存在该信道编号，说明该信道不在可用的频谱窗中，不能用来传输信息。若该信道恰恰在子集K中，还要进一步查询认知单元发过来的信道质量信息，然后基于“注水”准则和信道质量信息来确定该信道的使用频次，产生可变的跳频图案。
如图9所示，本发明实施例提供的基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法，所述频谱共享方法采用了两种跳频方法：常规跳频预同步，认知跳频迭代同步。
常规跳频预同步方法，具体为：
(1)在通信系统中，有标识的将通信双方划分为A端和B端；
(2)在通信初期，A端向B端发起呼叫并向B端传递感知信息；
(3)B端回应A端呼叫接收A端的感知信息并且向A端传递B端的感知信息；
(4)A端与B端成功握手，建立通信；
认知跳频迭代同步的方法，具体为：
(1)上述A端与B端成功握手，建立通信后，跳频方式转入认知跳频；
(2)当通信双方使用认知跳频可以建立通信时，A端按照B端的感知信息进行发送，B端按照B端的感知信息进行接收并提取A端的感知信息，双方进行信息感知更新。B端按照A端的感知信息进行发送，A端按照A端的感知信息接收并提取B端的感知信息，双方感知信息更新。
(3)当通信双方使用认知跳频无法建立通信时，A端按照B端的更新信息进行发送，B端按照B端的更新信息进行接收并提取A端的感知信息，双方进行信息感知更新。B端按照A端的更新信息进行发送，A端按照A端的更新信息接收并提取B端的感知信息，双方感知信息更新。
本发明具体实现原理及方法：通信系统在建立初期，一般来说，对系统威胁最大的敌对干扰还没有出现，或者即使出现了，干扰效果在短期内不一定达到最佳。此时，收发双方采用常规跳频方式，在每个跳频信道上传输各自的感知信息，双方一旦握手确认后，就转入认知跳频通信阶段，按照从对方共享的可用跳频集进行跳频发送，从而保证接收方处于最佳的通信接收状态。如图9所示，基于频谱窗认知的跳频通信系统在同步上实际上需要经历两个阶段。第一阶段是常规跳频同步，主要用于解决通信初期的链路建立问题，第二阶段是认知跳频同步，主要解决业务的抗干扰传输问题。
假设收发双方已经取得上述两个阶段的理想同步，接下来就是感知信息和业务数据的传输，图10以点对点通信为例，给出了认知跳频的感知信息和业务数据传输示意图。为保证认知过程的持续进行，收发双方在发送给对方的信息数据中包含有自己当前时刻的感知信息，为双方下一时刻的通信保持提供依据。具体工作过程为：用户A从接收的信息帧中提取出B的最新可接收频率集信息，依照此频率集向B发送信息，同时将自身实时感知的可接收频率集信息插入到发送给B的信息帧中；B从接收的信息帧中提取出A最新的可接收频率集信息后，依照此频率集向A发送信息，并在发送的信息帧中插入自身实时感知的可接收频率集信息供A提取，作为A下一时刻的发送频率集，依次往复，直至通信过程结束。由于该系统是在无干扰或者较少干扰的信道上进行的跳频通信，降低了系统的误码率，提高了系统的抗干扰能力。
下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。
如图11所示，搭建了认知跳频通信实验系统对本发明进行验证。平台采用两套通用软件无线电外设(USRP,Universal Software Radio Peripheral)分别作为认知跳频通信双方，一套USRP作为单频和多频瞄准式干扰方，一部高性能频谱仪作为电磁环境监测评估方。认知通信双方A和B通过开发的认知跳频通信系统软件进行信息发送、传输和接收。验证设备及型号如表1所示。
表1认知跳频通信实验系统设备配置一览表
Figure BDA0002401992020000121
在实验系统中，对认知跳频系统分别采用固定信道法和本发明方法时的系统抗干扰性能进行了测试，由于中心站控制法中也需要通信双方通过专用信道将感知信息提交给中心控制站，该专用信道的工作原理和固定信道法是一样的，所以本实验对中心控制站法没有额外验证。测试所采用的参数如表2所示。
表2实验参数设置一览表
工作频段 30～80MHz
调制方式 BFSK
跳频速率 200hops/s
信道间隔 25KHz
跳频点数 80
信息速率 200bps
固定的共享信道数 3
多频干扰数 3
干扰样式 单频连续波
实验结果如表3所示。
表3实验结果一览表
Figure BDA0002401992020000122
Figure BDA0002401992020000131
在单频干扰情形下，瞄准三个固定同步信道中的任意一个进行单频连续波干扰，干信比(JSR，Jamming and Signal Ratio)设为0dB。改变信号比特能量与噪声的比值Eb/N0，测量不同信噪比条件下的误比特率(BER,Bit Error Rate)；在多频干扰模式下，瞄准全部三个固定同步信道进行单频连续波干扰，每个信道上的JSR为0dB，可以得到不同信噪比条件下两种方案的BER。不难看出，本发明方法性能明显优于固定信道法，在信噪比为10dB以上时，采用固定同步信道法的系统误比特性能已经开始出现地板效应，且BER在10-2～10-3左右，而采用本发明的信息共享方法抗单频干扰和多频干扰能力强，能够获得非常低的误比特率，保证通信双方的正常通信。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法，其特征在于，所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法包括以下步骤：
第一步，认知跳频系统对周围电磁频谱使用状况进行实时感知，剔除其他用户信号或干扰所占用的频段，遴选没有干扰或较低干扰的频段作为传输信道，生成跳频图案进行通信；
第二步，在通信过程中，对所有正在使用的工作信道进行监测，若发现待传信道中未出现干扰信号，则继续沿用原来的频率集进行通信，若发现出现干扰信号，则评估干扰信号对通信造成的损害，结合频谱感知结果，选择继续在现有信道上通信或者是跳转至另外的可用跳频信道进行通信。
