CN112054856A - 一种抗干扰的通信方法及通信系统 - Google Patents

一种抗干扰的通信方法及通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种抗干扰的通信方法及通信系统，所述通信方法包括：步骤S1、检测是否存在微波干扰；步骤S2、在存在微波干扰的情况下，检测微波干扰特征；步骤S3、根据获取的微波干扰特征，调整本地设备参数或/和网络配置，优化干扰环境下的网络稳定性。本发明提出的抗干扰的通信方法及通信系统，能够根据检测出的干扰特征自动调整设备和网络参数，可降低微波干扰对于无线通信的影响，确保无线通信在干扰场景下可以成功、稳定和高效地进行。

Description

一种抗干扰的通信方法及通信系统
技术领域
本发明属于电子通讯技术领域，涉及一种通信方法，尤其涉及一种抗干扰的无线通信方法及无线通信系统。
背景技术
智能家庭中的各种电器或设备，使用Wi-Fi，Bluetooth，ZigBee，NB-IoT等无线连接技术来和外界通讯。微波干扰始终是面临的固有挑战。无论是哪种类型的网络，其性能始终受到环境种的干扰和噪声的制约。而微波发生器广泛应用于各种产品中，对生活带来便利之外也带来了众多的电磁辐射干扰。例如微波炉在工作期间辐射出大量电磁信号，对产品中的无线模块或部署在其周围产品种的无线模块产生了极大干扰。
当产品部署在干扰源覆盖范围内时，无线通讯出错率大大提升，一方面数据得不到实时传输，另一方面出错率提升后带来了大量的数据重传，严重降低了网络效率。当接入节点部署在干扰源附近容易失去与网络中心的连接。而当网络中心节点比如网关部署在干扰源附近，出错得不到有效处理之后整个网络会进入瘫痪状态。
有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的通信方法，以便克服现有通信方法存在的上述至少部分缺陷。
发明内容
本发明提供一种抗干扰的通信方法及通信系统，可降低微波干扰对于无线通信的影响，确保无线通信在干扰场景下可以成功、稳定和高效地进行。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：
一种抗干扰的通信方法，所述通信方法包括：
步骤S1、检测是否存在微波干扰；
步骤S2、在存在微波干扰的情况下，检测微波干扰特征；
步骤S3、根据获取的微波干扰特征，调整本地设备参数或/和网络配置，优化干扰环境下的网络稳定性。
作为本发明的一种实施方式，所述步骤S2包括：分析出干扰时域信息或频域特征信息。
作为本发明的一种实施方式，步骤S2具体包括：
步骤S21、打开内部模数转换器ADC，将采集到的信号数据和采集的起始时间Trecord存储至内部存储空间中；
步骤S22、利用采集到的信号数据的能量变化信息，分析出干扰的起始位置在这次测量所记录的数据块内的时间偏移k0，由此计算出此次测量中的干扰起始时间Tstart＝Trecord+k0/fs,其中，fs为模数转换器的采样率；从信号数据的能量变化分析出干扰结束位置在该数据块内的偏移k1，计算出此次测量中的干扰结束时间Tstop＝Trecord+k1/fs；通过干扰起始时间及干扰结束时间得到干扰时域信息；如果此次测量检测到符合预期的干扰，转至步骤S23；如果此次测量未检测到符合预期的干扰起始位置或结束位置，跳转至步骤S21重新采集数据；
步骤S23、根据步骤S22的检测结果选取采集到的干扰数据，使用数字信号处理算法统计干扰的频域分布，即可得到干扰的频域特征信息。
作为本发明的一种实施方式，步骤S2进一步包括：步骤S24、进行多次测量，记录一组起始时间和一组结束时间。
