CN115413042A - 一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法 - Google Patents

一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法，包括以下步骤：用户随机地向控制中心发出接入请求，并同步到数据链；控制中心分配控制序列和准确的访问时隙给用户；用户按照被分配的控制序列在不同时帧使用伪随机跳变的时隙进行数据传输。控制序列构造方法构建的数据链时隙控制序列在物理层实现数据链安全接入控制，使用户能够通过控制序列随机接入数据链进行数据传输，互不干扰，并且保证最大的时隙利用率。本发明所提供的基于控制序列的数据链安全接入方法同时具有抗截获能力强，时隙控制灵活、利用率高，并且通信链路稳定等特点。

Description

一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法
技术领域
本发明涉及数据传输及网络通信技术领域，尤其涉及一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法。
背景技术
数据链是按照规定的消息标准和通信协议，在指挥控制系统、传感器平台和武器平台之间，以面向比特的方式实时传输和处理战场态势、指挥控制、战术协同等格式化数字信息的空天地一体化的战术无线数据通信系统。其在本质上是一种实时分发、保密、抗干扰的数据通信网络。现有的数据链时分多址(TDMA)系统的信道接入策略分为：基于“竞争(contention-based)”的信道接入技术控制方案和“冲突避免(collision-free)”的信道接入控制方案。
基于“竞争”的信道接入方案主要采用载波侦听、退避等待以及错误重传等技术。该方案技术不具有抗截获能力且接入性能随着业务量增加急剧下降，时隙利用不充分。
冲突避免类信道接入技术又称为分配类信道接入技术。在分配类信道接入算法的控制下，网络中的节点使用分配到的一个或多个时隙来传输数据业务。分配类信道接入技术按照其采用的时隙分配方式不同又可分为静态TDMA信道接入技术、动态TDMA信道接入技术、确定性信道接入技术。
静态TDMA信道接入技术采用集中式的时隙分配方式，为每个节点分配固定数量的时隙资源。作为现代战场的数据链系统，静态TDMA信道接入技术方案的缺点：不具有抗截获能力且时隙利用不充分，接入控制方式不灵活。
动态TDMA信道接入技术采用分布式时隙分配方式，让每个节点都能获取所需的时隙资源。该技术系统控制开销大并且当网络用户密度大时，拓扑结构变化频繁，通信链路稳定性差。
确定性信道接入控制技术规定各节点根据事先分配的确定性序列安排发送和接收数据时刻，其主要基于协议序列、冲突避免码、跳频/时序列和控制序列等序列实现接入控制。
协议序列是针对无反馈冲突信道多节点接入模型设计的一种控制节点接入信道的周期性二进制序列集。针对不同通信系统要求，协议序列设计的指标也相应发生变化。协议序列有如下缺点：(1)全部节点需要同时处于活跃状态；(2)无法保证一时帧内数据的无冲突传输； (3)时隙利用率低；(4)发送-接受对之间只有一个无冲突传输；(5)需入网时分配序列。
冲突避免码用于保证时隙同步情况下每个节点在一个序列周期内至少能够成功发送一次数据。拓扑透明传输调度码是一种具有特定码重与汉明相关的二进制序列，主要用于移动自组织网络。二者具有与协议序列相同的问题。跳频/时序列的设计目标是确保在一个周期内，对于所有的延迟偏移，任何一对发射接收机都能在公共信道上会合。跳频/时序列无法保证一时帧内的无冲突传输且时隙利用率低。
发明内容
基于上述现有的基于竞争的信道接入技术和冲突避免类信道接入技术中存在的不足之处，本发明提供了一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法，具体技术方案如下：
本发明提供一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法，包括以下步骤：
用户随机地向控制中心发出接入请求，并同步到数据链；
控制中心分配控制序列和准确的访问时隙给用户；
用户按照被分配的控制序列在不同时帧使用伪随机跳变的时隙进行数据传输。
进一步，一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法，其特征在于，在接入控制过程中用户共用一个全局时钟，保证用户绝对同步。
进一步，一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法，其特征在于，所述控制序列在物理层实现数据链安全接入控制，用户通过使用控制序列随机接入数据链进行无冲突数据传输，最大程度提升抗截获能力。
进一步，一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法，其特征在于，用户通过使用控制序列，随机、均匀、互不干扰地选择时隙，最大程度利用时隙资源。
进一步，一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法，其特征在于，所述基于控制序列集的数据链安全接入方法包括以下步骤：
入网选择控制序列s1，则从#1时帧开始，使用时隙s1(1)，s2(2)，…，s1(n)进行数据传输，在后续不同时帧所使用的时隙按照控制序列s1进行随机跳变，保证其数据传输的安全性；
被分配到序列sx，从#1时帧到#i-1时帧使用时隙sx(1)，sx(2)，…，sx(i-1)进行数据传输，在 #i-1时帧完成数据传输后，退网并将序列sx释放，使其可以后续入网使用；
