CN114071785B - 一种基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法，包括：1）发射机启动后，随机选择信道进入监听模式，通过监听评估当前信道的噪声水平，若所述当前信道的噪声水平满足要求，则执行2）；否则随机切换到下一信道，然后执行1）；2）发射机进入搜索模式，发射机循环发送搜索帧A0；3）接收机开机后进入搜索模式，随机遍历预设信道，并记录信道噪声水平；4）接收机接收到A0帧后向发射机发送B0帧响应；发射机接收到B0帧后进入业务通信模式，并向接收机回复业务帧A1；接收机收到A1帧后进入业务通信模式，并向发射机回复反馈帧B1；5）接收机捕捉晶振容差导致的节拍差检索备选信道噪声水平，并在通信过程中将信息同步给发射机，当遇到干扰时，双方同步切换到备选信道。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法及系统。
背景技术
一般的无线通信技术，大多通过时间、频率、空间、码型四个不同维度信号独立或组合的正交特性来实现无干扰通信。而传统的无中心点对点无线通信一般采用以下三种方式进行：1）固定预设频率进行，当信道被干扰时通过手工切换通信信道，典型应用：对讲机，通用无线遥控器；2）设立少量公共的信令信道，设备在公共信道完成业务信道配置交互，然后切换到业务信道进行通信，业务信道通信失败后，切换回公共信道重新搜索，典型应用：蓝牙；3）通过码型正交或窄脉冲调制等扩频技术实现抗干扰点对点通信，典型应用：lora，uwb。
在工业遥控应用中，对无线通信有实时性、可靠性、延时低等要求，而且多套设备同时工作时，对系统容量有一定要求。但目前国家无线电委员会分发的非授权频段中，可用于工业遥控的无线频段窄，传统的433频段或314频段一般只有2MHz带宽，而且多套通信系统并存，因此在实际使用时无法实现收发设备的快速配对，以及遇到突发干扰时实现通信信道的快速切换。
发明内容
本发明的第一发明目的在于提供一种基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法，该方法能够实现收发设备的快速配对及遇到突发干扰时通信信道快速切换。
本发明的第二发明目的在于提供一种基于射频背景噪声感知的自适应信道选择系统。
为实现第一发明目的，采用的技术方案是：
一种基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法，包括：
1）发射机启动后，随机选择信道进入监听模式，通过监听评估当前信道的噪声水平，若所述当前信道的噪声水平满足要求，则执行2）；否则随机切换到下一信道，然后执行1）；
2）发射机进入搜索模式，发射机循环发送搜索帧A0；
3）接收机开机后进入搜索模式；
4）接收机接收到A0帧后向发射机发送B0帧响应；发射机接收到B0帧后进入业务通信模式，并向接收机回复业务帧A1；接收机收到A1帧后进入业务通信模式，并向发射机回复反馈帧B1。
优选地，发射机和接收机之间的通信信道包括有X组信道，X取值25~45之间。
优选地，所述1）中，通过监听的RSSI评估当前信道的噪声水平，若当前信道的噪声水平大于设定的通信门限，则当前信道的噪声水平不满足要求，记录当前信道的状态，随机切换到下一信道。
优选地，所述3）中，接收机通过以下算法对信道进行随机切换：
A）首先将备选的N个信道从小到大顺序排序放置在数组RN里面，通过等概率随机算法从[1,N]里选取一个整数M，信道RN[M]作为第一搜索信道；
B）令N=N-1；
C）循环A）~B）操作直到余下最后一个信道，完成一次搜索循环。
优选地，所述接收机进行搜索模式的过程中，记录各个信道的RSSI水平，形成整个频谱的局部噪声记录。
优选地，所述4）中，若发射机在发送搜索帧A0之后的T3时间内接收不到B0帧，则重新执行1）。
优选地，接收机接收到反馈帧B1后，接收机从空闲的信道中选择信道X0作为备用信道；
接收机通过信息分散将备用信道信息通过多个帧反馈给发射机；
接收机对A1帧的搜索采用定时轮询方式，轮询时间为T4，接收机每隔T4时间查询A1帧的接收情况；
接收机对信道X0的环境背景噪声进行监控，如信道X0的环境背景噪声异常，则选择另一空闲的信道作为备用信道，并通过信息分散将新的备用信道信息通过多个帧反馈给发射机；
当当前通信信道受到干扰时，发射机、接收机同步切换至备用信道进行工作。
优选地，接收机从空闲的信道中选择信道X0作为备用信道，备用信道需满足以下2个条件：
1）低噪声信道；
2）备用信道与当前通信信道的间隔在100kHz到500kHz之间。
优选地，所述发射机、接收机之间的收发机通信协议预留保护时间。