作为本发明的一种实施方式，考虑到在使用软件进行测量时，由于系统任务的调度可能会导致未能捕获某次干扰起始或者结束时间的有效信息；
对测量得到的两组时间进行排序并对时间差使用设定的统计算法估计出周期，进而推算出缺失的部分，再得到干扰时域特征。
作为本发明的一种实施方式，步骤S2具体包括：
使用能量检测电路来监测干扰信号的变化，依次检测到干扰起始时间及干扰结束时间，从而获取干扰时域信息；
频域特征信息的获得方式包括如下方式的至少一种：(1)对能量检测电路进行数字扫频获得；(2)使用数字电路对模数转换得到的宽带信号计算多相分解并统计不同频率下的功率信息；(3)使用数字电路对模数转换得到的宽带信号直接进行FFT转换到频域再统计不同频率下的功率信息；这些频域信息通过状态寄存器或存储器按照预先定义好的格式提供给软件使用。
作为本发明的一种实施方式，步骤S3包括：当通信设备和微波干扰源同属于一个产品，并且允许对微波干扰源进行控制时，优先考虑调整微波干扰的相位。
作为本发明的一种实施方式，控制相位的方式包括调整电源的相位或短暂关闭电源再打开电源。
作为本发明的一种实施方式，步骤S3包括：当无法对微波干扰的相位进行调整时，使用如下方式的至少一种：(1)时域避让；(2)频域避让；(3)提高发射功率；(4)降低解调信噪比要求。
作为本发明的一种实施方式，(1)当设备是中心节点时；
a.针对非跳频系统，存在未被干扰覆盖的信道时，使用以下方法：
通知接入节点切换信道；
中心节点调整网络的时间参数，避开干扰；
b.针对跳频系统，存在未被干扰覆盖的信道时，使用以下方法：
根据干扰频域特征信息，主动屏蔽被干扰信道，通知接入节点屏蔽信息；
当大量信道被污染时，中心节点调整网络的时间参数，避开干扰；
c.所有信道被覆盖，不具备切换信道的条件：
中心节点调整网络的时间参数，避开干扰；
d.在无法调整网络时间参数时，意味着无法避开干扰，通过以下至少一种方法提高通信成功率：
提高载波侦听CSMA、信道空闲评估CCA灵敏度达到时域避让的目的；
提高发射功率；
使用功率控制命令使对端加大发射功率；
改变网络使用的编码与调制参数，降低信噪比要求；
(2)当设备是接入节点时：
a.提高载波侦听CSMA、信道空闲评估CCA灵敏度达到时域避让的目的；
b.提高发射功率；
c.使用功率控制命令使对端加大发射功率；
d.通知对端改变通信使用的编码与调制参数，降低信噪比要求。
根据本发明的另一个方面，采用如下技术方案：一种抗干扰的通信系统，所述通信系统包括：
微波干扰检测模块，用以检测是否存在微波干扰；
微波干扰特征检测模块，用以检测微波干扰特征；
调整模块，用以根据获取的微波干扰特征，调整本地设备参数或/和网络配置，优化干扰环境下的网络稳定性。
本发明的有益效果在于：本发明提出的抗干扰的通信方法及通信系统，能够根据检测出的干扰特征自动调整设备和网络参数，可降低微波干扰对于无线通信的影响，确保无线通信在干扰场景下可以成功、稳定和高效地进行。
附图说明
图1为本发明一实施例中通信方法的流程图。
图2为微波干扰检测机制示意图。
图3为干扰结束时间未能被检测到的示意图。
图4为时间避让机制示意图。
图5为频域避让机制示意图。
图6为载波侦听门限调整机制示意图。
图7为Beacon避让机制示意图。
图8为本发明一实施例中通信系统的组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
说明书中的“连接”既包含直接连接，也包含间接连接。
本发明揭示了一种抗干扰的通信方法，图1为本发明一实施例中通信方法的流程图；请参阅图1，所述通信方法包括：
【步骤S1】检测是否存在微波干扰；
