CN114007273B

CN114007273B - 分布式跳频网络中有限竞争多址接入方法及***

Info

Publication number: CN114007273B
Application number: CN202111594925.XA
Authority: CN
Inventors: 李忠孝; 刘荣林
Original assignee: Tianjin 712 Communication and Broadcasting Co Ltd
Current assignee: Tianjin 712 Communication and Broadcasting Co Ltd
Priority date: 2021-12-24
Filing date: 2021-12-24
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2041-12-24
Also published as: CN114007273A

Abstract

本发明公开了一种分布式跳频网络中有限竞争多址接入方法及***，包括按照冲突概率小于业务分组的冲突容忍概率的原则，选择竞争时隙，将缓存队列依次出队，进行业务分组发送；在竞争时隙的时延抖动窗口内随机选取发送时刻，进行跳频图案合成，利用合成后的跳频图案对每个节点的发送信号进行相位延迟；实现多个节点竞争复用同一时隙；接收端进行信道探测，根据当前竞争时隙合成后的跳频图案进行同步序列匹配和相关峰检测；通过在每个节点的发送信号附加随机的相位延时，使得到达接收端的信号具备可分辨性，将同步捕获检测结果转化为冲突概率，作为信道竞争复用度的指示，提高了竞争信道的信道容量，使信道复用估计具备可靠复用的特征指标。

Description

分布式跳频网络中有限竞争多址接入方法及***

技术领域

本发明涉及无线跳频通信技术领域，尤其涉及一种分布式跳频网络中有限竞争多址接入方法及***。

背景技术

联合战术信息***（JIDS）中采用时分多址（TDMA）接入体制，进行信道资源划分和时隙资源的集中式调度。为了适应联合作战的动态编组、灵活组网和动态资源分配要求，JIDS***演进对面向分组的动态调度技术产生极大需求。

分组调度技术是通信资源管理的重要组成部分，当多个用户共享通信资源时，需要有一种合理的分组调度机制来确定服务次序，有效分配网络资源，使空闲的时隙资源得到有效利用，并获得统计复用增益。

面向移动无线网络的分组调度算法一方面要考虑算法本身对***性能的影响，如公平性、信道利用率、QoS等，另一方面还要考虑无线信道的时变特性、带宽资源有限性和移动功率受限等因素的影响，尽量降低算法实现的复杂度。典型地，分组调度算法包括轮询调度（RR）、最大载干比调度（max C/I）和比例公平调度（PF）。

轮询调度算法（Round Robin，RR）假设所有用户具有相同的优先级，保证以相等的机会为***中所有用户分配相同数量的资源，使用户按照某种确定的顺序占用无线资源进行通信。在不考虑用户无线信道的具体情况时，轮询调度算法能够保证公平性，但吞吐量却不高。

最大载干比调度算法（max C/I）优先为具有最好链路条件的用户分配信道资源。无线信道状态好的用户优先传输数据，使得数据正确传输的概率增加，错误重传次数减少，整个***的吞吐量得到了提升。最大载干比算法不保证用户的公平性。

比例公平调度算法（Proportional Fairness，PF）在***传输效率和用户性公平之间做了较好的折中。随着用户速率的提高，其优先级降低，使原优先级用户获得更多的传输机会。

上述分组调度算法均没有考虑无线信道的复用能力，不能根据信道容量的变化对用户的分组业务调度请求进行自适应调整。在JIDS演进网络技术中，传统的分组调度技术采用时分多址（TDMA）划分信道资源，在每个时隙中，只有1个节点独占信道资源，存在以下个问题：

1）TDMA接入机制基于完全无冲突假设进行信道资源分配，没有考虑跳频信道的复用能力，不能充分利用信道资源；

2）TDMA的固定时隙分配机制，没有考虑移动节点和业务分组的突发特性，不能根据信道容量的变化对用户的分组业务调度请求进行灵活调整。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种分布式跳频网络中有限竞争多址接入方法及***，通过在每个节点的发送信号附加随机的相位延时，使得到达接收端的信号具备可分辨性，将同步捕获检测结果转化为冲突概率，作为信道竞争复用度的指示，提高了竞争信道的信道容量，又能使信道复用估计具备可靠复用的特征指标。

