高吞吐量、延时敏感无线网络的低截获信号传输系统及方法

专利名称：高吞吐量、延时敏感无线网络的低截获信号传输系统及方法
技术领域：
本发明属于无线通信领域，具体涉及一种适用于高吞吐量、延时敏感无线网络的 低截获信号传输系统及方法。
背景技术：
网络的多址接入技术通常是指网络节点通过共享信道实现相互连接访问的技术。 为了实现网络互联，不同节点必须通过公共信道相互通信。由于这种接入或访问网络的过 程实际上表现为占用信道的过程，因此又称为信道接入技术。在信道接入协议中，影响信道 利用率的两个基本问题是第一，信道资源分配。信道资源分配方式与通信业务密切相关， 不同业务要求与之相适应的资源分配方式；第二，一定资源分配方式下的调度算法，该算法 决定了多址接入协议的实现复杂度。信道资源分配是多址接入协议的基础，特别在无线通 信网络中，信道资源分配方式决定了网络的信号波形。因此在信道接入协议设计时，应首先 确定满足网络性能需求的信号波形。若信道资源分配可随用户需求的改变而变化，则该多址接入方式称为动态信道接 入。动态信道接入由于能够对业务需求表现出自适应性，因而具有较高的信道利用率。根 据全网时钟是否同步，动态信道接入可分为异步接入与同步接入。其中，异步信道接入可 分为基本的随机接入协议(AL0HA类协议)以及基于监听的随机接入协议(CSMA类协议)。 而同步信道接入主要包括基于预约的动态接入协议(动态TDMA协议)。根据节点共享的信 道数量，动态信道接入又可分为单信道协议及多信道协议。单信道协议是指网络中只有一 个共享信道，所有控制分组、数据分组都在同一个信道上收发，这种半双工系统在某些情况 下无法满足网络吞吐量及实时性要求。例如，假设某网络平均吞吐量为10Mbps，而节点最 大吞吐量为2Mbps，因此任意时刻网络内至少有5个2Mbps的数据流同时进行传输。若网 络包括100个用户，这意味着任意时刻至少有5%的用户在同时发送分组，等效于每个用户 的发送占空比至少为5% (若网络用户更少，则发送占空比更高)。对于半双工系统，5%的 发送占空比意味着在接收时平均有5%的数据分组要丢失，超出了网络正常运行所要求的
误包率。要使网络正常运行，该信号波形必须实现全双工并行传输。这说明单信道半双 工系统无法实现某些高吞吐量网络。另外，由于网络接入延迟的限制，不允许当前业务等待 其他业务接收完毕后或者等待向发送节点发送停止指令后再接入信道。这表明单信道半双 工系统同样无法适用于某些延时敏感网络。由此看出，某些情况下单信道半双工传输系统 严重制约了网络总体性能，因此只有考虑采用多信道全双工传输体制才能满足上述网络对 吞吐量及实时性的需求。在多信道协议中，“多信道”既可以是多个逻辑信道，也可以指多个物理通道。而 多个相互独立的物理信道是实现全双工传输的基础。多信道协议主要采用FDMA、CDMA等信 道资源分配方式。对于FDMA，N个信道分别占用N个互不重叠的频带，每个频带是总带宽的 1/N。这种资源分配方式简单，但信道接入的灵活性、扩展性不足，且抗干扰、低截获性能较低；而对于CDMA，信道资源采用不同的扩频地址码进行划分。在动态分布式网络中，若采用 直扩方式，必须采用复杂的功率控制算法来克服远近效应所带来的不利影响。而采用跳扩 方式不但没有远近效应，而且具有灵活的多址组网能力及良好的安全保密性能。此外，对于 多信道协议，若采用同步分配类接入方式，可将信道划分为一个控制信道和若干数据信道。 相邻节点在每一帧的预约周期内、通过在控制信道上交换控制分组来竞争信道资源(频道 与码字)以保证在后续业务周期内无冲突的占用时隙。若竞争失败，该节点必须等待下一 帧再次进行信道预约。这种基于预约的动态TDMA接入协议具有较低的分组冲突概率和较 高的信道利用率，适于定长分组且周期性较强的高负载业务，但业务接入时间可能会由于 冲突而被随机推迟，不能确保延时敏感业务的实时接入。若采用异步竞争接入方式，不但可 以避免资源调度所带来的大量控制开销，而且可有效提高信道接入的实时性，更适合以突 发业务为主的延时敏感网络。但异步接入方式必须采取有效的冲突避免及接入控制机制来 确保不同类型业务合理占用信道资源。

发明内容
本发明的目的是为了解决高吞吐量、延时敏感无线网络的多址接入问题，提供一 种能够实现多通道、全双工传输且具有低冲突概率及低截获特征的信号传输系统及方法。本发明的高吞吐量、延时敏感无线网络中低截获信号的传输系统，包括综合消息 处理器、发射机、接收机、网络管理器和全双工宽带天线；综合消息处理器通过分组打包、组帧封装格式化处理，按照网络层、链路层协议将 用户信息形成若干消息分组并送入发射机；同时根据网络层、链路层协议对接收机输出的 消息分组进行逆操作，提取出相应的用户信息；发射机对综合消息处理器生成的消息分组进行数据符号映射及信道编码；将每个 消息分组对应的基带码流拆分成若干数据子块，并根据用户地址码即每个用户的跳时与跳 频序列，对数据子块的时间间隔及载波频率进行伪随机调制；在发送信号的时间及频率内 对所有接收机输出“遮蔽”信号；对时频二维伪随机分布的数据子块进行载波调制，并通过 全双工宽带天线发射；接收机与发射机的配置结构完全相同，但执行逆操作对全双工宽带天线所接收 的信号进行滤波及下变频处理，形成基带数字信号；根据发射机所产生的“遮蔽”信号将所 有与其发生碰撞的接收信号标记为“删除错误”，并根据用户地址码对基带信号进行时频二 维联合解扩；将解扩生成的数据子块按顺序进行重组得到基带码流，并通过信道译码及符 号解调恢复出原始的消息分组并最终送至综合消息处理器；网络管理器控制发射机及接收机生成的用户地址码。本发明的高吞吐量、延时敏感无线网络的低截获信号传输系统的信号发射方法， 包括以下步骤步骤一地址密钥分配；采用集中式发射端码分配协议，通过网络控制节点对网内所有注册节点的地址密 钥进行分配和管理，保证每个节点地址密钥的唯一性，同时，每个节点在控制信道上周期性 广播自己的加密地址密钥；当节点A进入网络时，首先在控制信道上对控制节点发送“入网 请求分组”;控制节点收到请求后，根据地址密钥的分配记录查询密钥空间K，从中选择一个
8尚未使用的地址密钥通过“入网应答分组”由控制信道发送给节点A ；节点A收到“入网应 答分组”后对所有一跳邻居节点进行广播，完成入网过程中发射机的密钥分配；由于某个节 点离开网络或发生故障而导致其在规定的时间内没有进行身份广播，邻居节点将自动删除 该地址密钥并释放相应的码信道，同时控制节点也会周期性更新网络的地址密钥空间；步骤二 由地址密钥生成跳频、跳时序列；具体为混沌映射系统为xn+1 = f(xn, μ )，n = 0，1，2，3，…，其中f ( ·)为混沌映射系统， μ为混沌系统参数，xn, xn+1分别为混沌系统叠代算法的输入与输出；由该混沌系统生成的 一个混沌序列为X= {xjn = 0,1,2,…}，其中初始值Xtl、参数μ为该序列的密钥，&和 μ的所有取值的集合为密钥空间K ；从信号频带内选出频点作为跳频频率表F= {fjl = 0,1,2, ...2b_l}，F为 跳频序列对应的载波频率集合，fx为该集合中第1个载波频率，通过均勻随机化方法，将混
度序列X中的每个实数Xn转换成个由bbit的伪随机整数Pi，从而将X变换成均勻分布
的整数型伪随机序列，用Xb表示，即Xb = {Pi 10彡Pi彡2b，i = 0，1,2-}，式中Pi的下标
土与\的下标η满足(《-1)· j <i<n- f ；设均勻映射g:Xb —F，iPi = l时取为第i
跳的频率，记为fS则由f"构成一个与Xb—一对应的跳频序列F:F= {fi|i = 0，l，2，…; f1 e F}；同理，根据分组周期内的信号占空比，以子块时间长度为基本单位选择，种不同 长度的时间间隔作为跳时时间表T = ItJm = 0，1，2，-^tl-IL T为跳时序列对应的时间 间隔集合，tm为该集合中第m个时间间隔，通过均勻随机化方法，将混沌序列X中的每个实