【步骤S2】在存在微波干扰的情况下，检测微波干扰特征；
【步骤S3】根据获取的微波干扰特征，调整本地设备参数或/和网络配置，优化干扰环境下的网络稳定性。
在本发明的一实施例中，所述步骤S2包括：分析出干扰时域信息或/和频域特征信息。在一实施例中，步骤S2具体包括：
步骤S21、打开内部模数转换器ADC，将采集到的信号数据和采集的起始时间Trecord存储至内部存储空间中(如图2所示)；
步骤S22、利用采集到的信号数据的能量变化信息，分析出干扰的起始位置在这次测量所记录的数据块内的时间偏移k0，由此计算出此次测量中的干扰起始时间Tstart＝Trecord+k0/fs,其中，fs为模数转换器的采样率；从信号数据的能量变化分析出干扰结束位置在该数据块内的偏移k1，计算出此次测量中的干扰结束时间Tstop＝Trecord+k1/fs；通过干扰起始时间及干扰结束时间得到干扰时域信息；如果此次测量检测到符合预期的干扰，转至步骤S23；如果此次测量未检测到符合预期的干扰起始位置或结束位置，跳转至步骤S21重新采集数据；
步骤S23、根据步骤S22的检测结果选取采集到的干扰数据，使用数字信号处理算法统计干扰的频域分布，即可得到干扰的频域特征信息。
步骤S2还可以包括：步骤S24、进行多次测量，记录一组起始时间和一组结束时间。
在一实施例中，考虑到在使用软件进行测量时，由于系统任务的调度可能会导致未能捕获某次干扰起始或者结束时间的有效信息，如图3所示。对测量得到的两组时间进行排序并对时间差使用设定的统计算法估计出周期，进而推算出缺失的部分，再得到干扰时域特征。
在本发明的一实施例中，步骤S2具体包括：使用能量检测电路来监测干扰信号的变化，依次检测到干扰起始时间及干扰结束时间，从而获取干扰时域信息。频域特征信息的获得方式包括如下方式的至少一种：(1)对能量检测电路进行数字扫频获得；(2)使用数字电路对模数转换得到的宽带信号计算多相分解并统计不同频率下的功率信息；(3)使用数字电路对模数转换得到的宽带信号直接进行FFT转换到频域再统计不同频率下的功率信息；这些频域信息通过状态寄存器或存储器按照预先定义好的格式提供给软件使用。
在本发明的一实施例中，步骤S3包括：当通信设备和微波干扰源同属于一个产品，并且允许对微波干扰源进行控制时，优先考虑调整微波干扰的相位。在本发明的一实施例中，控制相位的方式包括调整电源的相位或短暂关闭电源再打开电源。
在本发明的一实施例中，步骤S3包括：当无法对微波干扰的相位进行调整时，使用如下方式的至少一种：(1)时域避让(如图4所示)；(2)频域避让(如图5所示)；(3)提高发射功率；(4)降低解调信噪比要求。
在本发明的一实施例中，(1)当设备是中心节点时；
a.针对非跳频系统，存在未被干扰覆盖的信道时，使用以下方法：
通知接入节点切换信道；
中心节点调整网络的时间参数，避开干扰；
b.针对跳频系统，存在未被干扰覆盖的信道时，使用以下方法：
根据干扰频域特征信息，主动屏蔽被干扰信道，通知接入节点屏蔽信息；
当大量信道被污染时，中心节点调整网络的时间参数，避开干扰；
c.若所有信道被覆盖，不具备切换信道的条件：
中心节点调整网络的时间参数，避开干扰；
d.在无法调整网络时间参数时，意味着无法避开干扰，通过以下至少一种方法提高通信成功率：
提高载波侦听CSMA、信道空闲评估CCA灵敏度达到时域避让的目的；
提高发射功率；
使用功率控制命令使对端加大发射功率；
改变网络使用的编码与调制参数，降低信噪比要求；
(2)当设备是接入节点时：
a.提高载波侦听CSMA、信道空闲评估CCA灵敏度达到时域避让的目的；
b.提高发射功率；
c.使用功率控制命令使对端加大发射功率；