为了实现上述目的，本发明的一种分布式跳频网络中有限竞争多址接入方法，包括如下步骤：

S1、当业务分组到达节点的发送端时，根据所述业务分组的优先级进行队列缓存；

S2、按照冲突概率小于业务分组的冲突容忍概率原则，选择竞争时隙，将缓存队列依次出队，发送业务分组；

S3、在发送所述业务分组时，在竞争时隙的时延抖动窗口内随机选取发送时刻，进行跳频图案合成，利用合成后的跳频图案对每个节点的发送信号进行相位延迟，实现多个节点竞争复用同一时隙；

S4、在每个竞争时隙开始时，接收端进行信道探测，根据当前竞争时隙的所述合成后的跳频图案进行同步序列匹配和相关峰检测；

S5、在检测窗口内串行捕获多个不同相位的相关峰，进行所述相关峰统计，根据统计的相关峰个数，评估各竞争时隙的复用状态。

进一步，优选的，还包括S6，对当前时隙的信道复用检测结果计算平均值。

进一步，优选的，所述对当前时隙的信道复用检测结果计算平均值的具体计算方式为：根据如下公式（9）对邻节点的信道复用检测结果，计算平均估计值：

（9）

式中，

为第m个时隙的冲突概率，

为邻节点i的第m个时隙的信道复用状态检测结果，

，k为节点总数。

进一步，优选的，所述对当前时隙的信道复用检测结果计算平均值的具体计算方式为：采用如下公式（10）对信道复用检测结果，计算时域平均估计值：

（10）

式中，

为第m个时隙的冲突概率，

为在第j个帧周期对第m个时隙的信道复用状态检测结果,

，H为帧周期总数。

进一步，优选的，在发送业务分组之前还包括按照以下步骤配置竞争时隙块的容量：

S01、为每个竞争时隙配置时延抖动窗口长度T_jit、最大容忍用户数N_tol和冲突概率阈值P_{c_tol}；

S02、根据多个用户在同一个时隙内同时传输无碰撞的几率，建立S01中各参数的函数关系式；

（1）

式中，T_h为同步跳频***的脉冲周期，T_jit为时延抖动窗口长度，N_tol为最大容忍用户数；P_{c_tol}为冲突概率阈值。

进一步，优选的，在S2中，将缓存的队列依次出队进行业务分组发送时，各队列中的数据分组遵循先入先出规则，对于不同的队列根据优先级别的差异至少采用包括以下任意一种调度方法：严格优先级服务调度、轮询调度或加权公平排队调度，调度业务分组出队。

本发明还提供一种分布式跳频网络中有限竞争多址接入***，包括信号接收机、信号发送机、信道复用检测模块、竞争时隙设置模块；

所述信号发送机，用于发送信号；

所述竞争时隙设置模块，用于当信号中业务分组到达时，根据业务分组的优先级进行队列缓存；并按照冲突概率小于业务分组的冲突容忍概率的原则，选择竞争时隙，将缓存的队列依次出队，发送业务分组；在竞争时隙的时延抖动窗口内随机选取发送时刻，进行跳频图案合成，利用合成后的跳频图案使每个节点的发送信号附加随机的相位延迟；实现多个节点竞争复用同一发送时隙；

信号接收机，用于接收信号；在每个竞争时隙开始时，进行信道探测，根据当前竞争时隙的所述合成后的跳频图案进行同步序列匹配和相关峰检测；

信道复用检测模块，用于在检测窗口内串行捕获多个不同相位的相关峰，进行相关峰统计，根据统计的相关峰个数，评估各竞争时隙的复用状态。

进一步，优选的，还包括统计滤波模块，所述统计滤波模块，用于对当前时隙的信道复用检测结果计算平均值。

进一步，优选的，所述当前时隙的信道复用检测结果计算平均值的具体计算方式为：根据如下公式（9）对邻节点的信道复用检测结果，计算平均估计值：

（9）

式中，

为第m个时隙的冲突概率，

为邻节点i的第m个时隙的信道复用状态检测结果，

，k为节点总数。

进一步，优选的，所述当前时隙的信道复用检测结果计算平均值的具体计算方式为：采用如下公式（10）对信道复用检测结果，计算时域平均估计值：

（10）

式中，

为第m个时隙的冲突概率，

为本节点在第j个帧周期对第m个时隙的信道复用状态检测结果，

，H为帧周期总数。

本申请公开的分布式跳频网络中有限竞争多址接入方法及***，相比于现有技术，至少具有以下优点：

1、本申请提供的分布式跳频网络中有限竞争多址接入方法及***，通过在发送信号附加随机的相位延迟，使得到达接收端的信号具备相位可分辨特性，允许多个节点竞争复用同一发送时隙，极大提升了竞争信道的信道容量。

2、本申请提供的分布式跳频网络中有限竞争多址接入方法及***，将同步捕获检测结果转化为计算冲突概率，并用冲突概率指示信道竞争复用度，使信道复用估计具备可靠复用的特征指标。

3、本申请提供的分布式跳频网络中有限竞争多址接入方法及***，还提供了针对低时延或高可靠业务分组的竞争时隙优化目标，可以通过快速搜索算法对进行时隙寻优，获得满足QoS要求的目标竞争时隙。通过限制竞争时隙的复用程度，实现了相对可靠的业务分组传输和竞争时隙资源的平衡使用，提高了整个网络的资源利用率。

附图说明

图1为本发明的分布式跳频网络中有限竞争多址接入方法的流程示意图；

图2为本发明的分布式跳频网络中有限竞争多址接入***的有限竞争多址接入原理框图；

图3为本发明的一个实施例中有限竞争多址接入处理流程。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明一方面实施例提供的分布式跳频网络中有限竞争多址接入方法，在发送业务分组之前还包括按照以下步骤配置竞争时隙块的容量：S01、为每个竞争时隙配置时延抖动窗口长度T_jit、最大容忍用户数N_tol和冲突概率阈值P_{c_tol}；S02、根据多个用户在同一个时隙内同时传输无碰撞的几率公式，建立S01中各参数的函数关系；

（1）

如图1所示，S1、当业务分组到达节点的发送端时，根据业务分组的优先级进行队列缓存。具体的，当业务分组到达时，首先根据业务分组的优先级进行优先级排队，分别入队G个并行的队列进行队列缓存，用于区分优先级的QoS服务。

S2、按照冲突概率小于业务分组的冲突容忍概率原则，选择竞争时隙，将缓存的队列依次出队，发送业务分组；

进一步，优选的，在S2中，将缓存的队列依次出队进行业务分组发送时，各队列中的数据分组遵循先入先出规则，对于不同的队列，根据不同的应用场景，发送端的业务调度可以选用严格优先服务（SP）、轮询调度（RR）或加权公平排队（WFQ）等队列调度方法发送业务分组。

在S2中，选择竞争时隙时，根据按照冲突概率小于业务分组的冲突容忍概率原则，优选满足QoS要求的竞争时隙，使得接入等待时延最低时，能满足实时性要求；或者使得冲突概率最小时，满足高可靠需求。

or

(2)

且

（3）

式中，

为第m个时隙与当前时隙之间的时延差的最小值。

最小值；M为竞争时隙总数。

为当前业务的冲突容忍概率。一般业务的冲突容忍概率随着业务类型不同而变化，例如图像类型类型数据的冲突容忍概率90%，声音类型类型数据的冲突容忍概率95%等。

S3、在发送业务分组时，在竞争时隙的时延抖动窗口内随机选取发送时刻，进行跳频图案合成，利用合成后的跳频图案使每个节点的发送信号附加随机的相位延迟；实现多个节点竞争复用同一发送时隙。

每个节点的发送信号附加随机的相位延迟，使得到达接收端的信号具备相位可分辨特性。相移信道多址复用的混合信号可表示为：

(4)

(5)

式中， p _i为第i个发送节点的信号功率， f _ni为跳频频率表的频率，d _i为差错编码后的数据信号，

为调制函数，

为跳频频率变化梯度；H为跳频同步子网个数，t 为当前跳时刻；T _h为跳周期；N为随机延迟的跳周期系数。Δt _i为第i个发送节点的随机延迟，其取值范围为0≤Δt _i≤NT _h，步进为一个跳周期T_h。

根据随机序列自相关原理，同一跳频图案的不同相位所发生的循环碰撞概率极小，可以将任意两路相移信道的冲突概率降至最低。

(6)

式中，*表示共轭卷积，

为任意两路伪随机序列的相关函数，

和

为同一跳频图案的两个相移序列，

为跳频序列的相关峰，

为未产生相移时的伪随机序列。

由于跳频序列的自相关特性，跳频图案具备陡峭的相关峰，在有限个跳周期外，到达接收端的同步跳频图案具有可分辨的相位延迟，使得接收端以大概率能够捕获多路传输的跳频信号。

根据跳频序列的自相关特性，只要两个发送端的分组脉冲信号在接收端的交叠窗口大于脉冲周期，两组跳频图案便可以实现正交，在传播路径上实现无碰撞传输。

在给定冲突概率阈值P_{c_tol}的条件下，单时隙容纳的节点容量为式（7）：

（7）

上式说明，在给定的同步跳频***的脉冲周期T_h条件下，相移信道多址复用的用户容量n与冲突概率阈值P_{c_tol}、时延抖动窗口长度T _jit有关，分别呈对数正相关和正相关关系。

采用发送窗口随机抖动方案，当时延抖动窗口长度T _jit远大于跳频的脉冲周期T_h时，竞争信道可以在容忍一定冲突概率意义下（P_c ＜10%），容纳更多的用户数（n＞10）。

S4、在每个竞争时隙开始时，接收端进行信道探测，根据当前竞争时隙的合成后的跳频图案进行同步序列匹配和相关峰检测；

在本实施例中，同步序列匹配过程包括以下方法：

根据当前竞争时隙的跳频图案，获取该跳频图案下同步接收的一组同步序列；需要说明的是，由于合成后的跳频图案中附加了随机的相位延迟，因此该组同步序列为多路信号按照相位延迟顺序排列组成。

由于本***中，竞争时隙中接收信号时，采用同步并行接收方式进行多路信号接收，但是对接收的信号进行异步串行检测，异步串行检测指的是多路信号到达时刻有先后顺序，相关峰检测可以先后检测到若干个不同时刻到达的信号，并对相关峰个数进行计数。因此在进行异步检测之前，需要对同步接收的同步序列中的多路信号，按照不同时延进行信号抽取和定时，完成多路接收信号的同步序列匹配，再对匹配后的同步序列进行异步检测。

按照下式（11）建立同步序列与接收信号的同步定时的关系

(11)

式中，s(t)为已知同步序列，r(t)为基带接收信号，τ是接收信号的滑动时延，T_w是 τ的最大检测窗口，

为最大相关峰处对应的滑动时延，用于表示接收信号的定时同步值。

由于相关峰数量表示信号先后到达的路径个数，代表多径信号和多址复用信号的信号路径叠加，可以用于表征该时隙的复用状态，因此，可以采用统计相关峰个数的方法，来评估各竞争时隙的复用状态。

S5、在检测窗口内串行捕获多个不同相位的相关峰，进行相关峰统计，根据统计的相关峰个数，评估各竞争时隙的复用状态。信道复用状态采用任意时隙的冲突概率P_c表示，任意时隙的冲突概率与相关峰个数N_cor的关系如下：

（8）

相关峰个数N_cor多，表示该信道的竞争复用用户数多，竞争复用的冲突概率相对较高；相关峰个数少，表示该信道的竞争复用程度低，冲突概率低。

在一个实施例中，对当前时隙的信道复用检测结果计算平均值的具体计算方式：根据如下公式（9）对邻节点的信道复用检测结果，计算平均估计值：

（9）

式中，

为第m个时隙的冲突概率，

为邻节点i的第m个时隙的信道复用状态检测结果，

，k为节点总数。

在另一个实施例中，对当前时隙的信道复用检测结果计算平均值的具体计算方式为：采用如下公式（10）对信道复用检测结果，计算时域平均估计值：

（10）

式中，

为第m个时隙的冲突概率，

,H为帧周期总数。

如图2所示，本发明还提供一种分布式跳频网络中有限竞争多址接入***，用于实施上述接入方法，包括信号接收机、信号发送机、信道复用检测模块、竞争时隙设置模块；

竞争时隙设置模块；用于配置线路的竞争时隙，包括当信号中的数据或图像等业务分组到达时，根据业务分组的优先级进行队列缓存；如图2中，根据优先级分别进行优先级0队列，优先级1队列……直至优先级G队列的队列缓存；图中设置了竞争时隙1、竞争时隙2……直至竞争时隙M等多个竞争时隙，队列缓存后，按照冲突概率小于业务分组的冲突容忍概率原则竞争时隙，将缓存的队列依次出队进行业务分组发送；在竞争时隙的时延抖动窗口内随机选取发送时刻，进行跳频图案合成，利用合成后的跳频图案使每个节点的发送信号附加随机的相位延迟；实现多个节点竞争复用同一发送时隙；

所述信号发送机，用于发送信号；

信号接收机，用于接收信号，在每个竞争时隙开始时，进行信道探测，根据当前竞争时隙合成后的跳频图案进行同步序列匹配和相关峰检测；

信道复用检测模块，用于在检测窗口内串行捕获多个不同相位的相关峰，进行相关峰统计，根据统计的相关峰个数，评估各竞争时隙的复用状态，如图中通过对相关峰的统计，依次评估竞争时隙1的用户数统计、竞争时隙2的用户数统计、竞争时隙3的用户数统计……竞争时隙M的用户数统计。

在一个实施例中，对当前时隙信道复用检测结果计算平均值的具体计算方式为：根据如下公式（9）对邻节点的信道复用检测结果，计算平均估计值：

（9）

式中，

为第m个时隙的冲突概率，

为邻节点i的第m个时隙的信道复用状态检测结果，

，k为节点总数。

在另一个实施例中，对当前时隙信道复用检测结果计算平均值的具体计算方式为：采用如下公式（10）对信道复用检测结果，计算时域平均估计值：

（10）

式中，

为第m个时隙的冲突概率，

，H为帧周期总数。

如图3所示，在本发明的一个具体实施例中，在开始实施时，首先对通信链路分配竞争时隙块，并设置各竞争时隙的最大容忍用户数等参数，对于节点发送端，检测业务分组是否到达，当业务分组到达时，根据业务分组的优先级，进行优先级排队，若业务分组未到达，继续等待（该过程只需等待，图中未示出）；排队后，进行业务调度和队列查询，检查队列是否为空，若非空，则进行业务分组出队，若队列为空，则返回上一步继续进行队列查询；进行业务分组出队时，按照冲突概率小于业务分组的冲突容忍概率的原则，优选满足要求的竞争时隙，当优选的时隙到达时，进行业务出队。

对于节点接收端，接收信号后，进行信道探测，检查信道检测窗口是否结束，若结束，则进行竞争时隙复用状态统计，对统计结果计算平均值，准确评估竞争时隙的复用状态。若未结束，只需等待信道检测完成，因此，该过程在图中未示出，结束后再进行竞争时隙复用状态统计。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。