为实现第二发明目的，采用的技术方案是：
包括发射机、接收机，发射机、接收机应用以上所述的基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法能够在无中心支持情况下实现快速随机信道配对，及遇到干扰时完成备用信道的快速切换。采用该方法可以支持100套以上系统在2MHz带宽内实现同时无干扰点对点通信。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为频段内信道分组及随机配对示意图。
图2为发射机搜索模式工作时序图。
图3为接收机搜索信道遍历算法说明示意图。
图4为接收机工作时序图。
图5为发射机和接收机累计延时误差示意图。
图6为备用信道监控时序图。
图7 为干扰切换流程图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供的基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法包括有三个部分，分别为：一）信道组随机分配策略；二）发射机、接收机信道快速匹配及搜索感知算法；三）业务通信过程中备用信道感知及反馈算法。
一）信道组随机分配策略
一般ISM通信技术的信道带宽为12.5kHz及25kHz为主，6.25kHz及200kHz不常用。以12.5kHz为例，2MHz的带宽会被切分为160个信道，编号为1~160。将这160个信道平均分为X组，X取值25~45之间。每套收发系统内部写入X组信道，每个信道编号从该组信道中随机选择，操作如图1所示。
通过平均分组的方式，可以确保每个独立系统能覆盖全频段的频率范围，避免宽带干扰，而各个分组内部信道编号通过随机方式确定，可以最大的差异化两个独立系统，尽量避免同频干扰。
分组的数量的选择通过大系统仿真评估。过少会影响单个系统频率可选数量，降低本系统对其他通信系统抗干扰能力，分组数量过多会延长启动配对时间，并影响本系统多个收发终端间的信道选择差异性，降低系统内的抗干扰能力。
发射机、接收机的分组数量及每组中信道编号的值保持一致，随机性参数由设备的唯一编号（设备编号或芯片ID等）作为随机种子产生。这样可以保障随机性可被重复，方便设备维修及更换。
二）发射机、接收机信道快速匹配及搜索感知算法
发射机、接收机的通信采用同频TDMA方式，发射机作为时间锚点，接收机通过检测发射机信号同步双方时间。
发射机和接收机配对过程：
A）发射机启动后，随机从X组信道中选择一个信道，进入监听模式，监听时间Tlisten大于2个工作循环，监听过程中发射机通过RSSI评估当前信道噪声水平，若噪声大于通信门限（例如-90dBm），记录信道状态，然后随机切换X组信道中另一个信道。
B）若信道背景噪声满足通信要求，则进入搜索模式。搜索模式下，发射机先发送一帧搜索帧A0，持续时间T0，然后进行T1时间的接收。T=T0+T1为一个搜索循环时间。如图2所示。
C）接收机开机后，进入搜索模式，在X组信道中，通过图3所示算法，进行随机切换。每个信道驻留时间如为T2，T2大于T+T1。
其中，图3所示算法进行信道随机切换的具体过程如下：
1）首先将备选的N个信道从小到大顺序排序放置在数组RN里面，通过等概率随机算法从[1,N]里选取一个整数M，信道RN[M]作为第一搜索信道；
2）令N=N-1；
3）循环1）~2）操作直到余下最后一个信道，完成一次搜索循环。
通过图3所示的切换算法，可以确保信道的周期性遍历同时保证选取信道的随机性。实际切换效果如图4所示。
D）接收机编译一遍X组信道的固定时间为T3 ≈ X*T2≈X *（T0+T1），在搜索过程中，同步记录各个信道的RSSI水平，形成整个频谱的局部噪声记录。
E）接收机收到A0帧后，发射B0帧响应，发射机收到B0帧后进入业务通信模式，回复业务帧A1，接收机收到A1帧后，进入业务通信模式，回复反馈帧B1。
F）发射机在同一个频段搜索T3时间后，若无发现接收机，则重新进入监听模式，并切换到下一干净的信道。
上述方案中，整个系统在97%概率在T3时间内完成配对，建立起通信，100%概率在2*T3时间内完成配对建立起通信。
三）业务通信过程中备用信道感知及反馈算法
A）在业务通信过程中，收发设备采用TDMA接入方式，发射机发送控制帧A1，接收机反馈接收帧B1。
B）在搜索过程中，接收机从空闲的信道选择一个X0，作为备用信道。空闲信道的选择：1）优选搜索过程中检测的低噪声信道，2）信道与当前信道间隔在100kHz到500kHz之间。
C）收发机之间通过信息分散，将备用信道信息通过多个帧反馈给发射机。