2.如权利要求1所述的基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法，其特征在于，所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法的双方感知信息共享后，在接收信息时，使用己方感知的可用频率集进行最佳接收，而在发送时，使用对方感知的可用频率集进行发送。
3.如权利要求1所述的基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法，其特征在于，所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法的认知单元通过检测和相应处理，结合解调器送来的相关信息，给出整个工作频段内的频谱感知结果，遴选出若干个干扰噪声相对较低的频谱窗，并在频谱窗中进行跳频信道选取和跳频图案生成。
4.如权利要求1所述的基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法，其特征在于，所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法通信双方通过认知单元中的频谱检测模块实时检测设备所处电磁环境的频谱使用状况，剔除被其他信号占用的频段，选出未被干扰信号占用的频段，得到用于跳频通信的空闲频段集；在频谱分析的基础上，遴选出动态的发送频率集与接收频率集，生成动态的跳频图案，进行随机跳频通信，实现信息在无干扰或者较低干扰的频段上的可靠传输。
5.如权利要求4所述的基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法，其特征在于，进一步包括：
(1)实时检测工作频段的频谱窗，在通信之前或者通信过程中的静默期内，对设备所处无线环境进行快速感知，得到当前通信双方所处无线环境的频谱占用状况，进得到各自所处环境中没有被使用或被干扰占用的具体频段，为随后的频谱分析与判决提供依据；采用基于能量检测和循环平稳特征检测的级联型检测算法进行检测；
(2)得到频谱检测结果后，根据周围无线环境的具体频谱占用状况进行具体分析；根据环境感知出的干扰频段以及系统设定的干扰温度门限将频谱状况区分为频谱黑洞、频谱空洞和频谱灰洞三类；对获得的频谱空洞进行质量分析，按照标准进行质量排序，建立可用频段实时数据库K；
(3)引入两种跳频频率表，分别用于发送与接收，分别称为发送频率集与接收频率集，并且是实时动态变化的；根据通信双方频谱分析结果，产生可用的跳频图案；跳频频段的所有跳频点作为信道空间F＝{f1,f2,…,fn}，某一时刻经过频谱窗检测后，所有频谱窗所含有的跳频点构成另外一个集合K＝{fi,…fi+k}，(i＝1,2,…n)，(k≤n-i)确定哪些频率点用于通信。
6.如权利要求1所述的基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法，其特征在于，所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法的伪随机序列产生器产生伪随机序列，由伪码—信道编号转换单元将其变换成信道编号；信道编号与子集K中的跳频点编号进行比对，若在子集K中不存在该信道编号，说明该信道不在可用的频谱窗中，不能用来传输信息；若该信道恰恰在子集K中，还要查询认知单元发过来的信道质量信息，然后基于注水准则和信道质量信息来确定该信道的使用频次，产生可变的跳频图案。
7.如权利要求1所述的基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法，其特征在于，所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法采用两种跳频方法：常规跳频预同步，认知跳频迭代同步；
所述常规跳频预同步方法，具体为：
(1)在通信系统中，有标识的将通信双方划分为A端和B端；
(2)在通信初期，A端向B端发起呼叫并向B端传递感知信息；
(3)B端回应A端呼叫接收A端的感知信息并且向A端传递B端的感知信息；
(4)A端与B端成功握手，建立通信；
所述认知跳频迭代同步的方法，具体为：
(1)上述A端与B端成功握手，建立通信后，跳频方式转入认知跳频；
(2)当通信双方使用认知跳频可以建立通信时，A端按照B端的感知信息进行发送，B端按照B端的感知信息进行接收并提取A端的感知信息，双方进行信息感知更新；B端按照A端的感知信息进行发送，A端按照A端的感知信息接收并提取B端的感知信息，双方感知信息更新；
(3)当通信双方使用认知跳频无法建立通信时，A端按照B端的更新信息进行发送，B端按照B端的更新信息进行接收并提取A端的感知信息，双方进行信息感知更新；B端按照A端的更新信息进行发送，A端按照A端的更新信息接收并提取B端的感知信息，双方感知信息更新。
8.一种接收用户输入程序存储介质，其特征在于，所存储的计算机程序使电子设备执行包括下列步骤：
第一步，认知跳频系统对周围电磁频谱使用状况进行实时感知，剔除其他用户信号或干扰所占用的频段，遴选没有干扰或较低干扰的频段作为传输信道，生成跳频图案进行通信；
第二步，在通信过程中，对所有正在使用的工作信道进行监测，若发现待传信道中未出现干扰信号，则继续沿用原来的频率集进行通信，若发现出现干扰信号，则评估干扰信号对通信造成的损害，结合频谱感知结果，选择继续在现有信道上通信或者是跳转至另外的可用跳频信道进行通信。
9.一种实施权利要求1～7任意一项所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法的基于认知无线电的跳频通信中频谱共享系统，其特征在于，所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享系统包括：
频谱检测模块，用于实时检测工作频段的频谱窗；
频谱分析模块，用于得到频谱检测结果后，根据周围无线环境的具体频谱占用状况进行具体分析；
频谱决策模块，用于根据通信双方频谱分析结果，产生可用的跳频图案。
10.一种如权利要求1～7任意一项所述基于认知无线电的跳频通信中频谱共享方法在跳频通信系统中的应用。
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