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数Xn转换成f个由q bit的伪随机整数ki;从而将X变换成均勻分布的整数型伪随机序
列，用Xq表示，即= Iki I 0彡Ici彡i = 0，1,2-}，式中Iii的下标i与Xn的下标η满
足("-1)_ -化一 ；设均勻映射h^ —Τ，当ki = m时取tm为第m个子块与前一子 _ ^ J L ^r J
块的时间间隔，可记为tm，则由tm构成一个与Xq一一对应的跳时序列T:T= {tm| i = 0，1， 2，... ;tm e Τ}；步骤三格式化处理；将用户信息按照网络协议进行组帧封装，形成完整的消息分组；步骤四符号映射；对消息分组进行符号调制，得到消息符号序列；步骤五信道编码；对消息符号序列进行信道编码，形成基带码流；步骤六分组拆分成子块；将每个消息分组所对应的基带码流均勻拆分成若干长度相等的数据子块，并在子 块中插入同步/相位参考符号；步骤七跳频调制；根据步骤二中所述的跳频序列对消息分组中所有数据子块的频率进行伪随机调制；步骤八跳时调制；根据步骤二中所述的跳时序列对消息分组中相邻两个数据子块的时间间隔进行 伪随机调制；步骤九发射遮蔽；用户发送消息时，发射机信道调制/解调器工作的同时将对所有接收机的信道调 制/解调器发送“遮蔽”信号，将其中产生碰撞的接收信号标记为删除错误；步骤十载波调制；对数据子块进行滤波及上变频处理，完成载波调制后馈送至天线。本发明的高吞吐量、延时敏感无线网络的低截获信号传输系统的信号接收方法， 包括以下步骤步骤一地址密钥分配；集中式发射端码分配协议通过网络控制节点对网内所有注册节点的地址密钥进 行分配和管理，保证每个节点地址密钥的唯一性；同时，每个节点在控制信道上周期性广播 自己的加密地址密钥；入网节点经过延时等待后收到所有邻居节点的地址密钥并在不同接 收机中激活相应的码信道，完成入网过程中接收机的密钥分配；由于某个节点离开网络或 发生故障而导致其在规定的时间内没有进行身份广播，邻居节点将自动删除该地址密钥并 释放相应的码信道，同时控制节点也会周期性更新网络的地址密钥空间；步骤二 跳频、跳时伪随机序列生成；具体为混沌映射系统为:xn+1 = f(xn, μ )，n = 0，1，2，3，…，其中f ( ·)为混沌映射系统， μ为混沌系统参数，xn, xn+1分别为混沌系统叠代算法的输入与输出；由该混沌系统生成的 一个混沌序列为X= {xjn = 0,1,2,…}，其中初始值Xtl、参数μ为该序列的密钥，&和 μ的所有取值的集合为密钥空间K ；从信号频带内选出频点作为跳频频率表F= {fjl = 0,1,2, ...2b_l}，F为 跳频序列对应的载波频率集合，fx为该集合中第1个载波频率，通过均勻随机化方法，将混
度序列X中的每个实数Xn转换成f个由bbit的伪随机整数Pi，从而将X变换成均勻分布
的整数型伪随机序列，用Xb表示，即Xb = {Pi 10彡Pi彡2b，i = 0，1,2-}，式中Pi的下标
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i与xn的下标η满足；设均勻映射g :xb — F，当Pi = 1时取为第i
跳的频率，记为fS则由fi构成一个与Xb—一对应的跳频序列F:F= {fi|i = 0，l，2，…; f1 e F}；同理，根据分组周期内的信号占空比，以子块时间长度为基本单位选择，种不同 长度的时间间隔作为跳时时间表T = ItJm = 0，1，2，-^tl-IL T为跳时序列对应的时间 间隔集合，tm为该集合中第m个时间间隔，通过均勻随机化方法，将混沌序列X中的每个实
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数χη转换成、上个由q bit的伪随机整数ki;从而将X变换成均勻分布的整数型伪随机序 _ 7」
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块的时间间隔，可记为tm，则由tm构成一个与Xq一一对应的跳时序列T:T= {tm| i = 0，1， 2，... ;tm e Τ}；步骤三载波解调；对全双工宽带天线的接收信号进行滤波及下变频处理，并生成数据子块的中频数
字信号；步骤四时频二维联合解扩；根据步骤二得到的跳时序列、跳频序列以及每个子块中的同步/相位参考信息， 使得信道调制/解调器实现与接收信号的时间同步，并完成相应的频率的捕获、跟踪与解 调；步骤五子块合并；将数据子块按顺序重组为消息分组所对应的基带码流；步骤六信道译码；对基带码流进行信道纠错译码，恢复出消息符号序列；步骤七符号解调；对消息符号序列进行符号解调，得到原始的消息分组；步骤八格式化处理；根据网络协议对消息分组进行格式化处理，提取用户信息。本发明的优点在于(1)该系统及方法将传统的数据分组拆分成若干均勻短猝的数据子块，通过时频 二维伪随机调制将分组冲突分散在若干少数的子块当中，并结合信道纠错编码实现了多个 分组的并行接收，从而降低了分组冲突概率、提高了信道利用率；(2)该系统及方法具备发射与多路接收全双工传输能力，能够满足网络高吞吐量 需求；(3)当多个用户对同一事件作出响应时，由于没有足够的延时预算进行发射前载 波监听以及传输时间随机化处理，使得该网络必须满足多个相邻用户的同时接入。该系统 及方法与异步竞争信道接入协议相结合避免了复杂的资源调度算法、降低了信道接入延 时，可以满足以突发业务为主的延时敏感网络的服务质量。(4)该系统及方法可使网络发生过载后的吞吐量随着负载持续增加而缓慢下降， 避免了网络瞬间瘫痪，增强了网络的鲁棒性。(5)该系统及方法采用混沌序列生成的跳频及跳时序列进行时频二维伪随机调 制，具有良好的抗干扰与低截获性能。


图1是节点实现多路并行接收的无线网络示意图；图2是节点实现发射与多路接收并行传输的无线网络示意图；图3是全双工多通道并行传输信号示意图；图4是单通道信号的时频分布示意11
图5是两个通道内并行数据分组的部分时序图；图6是本发明所述信号传输系统结构示意图；图7是本发明所述系统发射信号的方法流程图；图8是本发明实数双精度二进制示意图；图9是本发明所述系统接收信号的方法流程图。图中1-综合消息处理器 2-发射机3-接收机 4-网络管理器5-全双工宽带天线 201-信道编/解码器 202-数据调制/解调器203-信道调制/解调器204-地址码生成器 205-变频器
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。在异步信道接入协议(如ALOHA类、CSMA类协议)中，用户信息被打包成若干消 息分组在网络内传输。当节点无法准确获取信道状态信息时，一旦多个相邻节点需要同时 接入信道，分组极易产生碰撞，从而导致较大的接入时延并严重降低了信道利用率。本发明 提出的高吞吐量、延时敏感无线网络的低截获信号传输方法，该方法将每个数据分组拆分 成若干均勻短猝的数据子块，并通过时频二维伪随机调制进行猝发传输，不但具有良好的 低截获、抗干扰性能，而且无需额外控制开销便降低了多个分组并行传输的信道冲突概率， 从而实现了同频带内跳频信号多通道并行传输。本发明的典型应用环境如图1及图2所示。图1中，某无线网络包括六个节点A、 B、C、D、E、F。本发明所述的系统及方法可使节点A几乎同时(发射时间、传播延时略有不 同)接收来自节点B、C、D、E、F的五个并行数据流。由于A与B、C、D、E、F距离不同，所接 收信号的功率电平也有所不同。图2中，节点A在对节点B、C、D、E进行接收的同时还可以 向节点F发送数据，从而实现发射与多路接收全双工传输。在上述两种网络环境中，假设单 节点最大吞吐量为2Mbps，这意味每个用户可达到最大2Mbps的发射速率与最大IOMbps的 接收速率。图3为本发明所述多通道全双工传输的信号示意图。与传统信号波形相比，该信 号波形将消息分组拆分成一系列均勻短猝的数据子块，并以一定的“频隙”及“时隙”为单 位在同频带内及分组周期内伪随机分布。