CN113452409B - 一种非同步自组网的跳频实现方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种非同步自组网的跳频实现方法，按照预设频率段切换本振频率；获取当前本振频率的采样数据；将采样数据混频到本振频率中预设的各个载波频率；计算混频后的采样数据的能量得到能量数据；依序将各个能量数据与预设门限相对比；若当前能量数据小于预设门限，则返回初始步骤；若当前能量数据大于预设门限，则保持载波频率对应的本振频率；获取载波频率的后续采样数据作为通信帧；解调通信帧获得通信内容；其中，采样数据包括随通信帧同时发送的频率同步字段。本申请提供的跳频实现方法，解决现有方案时隙同步精度差和不稳定降低了跳频网络的稳定性，且由于携带勤务帧或信令帧导致抗干扰能力差或抗截获能力差的问题。

Description

一种非同步自组网的跳频实现方法

技术领域

本申请涉及网络传输技术领域，更具体地说，尤其涉及一种非同步自组网的跳频实现方法。

背景技术

自组织网络的主要特征是无中心、自组织、多跳路由和动态拓扑，整个网络不依赖于任何基础设施，网络中的节点具有双重角色,既是普通移动终端,又具有中继路由器的功能。当通信的源节点和目的节点无法直接通信时,可通过中间节点进行报文转发,实现多跳无线通信的功能。因此其具有网络快速部署、抗毁性强和组网灵活等优点,自组织网络已成为作战、应急、救援等任务的重要通信手段之一。

跳频是指收发通信的两端载波频率随着预先设定的频率序列进行同步变化，从而提高通信的抗干扰能力，降低通信信息被非法截获的概率，因此在无线自组网网络内加入跳频通信方式是提高通信安全的重要手段之一，传统的跳频自组网内的节点均采用TDMA的接入方式，首先实现全网的时隙同步，再按照时隙分配实现跳频频率的同步，显然这种跳频方式的基础是严格的时隙同步。

传统的跳频自组网实现频率同步的前提是全网节点完成严格的时隙同步，而自组网的全网同步又因为无线通信本身的不确定性存在较大的误差，尤其在多跳网络拓扑的情况下，时隙同步精度更加难以保障，而频率同步是建立在时隙同步的基础上，时隙同步的不稳定也就会导致全网节点的频率同步的不稳定，降低了跳频网络的稳定性；另外，当网络遭到干扰的情况下，倘若用于时隙同步的勤务帧被攻击，则将导致网络某些节点同步失败，严重时甚至导致网络奔溃，因此时隙同步信令的存在削弱了跳频网络的抗干扰能力。最后，为实现全网时隙同步，网内节点即使没有待发送的业务也需要周期的发送用于时隙同步的信令帧，窃听者随时可以获得节点的发送频率信息，为窃听者破解频率跳变的规律，截取通信内容提供了便利，也就降低了跳频网络的抗截获能力。

因此，设计一种能够提高稳定性及抗干扰效果且提高抗截获能力的非同步自组网的跳频实现方法，是本领域技术人员函待解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提供一种非同步自组网的跳频实现方法，解决现有方案时隙同步精度难以保障，及时隙同步的不稳定导致全网节点的频率同步的不稳定，降低了跳频网络的稳定性，且由于时隙同步需要携带勤务帧导致抗干扰能力差或携带信令帧导致抗截获能力差的问题。