D）由于收发设备间的晶振频率稳定度差异，必然存在频率差，所以收发机通信协议设计会预留保护时间。
E）接收机对A1帧的搜索采用定时轮询方式，轮询时间为T4，接收机在一定时间后，每隔T4时间查询A1帧的接收情况，假设A1帧时间为T5，随着时间累积，接收机会在N*T4和（N+1）*T4时间内检测到A1帧。如图5所示。
F）当接收机能在N*T4时间接收到A1帧时，离发射机开始启用接收业务还有较长时间，接收机切换到信道X0进行环境背景噪声监控。如图6所示。如噪声异常，则在下次监控时间内切换到另一个备用信道X1，并反馈给发射机新的备用信道X1。
G）当当前通信信道被干扰时，接收机和发射机可以同步切换至备用信道进行工作，而避免重新进行一轮搜索匹配过程。如图7所示。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，RandomAccessMemory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法，其特征在于：包括：
1）发射机启动后，随机选择信道进入监听模式，通过监听评估当前信道的噪声水平，若所述当前信道的噪声水平满足要求，则执行2）；否则随机切换到下一信道，然后执行 1）；
2）发射机进入搜索模式，发射机循环发送搜索帧A0；
3）接收机开机后进入搜索模式；
4）接收机接收到A0帧后向发射机发送B0帧响应；发射机接收到B0帧后进入业务通信模式，并向接收机回复业务帧A1；接收机收到A1帧后进入业务通信模式，并向发射机回复反馈帧B1；
接收机接收到反馈帧B1后，接收机从空闲的信道中选择信道X0作为备用信道；
接收机通过信息分散将备用信道信息通过多个帧反馈给发射机；
接收机对A1帧的搜索采用定时轮询方式，轮询时间为T4，接收机每隔T4时间查询A1帧的接收情况；
接收机对信道X0的环境背景噪声进行监控，如信道X0的环境背景噪声异常，则选择另一空闲的信道作为备用信道，并通过信息分散将新的备用信道信息通过多个帧反馈给发射机；
当当前通信信道受到干扰时，发射机、接收机同步切换至备用信道进行工作。
2.根据权利要求1所述的基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法，其特征在于：发射机和接收机之间的通信信道包括有X组信道，X取值25~45之间。
3.根据权利要求1所述的基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法，其特征在于：所述1）中，通过监听的RSSI评估当前信道的噪声水平，若当前信道的噪声水平大于设定的通信门限，则当前信道的噪声水平不满足要求，记录当前信道的状态，随机切换到下一信道。
4.根据权利要求2所述的基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法，其特征在于：所述3）中，接收机通过以下算法对信道进行随机切换：
A）首先将备选的N个信道从小到大顺序排序放置在数组RN里面，通过等概率随机算法从[1,N]里选取一个整数M，信道RN[M]作为第一搜索信道；
B）令N=N-1；
C）循环A）~B）操作直到余下最后一个信道，完成一次搜索循环。
5.根据权利要求4所述的基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法，其特征在于：所述接收机进行搜索模式的过程中，记录各个信道的RSSI水平，形成整个频谱的局部噪声记录。
6.根据权利要求4所述的基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法，其特征在于：所述4）中，若发射机在发送搜索帧A0之后的T3时间内接收不到B0帧，则重新执行1）。
7.根据权利要求1所述的基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法，其特征在于：接收机从空闲的信道中选择信道X0作为备用信道，备用信道需满足以下2个条件：
1）低噪声信道；
2）备用信道与当前通信信道的间隔在100kHz到500kHz之间。
8.根据权利要求7所述的基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法，其特征在于：所述发射机、接收机之间的收发机通信协议预留保护时间。
9.一种基于射频背景噪声感知的自适应信道选择系统，其特征在于：包括发射机、接收机，发射机、接收机应用权利要求1-8任一项所述的基于射频背景噪声感知的自适应信道选择方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |