基于VHF频段上多跳频电台网络的自适应选频通信方法与流程

本发明涉及跳频自适应通信领域，特别涉及一种基于VHF频段上多跳频电台网络的自适应选频通信方法。

背景技术：

VHF频段(30MHz～88MHz)上的电磁波信号在传输过程中有着较好的衰落特性，成为了各国军队战术通信领域的一个重要的专用频段。在该频段上工作的战术电台数量较多，基本上都采用跳频传输机制，组网时的子网规模也很庞大，为尽量降低不同子网之间的互相干扰，组网前每个子网的跳频频表和跳频规律都经过了严格规划。

在军用背景情况下，跳频电台网络往往在一些电磁环境比较复杂的地形上进行通信，表现为通信频段上部分比例的频点因背景噪声强度较高或传输路径深度衰落而导致信号接收质量较差。一旦这些通信质量较差的频点占整个跳频频表的比例较高，就会导致通信双方的数据传输速率明显下降甚至链路中断。大量的实验数据表明，由于VHF频段的信号波长较长(达到米级)，且一般是几十kHz量级的窄带信号，多径因素不明显，短距离(几十米量级)的移动一般不会导致某个频点的信号接收质量发生明显变化；同时这个频段上的频点在时间维度上也比较稳定，如果收发双方没有发生明显的位置移动且没有受到人为电磁干扰，一个频点的通信质量往往可以在数分钟甚至数小时内保持稳定。上述的两种在地域和时间维度上慢变特性为跳频电台网络的选频通信技术的应用奠定了基础。

在不同频点的通信质量呈现明显差异的情况下，自适应的选频通信技术可以通过剔除一些通信质量较差的频点或挑选出部分通信质量较高的频点来组成一个新的通信频表，从而有效提升整个网络的通信能力。但在大规模组网情况下，如果某个子网不再执行原来的规划，临时调整通信方案，将破坏原规划中的不同子网的通信正交性，对周围的其它仍执行原来规划的通信子网产生干扰。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于VHF频段上多跳频电台网络的自适应选频通信方法。通过该选频机制，保证了处于任意通信状态下的不同子网之间仍保持通信正交性，从而既实现了自适应选频通信功能，又避免了不同子网之间的互相干扰。

为了达到上述目的，包括下述步骤：

S1、首先对频表的子段进行划分，在一次频率规划中频表供N个采用相同时间基准的子网进行使用，将频表中的频点划分为A个子段，进行频表的子段划分；

S2、各子网的跳频频点产生机制，确定跳频频点在频表中字段的位置，在各子网采用相同的网络时间基准的前提下，各子网的每个通信设备将安装相同的随机发生器模块，并注入相同的通信密钥和网络时间的通信参数，保证该跳频频点产生机制N个子网在每一跳的N个频点在整个频表上呈均匀等距分布；

S3、在确定跳频频点在频表中的位置后，通过选频机制，确定跳频后的新的频点位置，选频机制步骤如下：

a、网络初始状态；

b、网路的整个运行过程中，信令广播波形、多播和广播业务一直在整个频表上伪随机选择跳频频点进行通信；

c、链路质量的参考数据收集；

d、单播业务的通信参数决策机制；

e、单播业务的通信参数的反馈机制；

f、单播业务发送；

g、子段频点生成新频表的生成方式。

优选的，步骤S1中，所述频表含256个频点，频表的子段划分的过程，取N＝32，把256个频点划分为15个子段，每个子段含32个频点，具体为1:32、17:48、33:64、…、235：256；相邻子段重叠16个频点。

优选的，步骤S2中，所述随机发生器模块的输入参数为两个：通信秘钥KEY和TON值；各子网在每跳上利用KEY和TON值，在随机发生器模块产生一个在区间[0,255]上满足均匀分布的随机数X后，再基于各子网的子网编号n进行以8为单位的线性循环偏移，其中1≤n≤32，从而产生跳频频点在频表中的位置编号。

优选的，步骤a中，网络在初始运行阶段中仍然依照原来的通信协议在整个频表上运行。

优选的，步骤b中，信令广播波形、多播和广播业务由于采用固定低速率波形传输。

优选的，步骤c中链路质量的参考数据收集具体为：网络节点将通过对自己的1跳邻居节点发送的所有信号都进行接收，通过对每跳信号中的导频信号的接收处理来获得频表中各频点的通信质量的参考数据。