本申请提供的技术方案如下：

一种非同步自组网的跳频实现方法，包括如下步骤：

按照预设频率段切换本振频率；

获取当前所述本振频率的采样数据；

将所述采样数据混频到所述本振频率中预设的各个载波频率；

计算混频后的所述采样数据的能量得到能量数据；

依序将各个所述能量数据与预设门限相对比；

若当前所述能量数据小于所述预设门限，则返回初始步骤；

若当前所述能量数据大于所述预设门限，则保持所述载波频率对应的所述本振频率；

获取所述载波频率的后续采样数据作为通信帧；

解调所述通信帧获得通信内容；

其中，所述采样数据包括随所述通信帧同时发送的频率同步字段。

优选的，在所述按照预设频率段切换本振频率之前还包括：

初始化所述频率同步字段；

其中，所述频率同步字段与所述通信帧绑定，且设置在所述通信帧的前部。

优选的，所述频率同步字段由M序列调制和滤波后生成，其长度根据跳频接收端的换频时间、快速同步时间和换频总数量形成。

优选的，在所述按照预设频率段切换本振频率之前还包括：

将跳频工作带宽分解成i个频率段作为所述预设频率段；

其中，每个所述频率段带宽相同，其中心频率表示为Fi。

优选的，在所述将跳频工作带宽分解成i个频率段作为所述预设频率段之后还包括：

根据通信帧的工作带宽，将Fi设置为j个所述载波频率；

其中，所述载波频率表示为fij。

优选的，在所述按照预设频率段切换本振频率之后还包括：

判断所述本振频率是否稳定；

若稳定，则进入下一步；

若不稳定，则重新进行判断。

优选的，在所述初始化所述频率同步字段之后还包括：

切换至所述载波频率；

发送所述频率同步字段和所述通信帧。

优选的，在发送所述频率同步字段和所述通信帧之前还包括：

判断所述载波频率是否稳定；

若稳定，则进入下一步；

若不稳定，则返回上一步。

优选的，所述计算混频后的所述采样数据的能量得到能量数据具体为：

对混频后的所述采样数据进行滤波处理；

计算滤波后的所述采样数据的能量得到所述能量数据。

优选的，所述获取当前所述本振频率的采样数据具体为：

在当前所述本振频率驻留预设时间；

采集所述预设时间内当前所述本振频率的所述采样数据。

本发明提供的非同步自组网的跳频实现方法，设置有频率同步字段，将随所述通信帧同时发送的频率同步字段加入采样数据，在切换到本振频率时，把含频率同步字段的采样数据混频到本振频率中预设的各个载波频率，计算混频后的能量数据，将能量数据与预设门限比较，若大于预设门限，则保持载波频率对应的本振频率，并对后续的采样数据进行解调。

由于每次节点通信前都会先发送用于频率同步的频率同步字段，所有网内节点就不需要实现时隙同步，解决现有方案时隙同步精度难以保障，及时隙同步的不稳定导致全网节点的频率同步的不稳定，降低了跳频网络的稳定性，且由于时隙同步需要携带勤务帧导致抗干扰能力差或携带信令帧导致抗截获能力差的问题。

同时，由于直接在通信帧结构中加入频率同步字段，且与后续通信用的物理层调制编码没有任何关联，可与任何物理层结合，实现简单。并且将整个跳频工作频段分段，再通过混频识别通信帧的载波频率，降低了本振切换的次数，同时也降低了通信帧帧结构中的频率同步字段的长度，将因加入跳频功能而导致的吞吐量损失降到最小。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的跳频实现方法的一种流程示意图；

图2为本发明实施例提供的跳频实现方法的另一种流程示意图；

图3为本发明实施例提供的跳频实现方法中步骤S104的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的跳频实现方法中步骤S102的流程示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

本发明实施例采用递进的方式撰写。

本实施例公开了一种非同步自组网的跳频实现方法，如图1所示，包括如下步骤：

S101.按照预设频率段切换本振频率；

S102.获取当前本振频率的采样数据；

S103.将采样数据混频到本振频率中预设的各个载波频率；

S104.计算混频后的采样数据的能量得到能量数据；

S105.依序将各个能量数据与预设门限相对比；

S106.若当前能量数据小于预设门限，则返回初始步骤；

S107.若当前能量数据大于预设门限，则保持载波频率对应的本振频率；

S108.获取载波频率的后续采样数据作为通信帧；

S109.解调通信帧获得通信内容；

其中，采样数据包括随通信帧同时发送的频率同步字段。

传统的跳频自组网均采用TDMA MAC协议，该协议首先将时域信道按照固定的时间长度进行切割，每个固定的时间长度被称为时隙，网络内的节点只能按照时隙接入信道，为保证每个节点都能有序的接入到信道，就必须采用一种机制实现全网节点的时隙严格同步，即全网节点的时隙起始点均严格对齐并同步；因此时隙被分为了两种类型，一种同步时隙，用于节点发送勤务帧，实现节点间的时隙同步；另一种即为数据时隙，用于业务发送；当加入跳频后，节点间除了实现时隙同步，还需要进一步实现跳频频率同步，经典的频率同步是采取固定接收频率等待的方式，即新入网的节点在同步时隙内采取某个固定频率等待接收，当收到勤务帧后，即完成了频率同步，再利用勤务帧内的时间信息完成时隙同步，然后再按照事先预定的频率序列在每个时隙开始前完成频率切换，这样就保证了全网节点在每个时隙的收发频率都是相同的，并且根据时隙预定的频率序列按照时隙长度进行统一的跳变。

本发明实施例的跳频发送帧相对于定频发送帧增加了用于频率同步的频率同步字段，频率同步字段直接被保存在RAM内存内，由跳频发送端每次按顺序读取发送。即在每个节点的通信帧前附加一个用于频率同步的同步字段字段，发送时，发送端节点先根据跳频图案选择本次发送的频率，再将发射机的载波频率切换到发送频率，然后发送频率同步字段，最后发送被调制好的待发送数据。

而接收端节点则执行步骤S101即在事先预定的预设频率段间切换本振频率，切换后进入步骤S102接受并获取采样数据，然后执行步骤S013即将采样数据混频到本振频率中预设的各个载波频率，然后进行能量检测进入步骤S104计算混频后的采样数据的能量得到能量数据，结合预设门限执行步骤S105即依序将各个能量数据与预设门限相对比，此后根据比较结果，有两种情况。

第一种如S106，若当前能量数据小于预设门限，则表明收发的频率同步还未完成，则返回步骤S101切换至另一个本振频率继续循环；第二种如S107，若当前能量数据大于预设门限，即表明完成了收发的频率同步，则保持载波频率对应的本振频率，直至后续的通信完成并进入步骤S108即获取载波频率的后续采样数据作为通信帧，进而通过步骤S109解调通信帧获得通信内容。需要说明的是，在确认载波频率并保持载波频率对应的本振频率后，接收到的所述后续采样数据即直接对应发送数据，从而最后通过解调获得通信内容。通信完毕后，则继续按照预设频率段不停的循环切换射频通道的本振频率，进行频率同步。

需要注意的是，频率同步或者频率捕获有很多实现方式，不作为本发明的申请保护范围，具体的实现时可通过自相关和互相关函数比值系数确定，例如接收的采样序列为R(k)，

若

则表示实现频率同步，其中L为M序列长度，a为预设门限系数，假设发射端在某载波频率重复发送两段长度L的M序列，接收端切换接收到该载波频率的采样数据后，按照分子计算采样数据的互相关函数值，按照分母计算采样数据的自相关函数值，再进行判决。

自相关和互相关分别表示的是两个时间序列之间和同一个时间序列在任意两个不同时刻的取值之间的相关程度，即互相关函数是描述随机信号x(t),y(t)在任意两个不同时刻t1，t2的取值之间的相关程度，自相关函数是描述随机信号x(t)在任意两个不同时刻t1，t2的取值之间的相关程度。

本实施方式提供的非同步自组网的跳频实现方法，由于每次节点通信前都会先发送用于频率同步的频率同步字段，所有网内节点就不需要实现时隙同步，解决现有方案时隙同步精度难以保障，及时隙同步的不稳定导致全网节点的频率同步的不稳定，降低了跳频网络的稳定性，且由于时隙同步需要携带勤务帧导致抗干扰能力差或携带信令帧导致抗截获能力差的问题。

同时，由于直接在通信帧结构中加入频率同步字段，且与后续通信用的物理层调制编码没有任何关联，可与任何物理层结合，实现简单。并且将整个跳频工作频段分段，再通过混频识别通信帧的载波频率，降低了本振切换的次数，同时也降低了通信帧帧结构中的频率同步字段的长度，将因加入跳频功能而导致的吞吐量损失降到最小。

本发明实施例提供的的跳频方法不需要实现全网同步，可以适配CSMA/CA，令牌等突发接入的MAC协议，网络内每个节点相互独立，且按照突发接入的MAC协议有序的共享信道，不会轻易导致网络奔溃，抗干扰性能强；其次，基于非同步网络的跳频方法，节点不需要周期广播用于同步的信令帧，在没有待发送数据时，节点可以长时间保持静默，窃听者无法获得发送的频率信息，也就无法积累足够的信息对发送频率的规律进行破译，保证了跳频网络抗截获性能不受损失。

优选的，如图2所示，在步骤S101即按照预设频率段切换本振频率之前还包括：

S201.初始化频率同步字段；

其中，频率同步字段与通信帧绑定，且设置在通信帧的前部。

初始化的详细方法有很多种，本实施例中采用的具体为：M序列长度L*2*N>(换频时间+驻留时间+快速同步时间)*换频总数量*1.1，其中2*N表示需要发送的M序列数量，取满足该条件的最小整数；驻留时间大于两个M序列的发送时间长度。

初始化完毕后的频率同步字段直接被保存在RAM内存内，每次按顺序读取发送，避免在需要发送时再进行临时生成，只要进行一次初始化，即可满足后续的发送需求，进而提高运行效率。

优选的，频率同步字段由M序列调制和滤波后生成，其长度根据跳频接收端的换频时间、快速同步时间和换频总数量形成。

此处的M序列为伪随机序列，数量为2*N的M序列长度L重复发送，可保证接收端始终可以接收到两个重复的M序列，以保证每次通信前接收端有足够的接收信号长度完成频率同步，不会因为漏捕而造成数据获取遗漏或通信建立失败。

优选的，如图2所示，在步骤S101即按照预设频率段切换本振频率之前还包括：

S301.将跳频工作带宽分解成i个频率段作为预设频率段；

其中，每个频率段带宽相同，其中心频率表示为Fi。

跳频接收端将整个跳频工作带宽进行分解，例如跳频工作带宽为200MHz，将其分解为5个频率段，每个频率段带宽为40M，定义其中心频率分别为Fi(i＝1,2,3,4,5)，即F1，F2，F3，F4和F5，这样做的目的是减少接收端频率切换的次数，以最少的频率切换次数支持更多的跳频频率。

优选的，如图2所示，在步骤S301即将跳频工作带宽分解成i个频率段作为预设频率段之后还包括：

S302.根据通信帧的工作带宽，将Fi设置为j个载波频率；

其中，载波频率表示为fij。

根据通信帧的工作带宽在每个跳频分段内设定通信帧的发送频率，例如中心频率为F1的带宽内设计4个通信帧的工作带宽，其载波中心频率分别为fij(i＝1,2,3,4,5；j＝1,2,3,4)，i代表该频率所处的频率分段，j则代表在i频率分段内的用于发送通信帧的载波频率。假定通信帧占用带宽为5MHz，设计fi1＝Fi-10MHz，fi2＝Fi-5MHz，fi3＝Fi+5MHz，fi4＝Fi+10MHz，则200MHz跳频带宽内一共支持用20个频率进行通信帧发送。