d.通知对端改变通信使用的编码与调制参数，降低信噪比要求。
本发明还揭示一种抗干扰的通信系统，图8为本发明一实施例中通信系统的组成示意图；请参阅图3，所述通信系统包括：微波干扰检测模块1、微波干扰特征检测模块2及调整模块3。
微波干扰检测模块1用以检测是否存在微波干扰；微波干扰特征检测模块2用以检测微波干扰特征；调整模块3用以根据获取的微波干扰特征，调整本地设备参数或/和网络配置，优化干扰环境下的网络稳定性。各个模块的具体工作过程可参见对应方法的描述。
在本发明的一实施例中，微波干扰特征检测模块2用以分析出干扰时域信息和频域特征信息。在一实施例中，微波干扰特征检测模块2的检测过程可以包括：
步骤S21、打开内部模数转换器ADC，将采集到的信号数据和采集的起始时间Trecord到存储至内部存储空间中(如图2所示)；
步骤S22、利用采集到的信号数据的能量变化信息，分析出干扰的起始位置在这次测量所记录的数据块内的时间偏移k0，由此计算出此次测量中的干扰起始时间Tstart＝Trecord+k0/fs,其中，fs为模数转换器的采样率；从信号数据的能量变化分析出干扰结束位置在该数据块内的偏移k1，计算出此次测量中的干扰结束时间Tstop＝Trecord+k1/fs；通过干扰起始时间及干扰结束时间得到干扰时域信息；如果此次测量检测到符合预期的干扰，转至步骤S23；如果此次测量未检测到符合预期的干扰起始位置或结束位置，跳转至步骤S21重新采集数据；
步骤S23、根据步骤S22的检测结果选取采集到的干扰数据，使用数字信号处理算法统计干扰的频域分布，即可得到干扰的频域特征信息。
微波干扰特征检测模块2的检测过程还可以包括：步骤S24、进行多次测量，记录一组起始时间和一组结束时间。
在一实施例中，考虑到在使用软件进行测量时，由于系统任务的调度可能会导致未能捕获某次干扰起始或者结束时间的有效信息，如图3所示。对测量得到的两组时间进行排序并对时间差使用设定的统计算法估计出周期，进而推算出缺失的部分，再得到干扰时域特征。
在本发明的一实施例中，微波干扰特征检测模块2的检测过程包括：使用能量检测电路来监测干扰信号的变化，依次检测到干扰起始时间及干扰结束时间，从而获取干扰时域信息。频域特征信息的获得方式包括如下方式的至少一种：(1)对能量检测电路进行数字扫频获得；(2)使用数字电路对模数转换得到的宽带信号计算多相分解并统计不同频率下的功率信息；(3)使用数字电路对模数转换得到的宽带信号直接进行FFT转换到频域再统计不同频率下的功率信息；这些频域信息通过状态寄存器或存储器按照预先定义好的格式提供给软件使用。
在本发明的一实施例中，调整模块3的调整过程可以包括：当通信设备和微波干扰源同属于一个产品，并且可以对微波干扰源进行控制时，优先考虑调整微波干扰的相位。在本发明的一实施例中，控制相位的方式包括调整电源的相位或短暂关闭电源再打开电源。
在本发明的一实施例中，调整模块3的调整过程可以包括：当无法对微波干扰的相位进行调整时，使用如下方式的至少一种：(1)时域避让；(2)频域避让；(3)提高发射功率；(4)降低解调信噪比要求。
在本发明的一实施例中，(1)当设备是中心节点时；
a.非跳频系统，存在未被干扰覆盖的信道时，使用以下方法：
通知接入节点切换信道；
中心节点调整网络的时间参数，避开干扰；
b.跳频系统，存在未被干扰覆盖的信道时，使用以下方法：
根据干扰频域特征信息，主动屏蔽被干扰信道，通知接入节点屏蔽信息；
当大量信道被污染时，中心节点调整网络的时间参数，避开干扰；
c.所有信道被覆盖，不具备切换信道的条件：
中心节点调整网络的时间参数，避开干扰；
d.在无法调整网络时间参数时，意味着无法避开干扰，通过以下至少一种方法提高通信成功率：
