基于VHF頻段上多跳頻電臺網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)選頻通信方法與流程

本發(fā)明涉及跳頻自適應(yīng)通信領(lǐng)域，特別涉及一種基于VHF頻段上多跳頻電臺網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)選頻通信方法。

背景技術(shù)：

VHF頻段(30MHz～88MHz)上的電磁波信號在傳輸過程中有著較好的衰落特性，成為了各國軍隊戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域的一個重要的專用頻段。在該頻段上工作的戰(zhàn)術(shù)電臺數(shù)量較多，基本上都采用跳頻傳輸機制，組網(wǎng)時的子網(wǎng)規(guī)模也很龐大，為盡量降低不同子網(wǎng)之間的互相干擾，組網(wǎng)前每個子網(wǎng)的跳頻頻表和跳頻規(guī)律都經(jīng)過了嚴格規(guī)劃。

在軍用背景情況下，跳頻電臺網(wǎng)絡(luò)往往在一些電磁環(huán)境比較復(fù)雜的地形上進行通信，表現(xiàn)為通信頻段上部分比例的頻點因背景噪聲強度較高或傳輸路徑深度衰落而導(dǎo)致信號接收質(zhì)量較差。一旦這些通信質(zhì)量較差的頻點占整個跳頻頻表的比例較高，就會導(dǎo)致通信雙方的數(shù)據(jù)傳輸速率明顯下降甚至鏈路中斷。大量的實驗數(shù)據(jù)表明，由于VHF頻段的信號波長較長(達到米級)，且一般是幾十kHz量級的窄帶信號，多徑因素不明顯，短距離(幾十米量級)的移動一般不會導(dǎo)致某個頻點的信號接收質(zhì)量發(fā)生明顯變化；同時這個頻段上的頻點在時間維度上也比較穩(wěn)定，如果收發(fā)雙方?jīng)]有發(fā)生明顯的位置移動且沒有受到人為電磁干擾，一個頻點的通信質(zhì)量往往可以在數(shù)分鐘甚至數(shù)小時內(nèi)保持穩(wěn)定。上述的兩種在地域和時間維度上慢變特性為跳頻電臺網(wǎng)絡(luò)的選頻通信技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

在不同頻點的通信質(zhì)量呈現(xiàn)明顯差異的情況下，自適應(yīng)的選頻通信技術(shù)可以通過剔除一些通信質(zhì)量較差的頻點或挑選出部分通信質(zhì)量較高的頻點來組成一個新的通信頻表，從而有效提升整個網(wǎng)絡(luò)的通信能力。但在大規(guī)模組網(wǎng)情況下，如果某個子網(wǎng)不再執(zhí)行原來的規(guī)劃，臨時調(diào)整通信方案，將破壞原規(guī)劃中的不同子網(wǎng)的通信正交性，對周圍的其它仍執(zhí)行原來規(guī)劃的通信子網(wǎng)產(chǎn)生干擾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種基于VHF頻段上多跳頻電臺網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)選頻通信方法。通過該選頻機制，保證了處于任意通信狀態(tài)下的不同子網(wǎng)之間仍保持通信正交性，從而既實現(xiàn)了自適應(yīng)選頻通信功能，又避免了不同子網(wǎng)之間的互相干擾。

為了達到上述目的，包括下述步驟：

S1、首先對頻表的子段進行劃分，在一次頻率規(guī)劃中頻表供N個采用相同時間基準的子網(wǎng)進行使用，將頻表中的頻點劃分為A個子段，進行頻表的子段劃分；

S2、各子網(wǎng)的跳頻頻點產(chǎn)生機制，確定跳頻頻點在頻表中字段的位置，在各子網(wǎng)采用相同的網(wǎng)絡(luò)時間基準的前提下，各子網(wǎng)的每個通信設(shè)備將安裝相同的隨機發(fā)生器模塊，并注入相同的通信密鑰和網(wǎng)絡(luò)時間的通信參數(shù)，保證該跳頻頻點產(chǎn)生機制N個子網(wǎng)在每一跳的N個頻點在整個頻表上呈均勻等距分布；

S3、在確定跳頻頻點在頻表中的位置后，通過選頻機制，確定跳頻后的新的頻點位置，選頻機制步驟如下：

a、網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)；

b、網(wǎng)路的整個運行過程中，信令廣播波形、多播和廣播業(yè)務(wù)一直在整個頻表上偽隨機選擇跳頻頻點進行通信；

c、鏈路質(zhì)量的參考數(shù)據(jù)收集；

d、單播業(yè)務(wù)的通信參數(shù)決策機制；

e、單播業(yè)務(wù)的通信參數(shù)的反饋機制；

f、單播業(yè)務(wù)發(fā)送；

g、子段頻點生成新頻表的生成方式。

優(yōu)選的，步驟S1中，所述頻表含256個頻點，頻表的子段劃分的過程，取N＝32，把256個頻點劃分為15個子段，每個子段含32個頻點，具體為1:32、17:48、33:64、…、235：256；相鄰子段重疊16個頻點。