优选的，步骤d中，单播业务的通信参数的决策机制：在引入选频机制后，对15个分段的子段频点进行统计，从而获得每个子段组成的新频表f1，f2，…f15对应的速率值，记为V1，V2，…V15，从中挑选出一个最大值和对应的频表，记为(V,f)，如果有多个值和最大值相同，则优先选择频点接收信噪比平均值最高的频表。

优选的，步骤e中，单播业务的通信参数的反馈机制为：各子网的入网节点将以固定周期分送同步广播信号，同步广播信号除了满足迟入网节点的同步需求，还将携带一些网络运行和维护信息，其中就包括了和邻居节点之间的链路速率信息，引入自适应选频机制后，信令中将增加4个比特的对应频表信息。

优选的，步骤f中，单播业务发送：发送节点在发送数据信号前，都必须发送一个RTS信号用于收方的同步，并提供后续的数据业务信号的通信参数指示，发送的内容包括业务发送地址、业务发送速率和业务时隙位置，从而接收节点的正确接收奠定基础，引入自适应选频机制后，信令中将增加4个比特的对应频表信息，其中0表示全频表，1-15分别表示其它15个子段。

优选的，步骤g中，所述子段频点为32个，生成256个新频表，其生成方式为：如果业务发送采用全频表，则继续沿用原来的跳频频点产生体制和过程；如果业务发送采用频表中的某个子段的频率，则为继续沿用原来的跳频频点产生体制和过程，将需要把子段频点32个进行扩展，从而产生一个含256个频点的新频表。新频表生成方法为：

如果子段号码K为奇数且K＝2k+1，其中k＝0,1,..,7，则新频表中的256个频点的排序机制为：

在第1个子段中，256个频点的排序为：

即对32个频点的7次重复过程中，每重复1次，32个数值都将是上一次的32个数值的左循环移动3个位置；

如果子段号码K为偶数且K＝2k，其中k＝1,..,7，则新频表中的256个频点的排序机制为：

和子段号码为奇数时的频点机制相比，当子段号码为偶数时，第1至32个数值的排序将有一定差异，不再是奇数时的严格从小到大排序，而把后面的16个数值和前面的16个数值互相调换位置；而后续的7次重复过程将采用相同的左循环移位机制。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明通过上述的选频机制上可以看出，自适应选频机制无需对原来的网络通信协议做任何修改，只是在单播业务的波形速率决策过程，在原来的全频表的基础上，进一步扩展至频表中的15个子段，在网络中的链路质量反馈信令中增加携带4个比特的频率信息，并不会增加任何的信道开销。

2、上述机制可以保证其中的任意的两个子网在所有的相同跳的信号上，不管是在全频率上跳频，还是在某个子段上跳频，都可以以趋于1的概率保持频率上的正交，从而有效解决了不同子网之间的互相干扰问题。

附图说明

图1是本发明的自适应选频通信方法的流程图。

图2是256个频点的子段划分示意图。

图3是N个子网在相同的某跳上的N个频率值的分布情况。

图4是32个子网的跳频频点之间的差距统计比例情况(10000跳)。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例中，基于VHF频段上多跳频电台网络的自适应选频通信方法，包括如下步骤：

不失一般性，设在一次频率规划中，一个含256个频点的频表供N个采用相同时间基准的子网进行使用。考虑到军用通信设备的射频技术发展较慢，导致信号带宽外的能量泄露比例较高；且军用设备出于远距离通信的需求，信号的功率较大，因此不同子网之间的信号需要较大的频率间隔保护，因此N的数值不能太大，典型值为32个。下面给出这N个子网的自适应选频通信方法：

S1、频表的子段划分：把256个频点划分为15个子段，每个子段含32个频点，具体为1:32、17:48、33:64、…、235：256；相邻子段重叠16个频点，如图2、图3所示。

S2、各子网的跳频频点产生机制：在各子网采用相同的网络时间(TON)基准的前提下，这些子网的每个通信设备将安装相同的PRG(随机发生器)模块和并注入相同的网络通信参数。随机发生器的输入参数为两个：KEY(通信秘钥)和TON值。随机发生器的一个重要特性是相同的输入值产生相同的输出值。各子网在每跳上利用KEY和TON值,在随机发送器产生一个在区间[0,255]上满足均匀分布的随机数X后，再基于各子网的子网编号n(1≤n≤32)进行以8为单位的线性循环偏移(见图2)，从而产生跳频频点在频表中的位置编号。该跳频频点产生机制可以保证N个子网在每一跳的N个频点在整个频表上呈均匀等距分布，实现了最小频率间隔的最大化，把子网之间的互相干扰水平降低至最低。

S3选频机制：

1、网络运行的初始状态：网络在初始运行阶段中仍然依照原来的通信协议在整个频表上运行；

2、在网络的整个运行过程中，信令广播波形、多播和广播业务由于采用固定低速率波形且传输方式为点对多点，因此将不考虑自适应选频机制，即一直在整个频表上伪随机选择跳频频点进行通信；

3、链路质量的参考数据收集：网络节点将通过对自己的1跳邻居节点发送的所有信号都进行接收(不管目的节点是否为自身)，通过对每跳信号中的导频信号的接收处理来获得频表中各频点的通信质量的参考数据；

4、单播业务的通信参数(速率和频率)的决策机制：由于网络采用跳频体制，不同频点的通信质量存在一定的差异性，而每个时隙由多个随机跳信号组成，因此不同时隙的信号接收效果存在一定的不确定性。因此和民用定频通信体系的速率决策机制不同，跳频体系的链路速率都是基于过去一段时间对整个频表的频点的较大数量接收信号质量的统计值而计算映射出来。在引入选频机制后，每个节点除了原来的对整个频表f₀的统计而获得的速率V₀值，还将对图1中15个分段的子段频点进行统计，从而获得每个子段组成的新频表f₁，f₂，…f₁₅对应的速率值，记为V₁，V₂，…V₁₅。对全频表对应的速率值V和其它15个子段对应的速率值V₁，V₂，…V₁₅进行比较，从中挑选出一个最大值和对应的频表，记为(V,f)。(如果有多个值和最大值相同，则优先选择频点接收信噪比平均值最高的频表)；

5、单播业务的通信参数(速率和频率)的反馈机制：考虑到军用跳频电台网络的迟入网节点的入网需求，因此每个子网的入网节点将以固定周期分送同步广播信号。该信号除了满足迟入网节点的同步需求，还将携带一些网络运行和维护信息，其中就包括了和邻居节点之间的链路速率信息。引入自适应选频机制后，信令中将增加4个比特的对应频表信息(0表示全频表，1-15分别表示其它15个子段。)

6、单播业务发送：考虑到网络采用跳频体制，因此网络节点想要发送单播数据业务，不管该网络采用何种信道接入方式，发送节点在发送数据信号前，都必须发送一个RTS信号用于收方的同步，并提供后续的数据业务信号的通信参数指示，包括业务发送地址、业务发送速率和业务时隙位置，从而接收节点的正确接收奠定基础。引入自适应选频机制后，信令中将增加4个比特的对应频表信息(0表示全频表，1-15分别表示其它15个子段。)

7、子段频点(32个)生成新频表(256个)的生成方式：如果业务发送采用全频表，则继续沿用原来的跳频频点产生体制和过程；如果业务发送采用频表中的某个子段的频率，则为继续沿用原来的跳频频点产生体制和过程，将需要把子段频点(32个)进行扩展，从而产生一个含256个频点的新频表。具体扩展方案如下：

①、如果子段号码K为奇数且K＝2k+1(k＝0,1,..,7)，则新频表中的256个频点的排序机制为：

以第1个子段为例，256个频点的排序为：

即对32个频点的7次重复过程中，每重复1次，32个数值都将是上一次的32个数值的左循环移动3个位置。

②、如果子段号码K为偶数且K＝2k(k＝1,..,7)，则新频表中的256个频点的排序机制为：

和子段号码为奇数时的频点机制相比，当子段号码为偶数时，第1至32个数值的排序将有一定差异，不再是奇数时的严格从小到大排序，而把后面的16个数值和前面的16个数值互相调换位置；而后续的7次重复过程将采用相同的左循环移位机制。

为验证上述机制的实际效果，这里使用MATLAB仿真工具进行模拟仿真。仿真场景为32个采用相同时间基准的相互独立的子网形成一个跳频电台多子网通信网络，这些子网在每一跳上都会随机从全频表和15个子段生成的新频表挑选一个，从而产生一个跳频频点。

从图4中的结果可以看出，频点差距不大于4个的比例约3％，频点差距大于4但不大于8的比例约3％，其它大于8个频点的比例占94％。从这些结果可以看出，虽然子网数量众多且选频过程没有互相协调，但本文提供的选频方案仍然可以以趋于1的概率保持频率上的正交，从而有效解决了不同子网之间的互相干扰问题。

在实际应用过程中，如果网络子网数量减少，再考虑到子网的地域分布区隔因素，在地域上相邻的两个子网之间的跳频频点差距小于等于8的概率基本上可趋于0。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。