CN1719741A - 采用单扩频码的不同相位序列实现码分多址的扩谱通信系统和无中心无线网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用单扩频码的不同相位序列实现码分多址的扩谱通信系统和无中心无线网络。该扩谱通信系统包括一个卫星接收时钟提取单元、一个时钟同步单元、一个控制时隙产生单元、一个匹配单元，一个相关多路选择单元、一个解调单元、一个控制处理单元，一个PN码组发生器、一个码多路选择单元、一个扩频调制单元、一个双工器。时钟接收单元接收无线电信号，并从中提取时钟，供系统使用。时钟同步单元产生与数据时钟同步的码片时钟脉冲。匹配接收单元接收无线电信号，产生多路匹配相关信号，在控制时隙信号的控制下由相关多路选择单元选定指定时隙内的相关值输出到解调单元，解调单元完成相关峰携带信息的解调。控制处理单元在控制时隙的控制下，读取指定相关峰的指定时隙内的相关数据值，对一个周期内的各相关数据进行处理，判断各相关峰脉冲电平大小等情况，根据信道使用情况，为发射信号选择合适的相位序列作为扩频码，或根据通信双方协商选择相位序列作为本地扩频码，用于相关接收。由于本扩谱通信系统采用单一扩频码的不同相位序列实现码分，使得移动节点可以自行实现扩频码序列的动态分配，不需要借助诸如基站的控制中心来实现扩频码序列的动态分配。

Description

采用单扩频码的不同相位序列实现码分多址的 扩谱通信系统和无中心无线网络

技术领域

本发明涉及一个采用单一扩频码的不同相位序列构成的码集来实现码分多址的扩谱通信系统，这种扩谱通信系统可应用于无线网络，尤其适用于无中心的多个移动节点组成的无线移动通信网络。

背景技术

采用扩频技术的无线网络有两类：一类是有中心的无线网络，如CDMA移动通信系统，各移动站都是由基站负责扩频码的动态分配(即信道分配)，两移动站即使在一个小区内，它们之间通信也必须经基站转发实现；另一类是无中心的无线网络，如无线自组织网(无线Ad Hoc网络)和无线传感网络，这种网络的节点之间不需要经过基站或其它管理控制设备就可以直接实现点对点的通信。而且当两个通信节点之间由于功率或其它原因导致无法实现链路直接连接时，网内其它节点可以帮助转发，以实现网络内各节点的相互通信。由于节点是在随时移动着的，因此这种网络的拓扑结构是动态变化的。它们之间的通信模式也就无法直接照搬目前现有基础设施的通信网的通信模式。

扩频技术用于无线网络，有许多优点，其中很重要的就是抗衰落和实现码分多址接入，网络吞吐量大。因此，目前在无中心的无线网络中，有很多采用扩频技术实现通信的系统。在直接扩谱通信系统中，合适的扩频码是系统的核心，所有关键技术都是围绕扩频码展开的。在CDMA移动通信系统中，移动站利用扩频码在同步时具有良好的互相关特性实现解扩和消除多址干扰(MAI)的。

但在无中心的无线网中，存在以下两方面的问题：

一方面很难实现全网同步，在不同步的情况下，各信道间的多址干扰很大，如采用Walsh码，其互相关性很差，非同步情况下，彼此干扰很大。采用Gold码，其最大互相关值有所改善，但随信道的增多，MAI也会增大，以127位Gold码为例，其互相关为17/127(归一化值)，接近1/7，处理增益显然不够大。m序列具有单一自相关峰值，即自相关性好，但不同的m序之间的互相关并不好。最好的互相关序列实际上就是优选对，其互相关性能与Gold码的互相关性能相同。正如前面的例子一样，以127位的序列为例，其最大互相关值为17/127。可见，采用Walsh、Gold码或不同的m序列，用于无中心通信网络时，在不同步的情况下，其信道间的多址接入干扰MAI还是很大的。

另一方面，要找到足够多的扩频码构成的码组，其两两之间的互相关性能良好是很困难的。而且无中心无线网络几乎不可能实现全网时钟同步，故不可能采用Walsh、Gold和m序列来实现码分。我们知道，寻找一个扩频码，其自相关性良好，即具有单一相关峰值，其线性相关和循环相关性都比较好，找单个这样的扩频码较之寻找多个两两互相关性能良好的码组要容易。如巴克码、m序列和特定的具有零相关特性的扩频码等都具有良好的自相关性能。如以m序列为例：m序列具有很好的自相关性，任意m序列PN(t)与该m序列的移相序列PN(t-kτ_c)之间的互相关只要kτ_c大于一个码片时隙，其值是为-1/N。利用这一特性，可以实现码分信道。

在现有的采用扩频技术的无中心无线网络(如Ad hoc和传感网)中，一种是在物理层采用单扩频信道，接入层采用802.11DCF协议，这种系统没有充分利用扩频码分实现多信道的优势，网络吞吐量不大。还有一种是利用扩频码分实现多信道的无中心无线网络，但其网络中的节点都分配一个固定的扩频码。目前一种适用于无中心无线网络的多信道扩谱通信系统实现框图如图1或图2所示：

这种适用于无中心无线网络的多信道扩谱通信系统的接入方法是：当一个包含该系统的源节点有数据需要发送时，首先在公共信道C₁上发送请求包RTS，所有空闲节点均在C₁信道上守候，即用扩频码C₁进行解扩处理。目的节点在C₁信道上接收到发送请求包RTS信息后，同样在公共信道C₁上发送应答包CTS给源节点。发送请求包RTS包含源节点识别地址(或称地址)ID、目的节点识别地址ID、即将用来传送数据包的信道号等信息。应答包CTS包含目的节点识别地址ID、源节点识别地址ID、传送数据包的信道号等信息。当源节点收到目的节点发送来的应答包CTS后，即转到所选择的信道C_i上发送数据包，即用扩频码C_i对数据进行扩谱调制。同时目的节点在公共信道上发送完应答包CTS后，立即按发送请求包所告之的信道号，转到信道C_i上进行接收，即用扩频码C_i对所接收的信号进行相关解扩处理。目的节点正确接收到数据包后，即在同一信道C_i上发确认包ACK。源节点在发完数据包后即在同一信道C_i上接收目的节点的确认包。所有其它在公共信道上收到发送请求包RTS或应答包CTS的节点，自动在相应的信道C_i上进行退避，退避时长由数据包的时长和应答包CTS时长、保护时隙等确定，这样系统即完成了一次接入。该扩谱通信系统可以实现信道的动态分配(DCA)。

采用图2实现的扩谱通信系统应用于无中心无线网络时，其功能原理同前述系统。图2所示的扩谱通信系统与图1所述的扩谱通信系统的区别在于：图2所述的扩谱通信系统采用m个与C₁……C_m扩频码分别对应的匹配器来实现解扩。图2所示的扩谱通信系统在硬件实现上较复杂庞大。

图2所示系统中的匹配器如图3所示。所示系统中的匹配器实际上是完成如下运算：

$R\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{x}_{i+n}$

其中{a_i}(0≤i≤N-1)为本地系数序列，{x_i}(0≤i≤∞)为接收序列，R(n)表示计算所得的相关值。系数序列{a_i}取值为{±1}，接收序列为经过A/D变换后的量化数值序列。

所述的这两种扩谱通信系统应用于无中心的无线网络时，其缺点是：

(1)在网络不能实现全网时钟同步的情况下，所假设C₁……C_m扩频码集内，扩频码两两之间具有良好的互相关性。正如前面所述，这在实际实现上是很困难的。

(2)由于无中心无线网络的移动性，在公共信道和数据信道的碰撞仍是不可避免的。

(3)发送数据的信道的选择，是由源节点选定，没有参考目的节点的信道状态表中各信道的状态，即如果源节点所选信道在目的节点处为忙时，必然导致出现接入失败。

(4)仍然未解决隐藏终端和暴露终端问题。

(5)不具备实时监测信道状态的功能。

还有一种现有通信系统应用于无线无中心网络，所有节点的系统时钟均采用卫星发送的时钟信号，由卫星接收机接收来自卫星的无线电信号，并从中提取时钟信号供各节点作系统时钟使用。(见SYN-MAC：A Distributed Medium Access ControlProtocol for Synchronized Wireless Networks  www.cacs.louisiana.edu Hongyi Wu，Anant Vtgikar，and Nian-Feng Tzeng和A Simple Distributed PRMA for MANETs，IEEETransactions on vehicular technology，VOL51，No2 MARCH 2002 P293-P305)见图4。采用这种方案的系统，其特点是全网内所有节点均接收来自卫星的时钟信号，可以保证信号的发送时刻同步。但由于节点的随机分布和移动性，并不能保证信号到达目的节点时不同信道的正交性，因而不能完全消除多址接入干扰。

综上所述，由于无中心无线网络中的各节点是移动的、无中心的，网络拓扑动态变化，故不可能实现全网同步。所以在这样的网络中直接采用现有的扩频码分技术实现多址接入是不可行的。在网络不同步时，信道间的多址接入干扰(MAI)很严重。所以目前在无中心的无线网络中物理层是采用扩频技术的单信道，接入层采用802.11DCF协议。若采用多码的扩频码分技术实现多接入信道，由于无中心控制，各移动节点无法知道整个网络的信道使用状态，故不可能实现动态码分配(DCA)机制，极大地限制了扩频技术在无线网络中的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一个用单扩频码的不同相位序列实现码分多址的扩谱通信系统，使多个移动节点在无中心控制的情况下，实现码分多址(即多信道)，即实现任意两节点链路的建立。多个节点对(一个节点对为一对收发节点)用相同的扩频码的不同相位序列对数据信号进行频谱扩展，并且节点均使用卫星提供的数据时钟，从而在一个节点的覆盖区内，不同节点一比特信号的发送时刻基本同步，只要覆盖区内节点到目的节点的路径时延差小于相邻相位序列的时延，则不会导致在目的节点处出现同信道干扰。从而可实现同时用相同频带的无线电信号进行两两之间的通信，提高网络吞吐量，减小多址接入干扰。

本发明的另一个目的是提供应用扩谱通信系统的无中心无线网络，由于不同的信道使用的是同一扩频码的不同相位序列，使得采用这种扩谱通信系统的无中心网络中的各节点能自主地监测其覆盖区内的信道使用情况，从而能够自行实现信道动态分配(即自行选择空闲的扩频码)，避免了碰撞。

为了达到上述目的，本发明的构思是：

本发明就是为减小无中心无线网络中的多址干扰，实现动态码分配(DCA)机制而提出的。其基本思想是所有移动节点都接收某个卫星的无线电信号，从所接收的无线电信号中提取时钟作为节点的数据时钟。而采用的扩频码集是由单扩频码的不同相位序列构成，由于采用统一的数据时钟，在一个节点的覆盖区内的节点所发送的扩频信号的发时刻是同步的，只要覆盖区内节点到目的节点的路径时延差小于相邻相位序列的时延，则不会导致出现同信道干扰。

由于所有节点均接收卫星的无线电信号并从中提取时钟作为数据时钟。经理论分析可知，卫星信号到达任意相距r的两移动节点的路径差 $d\≈\frac{r^2}{2R},$ R为卫星离地面的高度。以无中心无线网络的节点覆盖区半径300米，卫星以低轨卫星(R＝300Km)为例。d≈0.15米，两路径时延 $\mathrm{\τ}\≈\frac{d}{C}=0.5\mathrm{ns}.$ 则都在目的节点覆盖区内的任意节点A和C发信号到达目的节点的最大时差不会超过1ns。若数据速度为1Mbps，采用63位m序列扩频码，则T_c≈16ns，可见路径时延对一定覆盖区内的扩频信号的延时影响很小，只占一个Chip时隙的1/16。故可以认为在一个无中心的无线网络中，任意一节点的覆盖区内的两节点的扩频信号发送时刻是同步的，只要扩频码在较小的时延条件下，其互相关值较小(如m序列的相移大于一个码片的序列之间的互相关值)，彼此造成的多址接入干扰(MAI)较小，不同移动节点完全可以接收所需的相位序列对应的信道传输的数据信息。尤其重要的是，由于所有移动节点均采用同一个扩频码的不同相移序列作为扩频码，所以单个节点即可实现对所有信道的状态的检测，从而实现无中心、动态码分配(DCA)机制。

本发明涉及采用扩频技术的无线网络，尤其是无中心的无线网络，网络由多个移动节点组成，在一个节点的覆盖区内的其他节点均可与该节点进行半双工通信(时分双工TDD方式)；一个节点覆盖区外的节点均不可能与该节点通信，它们之间通信必须由其它节点转发。

图5是采用本发明的扩谱通信系统的网络结构图。图中节点100包含本发明的扩谱通信系统，即所有节点具有相同的软件和硬件。所有节点间采用本发明的扩谱通信系统进行通信。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种采用单一扩频码的相位序列实现码分的扩频通信系统包括：

一个用来接收无线电信号的匹配单元，其输出为多路相关数据；

一个相关多路选择单元在控制处理单元的控制下，将指定时隙内的相关数据值输出至解调单元；

一个解调单元解调指定时隙的相关数据所携带的基带信息；

一个双工器，在控制处理单元的控制下完成收发转换；

一个扩频调制单元，将窄带低速率数据信号扩展成宽带信号；和一个码多路选择器，系统发送控制包时，在控制处理单元的控制下，选择公共信道所对应的扩频码的相位序列输出；发送数据包时，则选择收发双方约定的扩频码相位序列输出。

一个控制处理单元，控制所述的相关多路选择单元、解调单元、双工器和扩频调制单元。

其特征在于还包含有：

一个卫星接收时钟提取单元，接收卫星发送的无线信号，并从中提取时钟作为所述扩谱通信系统的数据时钟；

一个时钟同步单元，产生扩频码时钟，扩频码长为N，则数据时钟周期Td与扩频码码片(简称chip)周期T_C之间的关系为T_d＝NT_C，即保证数据与扩频码之间的同步关系；

一个扩频码组发生器，产生的扩频码是巴克码、m序列或其它具有良好的自相关性能的码序列。其输出为所述扩频码及其相位序列构成的码集。

一个时序产生单元，产生与信道(扩频码相位序列)对应的时序信号。

上述的控制处理单元，其核心是CPU处理器，读取指定时隙的指定相关值，指定时隙内相关值的大小代表信道的忙闲；对指定时隙内相关值的大小进行判别，超过一定的门限值，表示相应的信道正忙，低于某一给定门限表示该信道为空闲；并将结果存放在信道表中，并动态更新结果；同时该单元存储有媒体接入控制(MAC)协议；在所述控制处理单元的控制下，使解调单元在空闲时只解调公共信道的信息；一个移动节点要发送数据时，在公共信道上完成双方协商后，则在协商指定的信道上发送数据信息；发控制包时选择公共信道所对应的扩频码相位序列；发数据包时则选择收发双方协商好的扩频码相位序列；所述控制处理单元接收解调单元送来的数据，并交上层程序处理；该控制处理单元还完成：控制双工器完成收发转换、控制扩频码的选择，控制多路相关输出的选择。

所述的采用单扩频码的不同相位序列实现码分多址的扩谱通信系统，其特征是使用扩频码的不同相位序列集构成扩频码集；如扩频码PN(t)、PN(t-τ₀)……PN(t-kτ₀)，其中k的取值应满足(k+1)τ₀＜NT_C；N为码长。

所述的采用单扩频码的不同相位序列实现码分多址的扩谱通信系统，其匹配相关单元输出多路与扩频码PN(t)、PN(t-τ₀)……PN(t-kτ₀)分别匹配的相关值R0，R1，R2......Rk。

所述的采用单扩频码的不同相位序列实现码分多址的扩谱通信系统，其扩频码码片(Chip)时钟与数据时钟同步，且数据时钟周期T_d与码片周期T_C之间有如下关系：T_d＝NT_C，N为扩频码码长。

所述的采用单扩频码的不同相位序列实现码分多址的扩谱通信系统，由于系统使用单一扩频码，扩频码的不同相位序列代表不同的信道，故可用一个匹配单元107接收扩频信号，其输出为多路相关值，对不同时隙各路相关峰脉冲值的读取判别即代表对不同信道的忙闲状态的检测；超过一定门限即表示对应的信道处于忙；低于一定门限表示该信道处于空闲状态；

一种采用所述扩谱通信系统的无中心无线网络，有多个移动节点组成，每个移动节点设置一个所述的采用单扩频码的不同相位序列实现码分多址的扩谱通信系统。

所述的无中心无线网络，其中各移动节点都接收同一卫星的无线电信号并从中提取时钟作为系统的数据时钟。

所述的无中心无线网络，一个移动节点的覆盖区半径r与扩频码集中两相邻相位序列的时延τ₀之间有如下关系：r＜Cτ₀，式中C为光速，τ₀为相邻相位序列的时延。即以r为半径的覆盖区内，各移动节点可以正确接收该扩谱通信系统发送的信息。在该覆盖区之外则不能正确接收该扩谱通信系统发送的信息。

所述的无中心无线网络，每个移动节点由于可以监测所有扩频信道的使用情况，故多个移动节点组成的无线网络可以在没有中心站的情况下，动态分配信道；具体分配机制是：有数据包要发送的移动节点在公共信道上发送请求发送包，该包包含发送节点的识别地址(以下简称ID)，接收节点的识别地址ID，发送节点的信道状态表。目的移动节点在公共信道上收到请求包后，根据发送节点的信道状态表，与本节点信道状态表对比，随机选取一个空闲信道，然后在公共信道上发响应包，响应包应包含发送节点ID，目的节点识别地址ID及所选的信道号。发送节点收到响应包后，在公共信道上发送一个确认包，确认包应包含发送节点识别地址ID，接收节点识别地址ID，信道号。随后发送节点转到相应的信道上发送数据包。目的节点在公共信道上收到确认包后，则转到相应的信道上接收数据包；接收完毕后，目的节点在同一信道上发送确认包。

在包含多个移动节点的采用本发明的无线网络中，由于各节点的数据时钟基本同步，故可采用m序列或其他具有单自相关峰值的扩频码的不同相位序列组成一组扩频码集供多节点共享。具体实现办法如下：扩频码PN(t)，其不同相位序列组成的码集为：PN(t)，PN(t-τ₀)，PN(t-2τ₀)……PN(t-Kτ₀)。其中kτ₀＜NT_C。τ₀为T_C的整数倍，即τ₀＝JT_C。故码集中码个数为I＝[N/J]个。J的选择与单个节点的覆盖区半径r＜Cτ₀(或说与发射功率)有关。若覆盖区域大，J应适当增大，从而确保在一个节点的覆盖区内的任意两节点所使的扩频信号不会因路径时延而在接收节点处相同，也就不会造成同道干扰。

本发明能够使单个节点对所有信道进行实时监测。因为整个网络均使用单一扩频码，用其不同相移序列代表不同的信道，故用一个匹配网络，即可输出多路相关数据，指定时隙内相关峰的出现即代表相应的信道(移相序列)忙，当无相关峰或相关峰值低于设定门限，即意味相应信道处于空闲状态。同时每个节点还检测相关峰的上限值，当大于一门限时，即两节点很近，互相进入对方多址干扰区，此时应避免两节点同时出现一个节点收和一个节点发的情况。

本发明还包括：每个节点均保存有一张信道状态表，状态表中存储有各信道的忙闲状态。供本节点进行多址接入时选择空闲信道。

每节点还包括一张节点与邻节点的距离表，表中存储有本节点监测到的邻节点信号的相关峰值大小。当相关峰大到于一门限，则意味着两点相距很近，可能互相进入了对方的MAI干扰区。这时如果一方正接收信号(通信)，则另一方应回避(退避)，避免出现多址干扰。

各节点的码分多址接入方法如下：各节点进行动态码分配(DCA)。当某一节点有数据需要发送时，该节点先在公共信道(例如用PN(t)进行扩频)上完成CSMA/CA接入，如果信道忙，则随机退避，退避时间到，则继续检测，若经过一个时隙信道仍忙，则继续退避，否则发送请求包。所有的空闲节点均在公共信道上守候。请求包包含发节点识别地址ID、目的节点识别地址ID、发节点空闲信道号。目的节点收到发给自己的请求包后，则检测出发送节点的空闲信道号，根据本节点信道状态信息，选择一个收发双方都是空闲的信道号，放入目的节点发送的响应包中。发节点收到目的节点的响应包后，发送节点发确认包(ACK)，ACK包中包含有所选择的发信道的信道号。

如果目的节点不在发节点的覆盖区，则收节点按路由协议进行路由发现。发节点和目的节点的邻节点均在空闲信道上守候，检测发送请求包RTS，响应包CTS和确认包ACK的信息，并在收发双方所选择的信道上进行退避。

发节点在发完确认包ACK包后转到所选择的信道上发送数据包，目的节点转到所选择的信道上接收数据包。完成数据包的接收后，目的节点在所选择的信道发送确认包并释放该信道。

本发明与已有技术相比，有如下显而易见的突出的实质性特点和显著优点：

(1)本发明采用单一扩频码，而寻找单个具有良好自相关性的扩频码较之寻找多个两两互相关性能良好的码组要容易，实现简单，信道间接入干扰较小。

(2)容易实现多信道接入，网络吞吐量高。

(3)节点具备实时监测信道状态的功能。

(4)由于不同的信道使用的是同一扩频码的不同相位序列，各节点能够自行实现信道动态分配(即自行选择空闲的扩频码)，避免了碰撞。

(5)节点能实时监测信道使用情况，从而解决隐藏终端和暴露终端问题。

附图说明

图1表示一种已有的适用于无线多跳网络的多信道扩谱通信系统组成示意图。

图2表示另一种已有的适用于无线多跳网络的多信道扩谱通信系统组成示意图。

图3表示现有系统中的匹配器组成示意图。

图4表示采用卫星发时钟的一种系统组成示意图。

图5表示无中心无线网络组成示意图。

图6表示采用单扩频码的不同相位序列实现码分的扩谱通信系统组成示意图。

图7表示扩频码组发生器组成示意图。

图8表示匹配器的组成结构示意图。

图9表示控制时隙产生单元组成示意图。

图10表示控制时隙信号示意图。

具体实施方式

本发明的一个优选实例结合附图详述如下：

图5表示进行单扩频码的不同相位序列实现码分多址的一个无中心无线网络。A与B，C与D互为邻节点，相互之间进行通信。H与E是A的邻节点，但处于空闲状态，没有数据发送。除H、B、E、外，其它节点均在A节点覆盖区之外，不能直接接收节点A所发出的数据包，只能通过其他节点转发，如图1的实例中可由B转发给O节点。在一般无中心无线网络中，图中E和F是不能同时进行通信的。在本发明中，E和F可以同时在不同的信道上进行通信。

图6表示的是一个节点的扩频通信系统的组成框图。系统主要由卫星接收时钟提取单元，Chip时钟同步单元，PN码发生器，时序控制单元，扩频调制单元，整形电路，高频前端电路，双工器，控制处理单元，匹配接收单元和信道检测单元等组成。

扩频通讯系统的具体结构说明如下：

(1)经卫星接收天线112接收的无线信号送到卫星接收时钟提取单元101，由本单元以所输入的卫星发送的无线电信号中提取时钟作为数据时钟。所述时钟同时送往时钟同步单元102、控制时序产生单元111、PN码组发生器103和控制处理单元110的一个输入端。

(2)时钟同步单元102由鉴相器102-1、低通滤波器102-2、压控振荡器102-3、1/N分频器102-4组成，见图6虚框所示。所述的数据时钟连接至鉴相器102-1的一个输入端，其输出送至低通滤波器102-2的输入。低通滤波器102-1的输出送至压控振荡器102-3。压控振荡器102-3的输出为码片(chip)时钟信号，该信号分别送到PN码组发生器、控制时序产生单元和控制处理单元的一个输入端。同时压控振荡器102-3的另一个输送至1/N分频器102-4的输入端，其输出送至鉴相器102-1的一个输入端。这样鉴相器102-1、低通滤波器102-2、压控振荡器102-3和1/N分频器102-4构成一个锁相环，其输出码片时钟脉冲的周期T_c为输入数据时钟脉冲周期T_d的N分之一。

(3)扩频码组发生器103产生扩频码相位序列集{PN(t)，PN(t-τ₀)，……PN(t-kτ₀)}，其k+1个输出分别送到码多路选择单元的一个输入端，另一个控制输入总线与控制处理器110相连。在控制处理器110的控制下，码多路选择单元104从所述的扩频相位序列集中选择特定的相位序列输出。

(4)扩频调制单元105的一个输入端接控制处理单元110的数据输出，一个输入端接码多路选择单元104的输出。扩频调制单元105完成对数据的扩频调制，其输出为扩频调制后比数据脉冲速率高N倍的脉冲信号。

(5)双工器106与天线113相连，一个输入为发信号，一个输出为收信号，一个输入控制与控制处理单元110的一个控制输出相连。在控制处理单元110的控制下完成TDD方式收发转换。

(6)匹配单元107的输入为接收的模拟信号经采样后的序列信号，其输出为(k+1)路匹配相关数据序列R₀……R_k，其(k+1)路输出分别接相关多路选择单元108和控制处理单元110的(k+1)个输入。

(7)相关多路选择单元108的(k+1)路输入与匹配单元的(k+1)路相关输出分别相连，其一个控制输入端与控制处理单元110的一个输出控制端相连，另外(k+1)个输控制端与控制时隙产生单元的(k+1)个控制时隙输出T₀……T_k相连。在控制处理单元110和相应的控制时隙的控制下，相关多路选择单元选择指定时隙时的相关输出。

(8)解调单元109的输入接相关多路选择单元的输出。解调单元109的解调输出接控制处理单元的数据输入端。

(9)控制时序产生单元111的一个输入接卫星接收时钟提取单元的数据时钟输出，一个输入接时钟同步单元的码片时钟输出。其输出为(k+1)个控制时隙信号T₀……T_k，分别送到相关多路选择单元108和控制处理单元110。控制时序产生单元111的详细描述见后。

(10)控制处理单元110与其它单元的连接如前所述。在该单元的控制下，发数据时，由码多路选择单元104从PN码组发生器的输出码集{PN(t)，PN(t-τ₀)，……PN(t-kτ₀)}中选择一个序列输出至扩频调制单元105完成扩频调制。当本系统处接收状态时，在控制处理单元110的控制下，由相关多路选择单元108从匹配单元的k+1个输出R₀……R_k中选择一路R_i在T_i时隙内的数据输出至解调单元109，由解调单元109完成解调，其解调输出送至控制单元110。同时控制单元110在一个周期T_d内依序读取R₀在T₀内的数据，R₁在T₁内的数据，……R_k在T_k内的数据，并判不同时隙内的数据是否超过设定门限。超过设定门限则该信道为忙，否则为闲，并将结果保存在一张信道状态表中。如在R_i在T_i时隙内的数值超过设定门限，则第i信道为忙，否则第i信道为闲。

图6中所示采用单扩频码不同相位序列实现码分的扩谱通信系统中的扩频码组发生器103的结构示意图如图7所示，其实现方法如下：

图7为本发明中扩频码组发生器的结构示意图。其组成是在一般扩频码发生器的输出端加了k个J级移位寄存器，其中J(k+1)≤N。经每个J级移位寄存器完成时延移位，一个J级移位寄存器的时延为τ₀＝JT_c，从而各级输出分别为PN(t)，PN(t-τ₀)……PN(t-kτ₀)。图中J级移位寄存器为基本构成单元，见图7中的虚框。J级移位寄存器由J个D触发器组成，其构成是这样的：第一个D触发器103-2的输入端连接扩频码发生器的输出PN(t)，输出端接下一级D触发器103-3的输入端，以此类推，第J个D触发器103-4的输出就是扩频码PN(t)的一个移相序列PN(t-τ₀)。同时D触发器103-4输出PN(t-τ₀)接下一个J级移位寄存器的输入端。其它以此类推。

图6中所示的匹配器107实现方法如下：

图8所示的匹配器的输入序列为{x_i}，其系数序列为{a_N-1，a_N-2，…a_i…a₁，a₀，a_N-1，a_N-2，…a_N-JK}，该输入序列的物理意义为：对接收信号进行抽样量化而得到的二进制比特序列；该序数序列的物理意义为：表示该匹配滤波器的各个抽头上所乘的固定的系数，其通常为1比特的二进制序列，即其由0、1组成的序列，当抽头上所乘的系数为0时，意味相应的乘法器可以省略，该匹配器实现方法包括如下步骤：

(1)上述输入序列在时钟信号驱动下，从x₀开始，依序送入延时单元107-1。

(2)经过各级时延单元的各个信号，通过数据总线同时送入所有特定系数乘法器的一个输入端。

(3)在上述各个乘法器的另一输入端分别送入该匹配器对应的各个特定系数。即a_N-1送入第一级乘法器107-6的一个输入端，a_N-2送入第二级乘法器107-7的一个输入端，以此类推，a₀送入第N级乘法器107-8的一个输入端。从第N+1级乘法器开始，其一个输入端的系数又为a_N-1，a_N-2送入第N+2级乘法器的一个输入端，以此类推，第N+JK级乘法器的一个输入端即为a_N-JK。可见上述匹配器共有N+JK级延时单元。

(4)经过上述各个乘法器的乘法运算，将所得结果同时分别对应地送到加法网络107-11的一个输入端，即y_N-1，y_N-2，…y₀，z_N-1，z_N-2，…z_N-JK分别送入加法网络107-11的一个输入端。

(5)上述加法网络有k个输出端，其求和依次为：

$R_0=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{N-i}$

$R_1=\underset{i=1}{\overset{N-J}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{N-i-J}+\underset{m=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{N-m}$

$R_j=\underset{i=1}{\overset{N-\mathrm{jJ}}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{N-i-\mathrm{jJ}}+\underset{m=1}{\overset{\mathrm{jJ}}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{N-m}$

$R_k=\underset{i=1}{\overset{N-\mathrm{kJ}}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{N-i-\mathrm{kJ}}+\underset{m=1}{\overset{\mathrm{kJ}}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{N-m}$

1≤j≤k

即R₀对应于PN(t)＝{a₀，a₁…a_N-1}的扩频码匹配输出，R₁对应于PN(t-T₀)＝PN(t-JT_c)＝{a_N-J，a_N-J+1…a_N-1，a₀，a₁…a_N-J-1}的匹配输出，即循环移动J位，其它依此类推。

所述扩谱通信系统所包含的控制时序产生单元111实现方法如下：

图9所示的控制时隙产生单元其输出码片时钟脉冲T_c，其另一输入为数据时钟脉冲T_d。数据时钟T_d的上升沿对N进制计数器111-1进行清零。N进制计数器111-1对输入码片时钟T_c进行计数，其输出为该N进制计数器的进位端C。该控制时序产生单元的基本构成单元为J级移位寄存器和或电路，见图8中虚框所示。基本构成单元的构成是这样的：第一个基本构成单元的输入接N进制计数器的进位位C，即第一个D触发器111-2的输入连接N进制的进位位C，其输出接第2个D触发器111-3的输入端，依此类推，第J个D触发器111-4的输入接J-1级D触发器的输出端，其输出接下一个基本构成单元的输入端，依此类推。所有移位寄存器的时钟输入端CP均连接码片时钟脉冲T_c。控制时隙TS₀是这样产生的：或门电路111-5的J个输入分别接到图中所示的第一级J级移位寄存器的J个D触发器的输入端T₁，T₂……T_J。控制时隙TS₁……TS_k依此类推。由图8所产生的时隙信号与码片时钟脉冲T_c数据时隙T_d的对应关系见图9所示。

Claims (10)

1.一种采用单扩频码的不同相位序列实现码分多址的扩谱通信系统，包括：

一个用来接收无线电信号的匹配单元(107)，其输出为多路相关数据；

一个相关多路选择单元(108)，在控制处理单元(110)的控制下，将指定时隙内的相关数据值输出至解调单元(09)；

一个解调单元(109)，解调指定时隙的相关数据所携带的基带信息；

一个双工器(106)，在控制处理单元(110)的控制下完成收发转换；

一个扩频调制单元(105)，将窄带低速率数据信号扩展成宽带信号；和一个码多路选择器，系统发送控制包时，在控制处理单元(110)的控制下，选择公共信道所对应的扩频码的相位序列输出；发送数据包时，则选择收发双方约定的扩频码相位序列输出。

一个控制处理单元(110)，控制所述的相关多路选择单元(108)、解调单元(109)、双工器(106)和扩频调制单元(105)；

其特征在于还包含有：

一个卫星接收时钟提取单元(101)，接收卫星发送的无线信号，并从中提取时钟作为所述扩谱通信系统的数据时钟；

一个时钟同步单元(102)，产生扩频码时钟，扩频码长为N，则数据时钟周期Td与扩频码码片(简称chip)周期T_C之间的关系为T_d＝NT_C，即保证数据与扩频码之间的同步关系；

一个扩频码组发生器(103)，产生的扩频码是巴克码、m序列或其它具有良好的自相关性能的码序列。其输出为所述扩频码及其相位序列构成的码集；

一个时序产生单元(111)，产生与信道(扩频码相位序列)对应的时序信号；

所述的控制处理单元(110)，其核心是CPU处理器，读取指定时隙的指定相关值，指定时隙内相关值的大小代表信道的忙闲；对指定时隙内相关值的大小进行判别，超过一定的门限值，表示相应的信道正忙，低于某一给定门限表示该信道为空闲；并将结果存放在信道表中，并动态更新结果；同时该单元存储有媒体接入控制(MAC)协议；在所述控制处理单元110的控制下，使解调单元109在空闲时只解调公共信道的信息；一个移动节点要发送数据时，在公共信道上完成双方协商后，则在协商指定的信道上发送数据信息；发控制包时选择公共信道所对应的扩频码相位序列；发数据包时则选择收发双方协商好的扩频码相位序列；所述控制处理单元110接收解调单元109送来的数据，并交上层程序处理；该控制处理单元110还完成：控制双工器106完成收发转换、控制扩频码的选择，控制多路相关输出的选择。

2.根据权利要求1所述的采用单扩频码的不同相位序列实现码分多址的扩谱通信系统，其特征是使用扩频码的不同相位序列集构成扩频码集；如扩频码PN(t)、PN(t-τ₀)……PN(t-kτ₀)，其中k的取值应满足(k+1)τ₀＜NT_C；N为码长。

3.根据权利要求1所述的采用单扩频码的不同相位序列实现码分多址的扩谱通信系统，其特征在于：所述的匹配相关单元107输出多路与扩频码PN(t)、PN(t-τ₀)……PN(t-kτ₀)分别匹配的相关值R0，R1，R2……Rk。

4.根据权利要求1所述的采用单扩频码的不同相位序列实现码分多址的扩谱通信系统，其特征在于扩频码码片(Chip)时钟与数据时钟同步，且数据时钟周期T_d与码片周期T_C之间有如下关系：T_d＝NT_C，N为扩频码码长。

5.根据权利要求1所述的采用单扩频码的不同相位序列实现码分多址的扩谱通信系统，其特征在于，由于系统使用单一扩频码，扩频码的不同相位序列代表不同的信道，故可用一个匹配单元(107)接收扩频信号，其输出为多路相关值，对不同时隙各路相关峰脉冲值的读取判别即代表对不同信道的忙闲状态的检测；超过一定门限即表示对应的信道处于忙；低于一定门限表示该信道处于空闲状态。

6.根据权利要求1所述的采用单扩频码的不同相位序列实现码分多址的扩谱通信系统，其特征在于，所述的匹配单元(107)、扩频码组发生器(103)、控制时隙产生单元(111)采用现场可编程门阵列FPGA集成芯片或专用集成电路ASIC实现。

7.一种应用权利要求1所述扩谱通信系统的无中心无线网络，由多个移动节点(100)组成，其特征在于每个移动节点(100)设置一个所述的采用单扩频码的不同相位序列实现码分多址的扩谱通信系统。

8.根据权利要求7所述的无中心无线网络，其特征在于各移动节点(100)都接收同一卫星的无线电信号并从中提取时钟作为系统的数据时钟。

9.根据权利要求7所述的无中心无线网络，其特征在于，一个移动节点的覆盖区半径r与扩频码集中两相邻相位序列的时延τ₀之间有如下关系：r＜Cτ₀，式中C为光速，τ₀为相邻相位序列的时延；即以r为半径的覆盖区内，各移动节点可以正确接收该扩谱通信系统发送的信息；在该覆盖区之外则不能正确接收该扩谱通信系统发送的信息。

10.根据权利要求7所述的无中心无线网络，其特征在于，每个移动节点(100)由于可以监测所有扩频信道的使用情况，故多个移动节点组成的无线网络可以在没有中心站的情况下，动态分配信道；具体分配机制是：有数据包要发送的移动节点在公共信道上发送请求发送包，该包包含发送节点的识别地址(以下简称ID)，接收节点的识别地址ID，发送节点的信道状态表；目的移动节点在公共信道上收到请求包后，根据发送节点的信道状态表，与本节点信道状态表对比，随机选取一个空闲信道，然后在公共信道上发响应包，响应包应包含发送节点ID，目的节点识别地址ID及所选的信道号；发送节点收到响应包后，在公共信道上发送一个确认包，确认包应包含发送节点识别地址ID，接收节点识别地址ID，信道号；随后发送节点转到相应的信道上发送数据包；目的节点在公共信道上收到确认包后，则转到相应的信道上接收数据包；接收完毕后，目的节点在同一信道上发送确认包。

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