優(yōu)選的，步驟S2中，所述隨機發(fā)生器模塊的輸入?yún)?shù)為兩個：通信秘鑰KEY和TON值；各子網(wǎng)在每跳上利用KEY和TON值，在隨機發(fā)生器模塊產(chǎn)生一個在區(qū)間[0,255]上滿足均勻分布的隨機數(shù)X后，再基于各子網(wǎng)的子網(wǎng)編號n進行以8為單位的線性循環(huán)偏移，其中1≤n≤32，從而產(chǎn)生跳頻頻點在頻表中的位置編號。

優(yōu)選的，步驟a中，網(wǎng)絡(luò)在初始運行階段中仍然依照原來的通信協(xié)議在整個頻表上運行。

優(yōu)選的，步驟b中，信令廣播波形、多播和廣播業(yè)務(wù)由于采用固定低速率波形傳輸。

優(yōu)選的，步驟c中鏈路質(zhì)量的參考數(shù)據(jù)收集具體為：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將通過對自己的1跳鄰居節(jié)點發(fā)送的所有信號都進行接收，通過對每跳信號中的導(dǎo)頻信號的接收處理來獲得頻表中各頻點的通信質(zhì)量的參考數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，步驟d中，單播業(yè)務(wù)的通信參數(shù)的決策機制：在引入選頻機制后，對15個分段的子段頻點進行統(tǒng)計，從而獲得每個子段組成的新頻表f1，f2，…f15對應(yīng)的速率值，記為V1，V2，…V15，從中挑選出一個最大值和對應(yīng)的頻表，記為(V,f)，如果有多個值和最大值相同，則優(yōu)先選擇頻點接收信噪比平均值最高的頻表。

優(yōu)選的，步驟e中，單播業(yè)務(wù)的通信參數(shù)的反饋機制為：各子網(wǎng)的入網(wǎng)節(jié)點將以固定周期分送同步廣播信號，同步廣播信號除了滿足遲入網(wǎng)節(jié)點的同步需求，還將攜帶一些網(wǎng)絡(luò)運行和維護信息，其中就包括了和鄰居節(jié)點之間的鏈路速率信息，引入自適應(yīng)選頻機制后，信令中將增加4個比特的對應(yīng)頻表信息。

優(yōu)選的，步驟f中，單播業(yè)務(wù)發(fā)送：發(fā)送節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)信號前，都必須發(fā)送一個RTS信號用于收方的同步，并提供后續(xù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信號的通信參數(shù)指示，發(fā)送的內(nèi)容包括業(yè)務(wù)發(fā)送地址、業(yè)務(wù)發(fā)送速率和業(yè)務(wù)時隙位置，從而接收節(jié)點的正確接收奠定基礎(chǔ)，引入自適應(yīng)選頻機制后，信令中將增加4個比特的對應(yīng)頻表信息，其中0表示全頻表，1-15分別表示其它15個子段。

優(yōu)選的，步驟g中，所述子段頻點為32個，生成256個新頻表，其生成方式為：如果業(yè)務(wù)發(fā)送采用全頻表，則繼續(xù)沿用原來的跳頻頻點產(chǎn)生體制和過程；如果業(yè)務(wù)發(fā)送采用頻表中的某個子段的頻率，則為繼續(xù)沿用原來的跳頻頻點產(chǎn)生體制和過程，將需要把子段頻點32個進行擴展，從而產(chǎn)生一個含256個頻點的新頻表。新頻表生成方法為：

如果子段號碼K為奇數(shù)且K＝2k+1，其中k＝0,1,..,7，則新頻表中的256個頻點的排序機制為：

在第1個子段中，256個頻點的排序為：

即對32個頻點的7次重復(fù)過程中，每重復(fù)1次，32個數(shù)值都將是上一次的32個數(shù)值的左循環(huán)移動3個位置；

如果子段號碼K為偶數(shù)且K＝2k，其中k＝1,..,7，則新頻表中的256個頻點的排序機制為：

和子段號碼為奇數(shù)時的頻點機制相比，當子段號碼為偶數(shù)時，第1至32個數(shù)值的排序?qū)⒂幸欢ú町?，不再是奇?shù)時的嚴格從小到大排序，而把后面的16個數(shù)值和前面的16個數(shù)值互相調(diào)換位置；而后續(xù)的7次重復(fù)過程將采用相同的左循環(huán)移位機制。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：