在#i-1时帧与系统完成同步，被分配到序列sM，则从#i时帧开始，使用时隙sM(1)，sM(2)，…，sM(n)进行数据传输；
在#i时帧完成系统同步后，被分配到序列sx，则从#i+1时帧开始，使用时隙sx(i+1)， sx(i+2)，…，sx(n)进行数据传输。
进一步，一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法，其特征在于，所述控制序列的构造方法，包括以下子步骤：
S11：构造一条初始序列S(0)，其元素值由给定的公式：
Figure BDA0003820292860000031
Figure BDA0003820292860000032
计算出来，同时给定整数k的值；
S12：由欧拉函数φ(k)确定整数d的最大取值使得dmax＝φ(k)，并在域
Figure BDA0003820292860000033
中找出满足 org(g)＝d的整数g；
S13：利用整数g，在第一轮迭代，可由初始序列S(0)生成序列S(1)，即
Figure BDA0003820292860000034
Figure BDA0003820292860000035
S14：利用整数g对初始序列S(0)进行k次迭代，即
Figure BDA0003820292860000036
Figure BDA0003820292860000037
从而生成k条序列；
S15：在第j轮迭代，生成的序列
Figure BDA0003820292860000038
中的元素值可表示为
Figure BDA0003820292860000039
其中，bj＝aj·dj-1k+bj-1，0≤aj≤d-1，0≤bj≤djk-1。
本发明的有益效果：
在本发明所提出的模型及方法中，使用控制序列进行时隙控制。控制序列是面向数据链的具有零时延、零相关性、非周期特性的q元伪随机序列，通过使用控制序列，用户数据在每个时帧中能实现无冲突传输，终端用户也能够随机、均匀选择连续帧中跳变的时隙，最大限度提高时隙利用率。因此，基于控制序列的数据链接入控制方法有以下优点：(1)较强的抗截获能力；(2)最大化时隙平均利用率；(3)接入控制灵活；(4)通信链路稳定，系统开销小。
附图说明
图1所示是本发明基于控制序列的数据链安全接入控制方法的原理图。
图2所示为本发明所提供的一种控制序列构造算法。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
本发明提出一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法，使用控制序列在绝对同步的情况下进行相位控制；用户随机地向控制中心发出接入请求，并同步到数据链；控制中心分配控制序列和准确的访问时隙给用户，用户按照被分配的控制序列在不同时帧使用伪随机跳变的时隙进行数据传输。
在本实施例中，如图1所示，用户A入网选择控制序列s1，从#1时帧开始，使用时隙s1(1)，s2(2)，...，s1(n)进行数据传输。在后续不同时帧所使用的时隙按照控制序列s1进行随机跳变，保证其数据传输的安全性；
用户B被分配到序列sx，从#1时帧到#i-1时帧使用时隙sx(1)，sx(2)，...，sx(i-1)进行数据传输。用户B在#i-1时帧完成数据传输后，退网并将序列sx释放，使其可以被后续入网用户使用；
用户C在#i-1时帧与系统完成同步，被分配到序列sM，从#i时帧开始，使用时隙sM(1)， sM(2)，...，sM(n)进行数据传输；
用户D在#i时帧完成系统同步后，被分配到序列sx，从#i+1时帧开始，使用时隙 sx(i+1)，sx(i+2)，...，sx(n)进行数据传输。
数据链时隙控制序列是在物理层实现数据链安全接入控制、提高时隙利用率的有效途径。用户通过使用控制序列，可以实现随机接入数据链进行数据传输，互不干扰，并且保证最大程度利用时隙。本发明还提出了一种访问应用控制模型的控制序列集构造方法，满足上述使用控制序列安全接入数据链的要求。
在算法实施例中，如图2所示，提出了基于控制序列的数据链安全接入控制方法中一种构建控制序列算法，该方法给定一时帧内的时隙数k和初始序列S(0)，即输入：整数k，控制序列集初始化序列
Figure BDA0003820292860000041
时隙数决定数据链能够同时接入的最大用户数量，初始序列S(0)由给出的构造算法经过k轮迭代生成供k个用户同时使用的k条长为djk的控制序列，即输出：控制序列集S，包含k个时隙为k序列长度为 djk的控制序列；而后用户按照上述访问应用控制模型的步骤简述使用控制序列随机接入数据链，具体构造算法代码如下：
Figure BDA0003820292860000042
Figure BDA0003820292860000051
具体子步骤如下：
S11：构造一条初始序列S(0)，其元素值由给定的公式
Figure BDA0003820292860000052
计算出来，同时给定整数k的值；
S12：由欧拉函数φ(k)确定整数d的最大取值使得dmax＝φ(k)，并在域
Figure BDA0003820292860000053
中找出满足 org(g)＝d的整数g；
S13：利用整数g，在第一轮迭代，可由初始序列S(0)生成序列S(1)，即
Figure BDA0003820292860000054
Figure BDA0003820292860000055
S14：利用整数g对初始序列S(0)进行k次迭代，即
Figure BDA0003820292860000056
Figure BDA0003820292860000057