提高载波侦听CSMA、信道空闲评估CCA灵敏度达到时域避让的目的；
提高发射功率；
使用功率控制命令使对端加大发射功率；
改变网络使用的编码与调制参数，降低信噪比要求；
(2)当设备是接入节点时：
a.提高载波侦听CSMA、信道空闲评估CCA灵敏度达到时域避让的目的；
b.提高发射功率；
c.使用功率控制命令使对端加大发射功率；
d.通知对端改变通信使用的编码与调制参数，降低信噪比要求。
在本发明的一实施例中，变频微波炉工作产生的干扰分布在2.4G频段，其时域周期性接近10ms，占空比达到了80％左右，严重影响部署在其附近WiFi网络的稳定性。而2.4G频段的设备无法利用Channel Switch Announcement通知STA切换信道。由于干扰周期与Beacon周期(接近102ms)两者之间的特殊关系，当网络Beacon与干扰时间上重叠时，会导致STA很难正确接收Beacon帧，从而发生STA连接丢失。这种情况下，网络中的AP可以根据检测到的干扰特征，调整Beacon的相位，如图7所示。调整之后可以改善网络的连接稳定性。
在本发明的一实施例中，当微波发生器工作产生的干扰分布在5G频段时，影响部署在其附近WiFi网络的稳定性和性能。而这种情况下AP根据检测到的干扰频域信息可以通过Channel Switch Announcement通知STA切换信道来避开干扰。
在本发明的一实施例中，变频微波炉工作产生的干扰分布在2.4G频段，其时域周期性接近10ms，占空比达到了80％左右。这种情况下，部署在其周围的BLE网络由于跳频特性仍然可以工作，但由于干扰污染了大量信道，导致可用信道数量下降，在有限的信道下又加剧了碰撞发生的概率，网络性能急剧下降。根据本发明提出的方法可以根据检测到的干扰时域特征来调整连接的相位和间隔，使周期性的信息交互控制在两段干扰之间。
在本发明的一实施例中，将载波侦听(CSMA)门限/信道空闲评估(CCA)门限统称为信道接入门限。通常信道接入门限的设计是为了解决与其他设备的碰撞问题，没有考虑到干扰的检测。一些设备为了排除自身运行期间的底噪波动以及时钟毛刺等影响，使用了更严格的检测，比如特定周期的自相关和互相关检测。这些都会导致将干扰发生期间误判为信道空闲，本发明提出当检测到微波干扰时自适应地调整信道接入门限(如图6所示)，从而在时间上避开微波干扰，提高了通信成功率。
综上所述，本发明提出的抗干扰的通信方法及通信系统，能够根据检测出的干扰特征自动调整设备和网络参数，可降低微波干扰对于无线通信的影响，确保无线通信在干扰场景下可以成功、稳定和高效地进行。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (11)

1.一种抗干扰的通信方法，其特征在于，所述通信方法包括：
步骤S1、检测是否存在微波干扰；
步骤S2、在存在微波干扰的情况下，检测微波干扰特征；
步骤S3、根据获取的微波干扰特征，调整本地设备参数或/和网络配置，优化干扰环境下的网络稳定性。
2.根据权利要求1所述的抗干扰的通信方法，其特征在于：
所述步骤S2包括：分析出干扰时域信息或频域特征信息。
3.根据权利要求2所述的抗干扰的通信方法，其特征在于：
步骤S2具体包括：
步骤S21、打开内部模数转换器ADC，将采集到的信号数据和采集的起始时间Trecord存储至内部存储空间中；