1、本發(fā)明通過上述的選頻機制上可以看出，自適應(yīng)選頻機制無需對原來的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議做任何修改，只是在單播業(yè)務(wù)的波形速率決策過程，在原來的全頻表的基礎(chǔ)上，進一步擴展至頻表中的15個子段，在網(wǎng)絡(luò)中的鏈路質(zhì)量反饋信令中增加攜帶4個比特的頻率信息，并不會增加任何的信道開銷。

2、上述機制可以保證其中的任意的兩個子網(wǎng)在所有的相同跳的信號上，不管是在全頻率上跳頻，還是在某個子段上跳頻，都可以以趨于1的概率保持頻率上的正交，從而有效解決了不同子網(wǎng)之間的互相干擾問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的自適應(yīng)選頻通信方法的流程圖。

圖2是256個頻點的子段劃分示意圖。

圖3是N個子網(wǎng)在相同的某跳上的N個頻率值的分布情況。

圖4是32個子網(wǎng)的跳頻頻點之間的差距統(tǒng)計比例情況(10000跳)。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例

如圖1所示，本實施例中，基于VHF頻段上多跳頻電臺網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)選頻通信方法，包括如下步驟：

不失一般性，設(shè)在一次頻率規(guī)劃中，一個含256個頻點的頻表供N個采用相同時間基準的子網(wǎng)進行使用。考慮到軍用通信設(shè)備的射頻技術(shù)發(fā)展較慢，導(dǎo)致信號帶寬外的能量泄露比例較高；且軍用設(shè)備出于遠距離通信的需求，信號的功率較大，因此不同子網(wǎng)之間的信號需要較大的頻率間隔保護，因此N的數(shù)值不能太大，典型值為32個。下面給出這N個子網(wǎng)的自適應(yīng)選頻通信方法：

S1、頻表的子段劃分：把256個頻點劃分為15個子段，每個子段含32個頻點，具體為1:32、17:48、33:64、…、235：256；相鄰子段重疊16個頻點，如圖2、圖3所示。

S2、各子網(wǎng)的跳頻頻點產(chǎn)生機制：在各子網(wǎng)采用相同的網(wǎng)絡(luò)時間(TON)基準的前提下，這些子網(wǎng)的每個通信設(shè)備將安裝相同的PRG(隨機發(fā)生器)模塊和并注入相同的網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)。隨機發(fā)生器的輸入?yún)?shù)為兩個：KEY(通信秘鑰)和TON值。隨機發(fā)生器的一個重要特性是相同的輸入值產(chǎn)生相同的輸出值。各子網(wǎng)在每跳上利用KEY和TON值,在隨機發(fā)送器產(chǎn)生一個在區(qū)間[0,255]上滿足均勻分布的隨機數(shù)X后，再基于各子網(wǎng)的子網(wǎng)編號n(1≤n≤32)進行以8為單位的線性循環(huán)偏移(見圖2)，從而產(chǎn)生跳頻頻點在頻表中的位置編號。該跳頻頻點產(chǎn)生機制可以保證N個子網(wǎng)在每一跳的N個頻點在整個頻表上呈均勻等距分布，實現(xiàn)了最小頻率間隔的最大化，把子網(wǎng)之間的互相干擾水平降低至最低。

S3選頻機制：

1、網(wǎng)絡(luò)運行的初始狀態(tài)：網(wǎng)絡(luò)在初始運行階段中仍然依照原來的通信協(xié)議在整個頻表上運行；

2、在網(wǎng)絡(luò)的整個運行過程中，信令廣播波形、多播和廣播業(yè)務(wù)由于采用固定低速率波形且傳輸方式為點對多點，因此將不考慮自適應(yīng)選頻機制，即一直在整個頻表上偽隨機選擇跳頻頻點進行通信；

3、鏈路質(zhì)量的參考數(shù)據(jù)收集：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將通過對自己的1跳鄰居節(jié)點發(fā)送的所有信號都進行接收(不管目的節(jié)點是否為自身)，通過對每跳信號中的導(dǎo)頻信號的接收處理來獲得頻表中各頻點的通信質(zhì)量的參考數(shù)據(jù)；

4、單播業(yè)務(wù)的通信參數(shù)(速率和頻率)的決策機制：由于網(wǎng)絡(luò)采用跳頻體制，不同頻點的通信質(zhì)量存在一定的差異性，而每個時隙由多個隨機跳信號組成，因此不同時隙的信號接收效果存在一定的不確定性。因此和民用定頻通信體系的速率決策機制不同，跳頻體系的鏈路速率都是基于過去一段時間對整個頻表的頻點的較大數(shù)量接收信號質(zhì)量的統(tǒng)計值而計算映射出來。在引入選頻機制后，每個節(jié)點除了原來的對整個頻表f₀的統(tǒng)計而獲得的速率V₀值，還將對圖1中15個分段的子段頻點進行統(tǒng)計，從而獲得每個子段組成的新頻表f₁，f₂，…f₁₅對應(yīng)的速率值，記為V₁，V₂，…V₁₅。對全頻表對應(yīng)的速率值V和其它15個子段對應(yīng)的速率值V₁，V₂，…V₁₅進行比較，從中挑選出一個最大值和對應(yīng)的頻表，記為(V,f)。(如果有多個值和最大值相同，則優(yōu)先選擇頻點接收信噪比平均值最高的頻表)；

5、單播業(yè)務(wù)的通信參數(shù)(速率和頻率)的反饋機制：考慮到軍用跳頻電臺網(wǎng)絡(luò)的遲入網(wǎng)節(jié)點的入網(wǎng)需求，因此每個子網(wǎng)的入網(wǎng)節(jié)點將以固定周期分送同步廣播信號。該信號除了滿足遲入網(wǎng)節(jié)點的同步需求，還將攜帶一些網(wǎng)絡(luò)運行和維護信息，其中就包括了和鄰居節(jié)點之間的鏈路速率信息。引入自適應(yīng)選頻機制后，信令中將增加4個比特的對應(yīng)頻表信息(0表示全頻表，1-15分別表示其它15個子段。)

6、單播業(yè)務(wù)發(fā)送：考慮到網(wǎng)絡(luò)采用跳頻體制，因此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點想要發(fā)送單播數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不管該網(wǎng)絡(luò)采用何種信道接入方式，發(fā)送節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)信號前，都必須發(fā)送一個RTS信號用于收方的同步，并提供后續(xù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信號的通信參數(shù)指示，包括業(yè)務(wù)發(fā)送地址、業(yè)務(wù)發(fā)送速率和業(yè)務(wù)時隙位置，從而接收節(jié)點的正確接收奠定基礎(chǔ)。引入自適應(yīng)選頻機制后，信令中將增加4個比特的對應(yīng)頻表信息(0表示全頻表，1-15分別表示其它15個子段。)

7、子段頻點(32個)生成新頻表(256個)的生成方式：如果業(yè)務(wù)發(fā)送采用全頻表，則繼續(xù)沿用原來的跳頻頻點產(chǎn)生體制和過程；如果業(yè)務(wù)發(fā)送采用頻表中的某個子段的頻率，則為繼續(xù)沿用原來的跳頻頻點產(chǎn)生體制和過程，將需要把子段頻點(32個)進行擴展，從而產(chǎn)生一個含256個頻點的新頻表。具體擴展方案如下：

①、如果子段號碼K為奇數(shù)且K＝2k+1(k＝0,1,..,7)，則新頻表中的256個頻點的排序機制為：

以第1個子段為例，256個頻點的排序為：

即對32個頻點的7次重復(fù)過程中，每重復(fù)1次，32個數(shù)值都將是上一次的32個數(shù)值的左循環(huán)移動3個位置。

②、如果子段號碼K為偶數(shù)且K＝2k(k＝1,..,7)，則新頻表中的256個頻點的排序機制為：

和子段號碼為奇數(shù)時的頻點機制相比，當子段號碼為偶數(shù)時，第1至32個數(shù)值的排序?qū)⒂幸欢ú町?，不再是奇?shù)時的嚴格從小到大排序，而把后面的16個數(shù)值和前面的16個數(shù)值互相調(diào)換位置；而后續(xù)的7次重復(fù)過程將采用相同的左循環(huán)移位機制。

為驗證上述機制的實際效果，這里使用MATLAB仿真工具進行模擬仿真。仿真場景為32個采用相同時間基準的相互獨立的子網(wǎng)形成一個跳頻電臺多子網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，這些子網(wǎng)在每一跳上都會隨機從全頻表和15個子段生成的新頻表挑選一個，從而產(chǎn)生一個跳頻頻點。

從圖4中的結(jié)果可以看出，頻點差距不大于4個的比例約3％，頻點差距大于4但不大于8的比例約3％，其它大于8個頻點的比例占94％。從這些結(jié)果可以看出，雖然子網(wǎng)數(shù)量眾多且選頻過程沒有互相協(xié)調(diào)，但本文提供的選頻方案仍然可以以趨于1的概率保持頻率上的正交，從而有效解決了不同子網(wǎng)之間的互相干擾問題。

在實際應(yīng)用過程中，如果網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)數(shù)量減少，再考慮到子網(wǎng)的地域分布區(qū)隔因素，在地域上相鄰的兩個子網(wǎng)之間的跳頻頻點差距小于等于8的概率基本上可趨于0。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。