从而生成k条序列；
S15：在第j轮迭代，生成的序列
Figure BDA0003820292860000058
中的元素值可表示为
Figure BDA0003820292860000059
其中，bj＝aj·dj-1k+bj-1，0≤aj≤d-1，0≤bj≤djk-1。
所构造的控制序列适用于数据链，是具有零相关性、零时延、非周期特性的q元伪随机序列，可有效提高数据链系统信息传输的安全性和可靠性。基于控制序列数据链路接入控制方案利用控制序列对数据链中的各个用户的时隙进行分配，不需要使用传统信道接入方案中的信道监控、退避算法或包重传技术。另外，任何节点在不同时帧使用的时隙是按照控制序列进行伪随机选择的。通过使用控制序列，用户数据在每个时帧中实现无冲突传输，终端用户也能够随机、均匀地选择连续帧中跳变的时隙，最大限度地提高了资源的利用率。基于控制序列的数据链安全接入控制方法有以下两个突出优点：提升抗截获能力以及提高时隙的平均利用率。
本发明所提出的一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法不仅可以实现用户随机入网，可以最大限度地利用时隙资源来实现网络信道容量最大化，而且可以通过主窃信道之差，实现消息的抗截获、抗窃听和安全隐秘性。同时，基于控制序列的数据链，还具有控制灵活，可扩展为无中心节点控制模式；通信链路稳定；实现简单，系统开销小等优点。因此，基于控制序列的数据链安全接入控制方法是同时具有抗截获能力强，时隙控制灵活、利用率高，并且通信链路稳定等特点的时隙控制方法。
本发明主要针对面向数据连接入控制的控制序列相关技术进行研究，是数据链接入控制方向的极具挑战性的开创性课题。研究成果为控制序列在数据链的应用奠定理论依据，为基于序列的数据链接入控制的时隙利用率、抗截获等性能之间的最优化关系给出理论指导。对于推动数据链系统的实际应用具有关键作用，对我国的民用无线电通信和军事抗干扰通信都将产生积极的影响，尤其是对于提高数据链的信息传输的安全性和可靠性起到至关重要的作用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
用户随机地向控制中心发出接入请求，并同步到数据链；
控制中心分配控制序列和准确的访问时隙给用户；
用户按照被分配的控制序列在不同时帧使用伪随机跳变的时隙进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法，其特征在于，在接入控制过程中用户共用一个全局时钟，保证用户绝对同步。
3.根据权利要求1所述的一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法，其特征在于，所述控制序列在物理层实现数据链安全接入控制，用户通过使用控制序列随机接入数据链进行无冲突数据传输，最大程度提升抗截获能力。
4.根据权利要求1所述的一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法，其特征在于，用户通过使用控制序列，随机、均匀、互不干扰地选择时隙，最大程度利用时隙资源。
5.根据权利要求1所述的一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法，其特征在于，所述基于控制序列集的数据链安全接入方法包括以下步骤：
用户入网选择控制序列s1，则从#1时帧开始，使用时隙s1(1),s2(2),…,s1(n)进行数据传输，在后续不同时帧所使用的时隙按照控制序列s1进行随机跳变，保证其数据传输的安全性；
用户被分配到序列sx，则从#1时帧到#i-1时帧使用时隙sx(1),sx(2),…,sx(i-1)进行数据传输，在#i-1时帧完成数据传输后，退网并将序列sx释放，使其可以后续入网使用；
用户在#i-1时帧与系统完成同步，被分配到序列sM，则从#i时帧开始，使用时隙sM(1),sM(2),…,sM(n)进行数据传输；
用户在#i时帧完成系统同步后，被分配到序列sx，则从#i+1时帧开始，使用时隙sx(i+1),sx(i+2),…,sx(n)进行数据传输。
6.根据权利要求1所述的一种基于控制序列的数据链安全接入控制方法，其特征在于，所述控制序列的构造方法，包括以下子步骤：
S11：构造一条初始序列S(0)，其元素值由给定的公式：
Figure FDA0003820292850000011
Figure FDA0003820292850000012
计算出来，同时给定整数k的值；
S12：由欧拉函数φ(k)确定整数d的最大取值使得dmax＝φ(k)，并在域
Figure FDA0003820292850000013
中找出满足org(g)＝d的整数g；
S13：利用整数g，在第一轮迭代，可由初始序列S(0)生成序列S(1)，即
Figure FDA0003820292850000014
Figure FDA0003820292850000015
S14：利用整数g对初始序列S(0)进行k次迭代，即
Figure FDA0003820292850000021
Figure FDA0003820292850000022
从而生成k条序列；
S15：在第j轮迭代，生成的序列
Figure FDA0003820292850000023
中的元素值可表示为
Figure FDA0003820292850000024
其中，bj＝aj·dj-1k+bj-1,0≤aj≤d-1,0≤bj≤djk-1。
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