步骤S22、利用采集到的信号数据的能量变化信息，分析出干扰的起始位置在这次测量所记录的数据块内的时间偏移k0，由此计算出此次测量中的干扰起始时间Tstart＝Trecord+k0/fs,其中，fs为模数转换器的采样率；从信号数据的能量变化分析出干扰结束位置在该数据块内的偏移k1，计算出此次测量中的干扰结束时间Tstop＝Trecord+k1/fs；通过干扰起始时间及干扰结束时间得到干扰时域信息；如果此次测量检测到符合预期的干扰，转至步骤S23；如果此次测量未检测到符合预期的干扰起始位置或结束位置，跳转至步骤S21重新采集数据；
步骤S23、根据步骤S22的检测结果选取采集到的干扰数据，使用数字信号处理算法统计干扰的频域分布，即可得到干扰的频域特征信息。
4.根据权利要求3所述的抗干扰的通信方法，其特征在于：
步骤S2进一步包括：步骤S24、进行多次测量，记录一组起始时间和一组结束时间。
5.根据权利要求3所述的抗干扰的通信方法，其特征在于：
考虑到在使用软件进行测量时，由于系统任务的调度可能会导致未能捕获某次干扰起始或者结束时间的有效信息；
对测量得到的两组时间进行排序并对时间差使用设定的统计算法估计出周期，进而推算出缺失的部分，再得到干扰时域特征。
6.根据权利要求2所述的抗干扰的通信方法，其特征在于：
步骤S2具体包括：
使用能量检测电路来监测干扰信号的变化，依次检测到干扰起始时间及干扰结束时间，从而获取干扰时域信息；
频域特征信息的获得方式包括如下方式的至少一种：(1)对能量检测电路进行数字扫频获得；(2)使用数字电路对模数转换得到的宽带信号计算多相分解并统计不同频率下的功率信息；(3)使用数字电路对模数转换得到的宽带信号直接进行FFT转换到频域再统计不同频率下的功率信息；这些频域信息通过状态寄存器或存储器按照预先定义好的格式提供给软件使用。
7.根据权利要求1所述的抗干扰的通信方法，其特征在于：
步骤S3包括：当通信设备和微波干扰源同属于一个产品，并且允许对微波干扰源进行控制时，优先考虑调整微波干扰的相位。
8.根据权利要求7所述的抗干扰的通信方法，其特征在于：
控制相位的方式包括调整电源的相位或短暂关闭电源再打开电源。
9.根据权利要求1所述的抗干扰的通信方法，其特征在于：
步骤S3包括：当无法对微波干扰的相位进行调整时，使用如下方式的至少一种：(1)时域避让；(2)频域避让；(3)提高发射功率；(4)降低解调信噪比要求。
10.根据权利要求9所述的抗干扰的通信方法，其特征在于：
(1)当设备是中心节点时；
a.针对非跳频系统，存在未被干扰覆盖的信道时，使用以下方法：
通知接入节点切换信道；
中心节点调整网络的时间参数，避开干扰；
b.针对跳频系统，存在未被干扰覆盖的信道时，使用以下方法：
根据干扰频域特征信息，主动屏蔽被干扰信道，通知接入节点屏蔽信息；
当大量信道被污染时，中心节点调整网络的时间参数，避开干扰；
c.所有信道被覆盖，不具备切换信道的条件：
中心节点调整网络的时间参数，避开干扰；
d.在无法调整网络时间参数时，意味着无法避开干扰，通过以下至少一种方法提高通信成功率：
提高载波侦听CSMA、信道空闲评估CCA灵敏度达到时域避让的目的；
提高发射功率；
使用功率控制命令使对端加大发射功率；
改变网络使用的编码与调制参数，降低信噪比要求；
(2)当设备是接入节点时：
a.提高载波侦听CSMA、信道空闲评估CCA灵敏度达到时域避让的目的；
b.提高发射功率；
c.使用功率控制命令使对端加大发射功率；
d.通知对端改变通信使用的编码与调制参数，降低信噪比要求。
11.一种抗干扰的通信系统，其特征在于，所述通信系统包括：
微波干扰检测模块，用以检测是否存在微波干扰；
微波干扰特征检测模块，用以检测微波干扰特征；
调整模块，用以根据获取的微波干扰特征，调整本地设备参数或/和网络配置，优化干扰环境下的网络稳定性。
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