优选的，在步骤S101即按照预设频率段切换本振频率之后还包括：

S401.判断本振频率是否稳定；

S402.若稳定，则进入下一步；

S403.若不稳定，则重新进行判断。

在实际运用中，比较简单的方式是通过实验获得批量设备换频至稳定的最大时间，再增加一定的余量，当换频后，等待最大时间+余量后再进行收发数据。

优选的，为了保障频率同步字段能够有效的作为频率同步的依据，如图2所示，在步骤S201即初始化频率同步字段之后还包括：

S202.切换至载波频率；

S203.发送频率同步字段和通信帧。

优选的，在步骤S203即发送频率同步字段和通信帧之前还包括：

S501.判断载波频率是否稳定；

S502.若稳定，则进入下一步；

S503.若不稳定，则返回上一步。

与前述类似，在实际运用中，比较简单的方式是通过实验获得批量设备换频至稳定的最大时间，再增加一定的余量，当换频后，等待最大时间+余量后再进行收发数据。

优选的，如图3所示，步骤S104即计算混频后的采样数据的能量得到能量数据具体为：

S601.对混频后的采样数据进行滤波处理；

S602.计算滤波后的采样数据的能量得到能量数据。

在实际使用中，一般是将采样数据输入混频器进行混频处理，然后再输入低通滤波器进行滤波处理，最后再对滤波后的采样数据计算其能力得到能量数据，其中低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置，避免混频处理后的数据中一些无用信号或者干扰信号对能量计算所造成的干扰。

优选的，如图4所示，步骤S102即获取当前本振频率的采样数据具体为：

S701.在当前本振频率驻留预设时间；

S702.采集预设时间内当前本振频率的采样数据。

通过在当前本振频率驻留一定长度的预设时间，保证每次通信前接收端有足够的接收信号长度完成频率同步，确保能接收到两个完整的M序列。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，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，如：多个模块或组件可以结合，或可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

另外，在本发明各实施例中的各功能模块可以全部集成在一个处理器中，也可以是各模块分别单独作为一个器件，也可以两个或两个以上模块集成在一个器件中；本发明各实施例中的各功能模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令及相关的硬件来完成，前述的程序指令可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序指令在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种非同步自组网的跳频实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

按照预设频率段切换本振频率；

获取当前所述本振频率的采样数据；

将所述采样数据混频到所述本振频率中预设的各个载波频率；

计算混频后的所述采样数据的能量得到能量数据；

依序将各个所述能量数据与预设门限相对比；

若当前所述能量数据小于所述预设门限，则返回初始步骤；

若当前所述能量数据大于所述预设门限，则保持所述载波频率对应的所述本振频率；

获取所述载波频率的后续采样数据作为通信帧；

解调所述通信帧获得通信内容；

其中，所述采样数据包括随所述通信帧同时发送的频率同步字段；

在所述按照预设频率段切换本振频率之前还包括：

初始化所述频率同步字段；

其中，所述频率同步字段与所述通信帧绑定，且设置在所述通信帧的前部；

所述频率同步字段由M序列调制和滤波后生成，其长度根据跳频接收端的换频时间、快速同步时间和换频总数量形成。

2.根据权利要求1所述的跳频实现方法，其特征在于，在所述按照预设频率段切换本振频率之前还包括：

将跳频工作带宽分解成i个频率段作为所述预设频率段；

其中，每个所述频率段带宽相同，其中心频率表示为Fi。

3.根据权利要求2所述的跳频实现方法，其特征在于，在所述将跳频工作带宽分解成i个频率段作为所述预设频率段之后还包括：

根据通信帧的工作带宽，将F_i设置为j个所述载波频率；

其中，所述载波频率表示为f_ij。

4.根据权利要求1所述的跳频实现方法，其特征在于，在所述按照预设频率段切换本振频率之后还包括：

判断所述本振频率是否稳定；

若稳定，则进入下一步；

若不稳定，则重新进行判断。

5.根据权利要求1所述的跳频实现方法，其特征在于，在所述初始化所述频率同步字段之后还包括：

切换至所述载波频率；

发送所述频率同步字段和所述通信帧。

6.根据权利要求5所述的跳频实现方法，其特征在于，在发送所述频率同步字段和所述通信帧之前还包括：

判断所述载波频率是否稳定；

若稳定，则进入下一步；

若不稳定，则返回上一步。

7.根据权利要求1所述的跳频实现方法，其特征在于，所述计算混频后的所述采样数据的能量得到能量数据具体为：

对混频后的所述采样数据进行滤波处理；

计算滤波后的所述采样数据的能量得到所述能量数据。

8.根据权利要求1所述的跳频实现方法，其特征在于，所述获取当前所述本振频率的采样数据具体为：

在当前所述本振频率驻留预设时间；

采集所述预设时间内当前所述本振频率的所述采样数据。

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