通过子块在时频二维空间的伪随机分布降低了多 个分组并行传输的碰撞概率，并通过信道编码的纠错机制实现了发射与多路接收的全双工 传输。在该信号波形中，来自不同用户的分组在相同频段、相同时间内发生重叠，各个用户 具有不同的跳频及跳时图案。如图3所示，为了实现多通道全双工传输，每个节点包括N+1 个独立传输通道(N是一跳共享广播信道中邻居个数)其中第一个传输通道为发射机，第二 个传输通道至第N+1个传输通道为N个独立的接收机。由于系统工作在异步接入网络，因 此发射机中本用户分组的发射时间与接收机中其他用户分组的到达时间各不相同。各接收 机在不同码信道上分别对相应用户的数据子块进行捕获、同步、解调等处理。图3中某个传输通道(第j个传输通道)内的信号时频分布如图4所示。假设某 个数据分组G包括m个码元符号，将其拆分成为η个数据子块H后，在分组周期t内、相同 频段的P个频率上进行伪随机分布。子块H的载波频率与时间间隔分别由跳频序列PNjl及
12Jfl
跳时序列P 2进行伪随机调制。每个数据子块H包含；个码元符号，由数据信息Q、U、T与
Jrt
同步/相位参考信息W、I组成，其中Q、U、T共包含k个信息符号，1、1各包括￥=-*)个同
步/相位参考符号。同步/相位参考信息I、W在子块H内的起始位置可以根据不同设计有 所不同。假设一个分组由2048bit构成，分组周期为1024μ3(即信息速率为2Mbit/s)。对 分组进行码率为1/5的信道编码后，将其拆分为32个子块以40Mbit/s的码速率传输。每 个子块内包含320个码元符号，其中32个为同步符号。此时传输信号的占空比为25%，并 在上述时频空间内伪随机分布。与传统的网络信号相比，本发明所述信号传输方法利用较 高的码速率降低了数据分组的占空比，并结合跳时及跳频二维伪随机调制，有效降低了多 个并行分组的碰撞概率。假设不同传输通道中两个并行数据分组a、b某段时间内的信号时序如图5所示。 其中，分组a的子块B1^a2, a3> a4、a5、a6分别工作在频率F3、F2, F6, F1, F2, F50分组b的子块 bp b2、b3、b4、b5、b6分别工作在频率F4、F” F6、F4、F3、F50子块a4与b4虽然时间碰撞但工作 在不同频率FpF4上，因此不会产生任何互扰；子块ai、bi虽然时间发生碰撞，但工作在相邻 频率F3、F4上，只会产生轻微互扰而并不影响各自的正确接收；子块^与、同时占用频率 F5，这种信道冲突导致其无法被正确接收。而其余子块a2、a3、a5与b2、b3、b5在时间及频率 上不会产生任何碰撞，均可实现正确接收。由此看出，采用本发明所述的信号传输方法可将 网络中分组冲突限制在数量较少的若干子块内而一般不会导致整个分组的丢失或重传，减 少了多通道CDMA信号并行传输的碰撞概率，提高了信道利用率、降低了接入时延。本发明所述信号传输方法采用了发射端(Transmitter-based)码分配方式，即所 有节点采用不同的地址码(一个跳时码、一个跳频码)发送信息，而接收节点必须在相应的 码信道上进行接收。由于本发明所涉及的无线网络采用异步竞争接入体制，接收节点无法 提前判断哪个节点成功接入信道，因此不能动态选择相应的码信道进行接收，只能同时监 控所有邻居节点的码信道，这无疑带来较大的系统软硬件开销。而当网络规模较小时，为保 证网络的吞吐量及实时性，这种开销仍然是可以接受的。系统终端采用软件无线电体系结 构建立1个发射机通道及N个接收机通道。随着新节点的加入，系统将加载新节点的地址 密钥，并在某个接收机通道中激活相应的码信道。传统CDMA系统通常采用的二进制伪随机序列包括m序列、M序列以及GOLD序 列，它们的自相关函数接近理想，但互相关函数存在较大尖峰；码数目有限，容易被破译，保 密性较差。尤其在分布式跳频通信系统中，所有用户都占用相同的频带，仅用不同地址码进 行区别，这要求地址码应能提供足够数量的相关函数尖锐的码序列。鉴于传统PN序列的不 足，本发明通过混沌序列来产生跳频、跳时序列。混沌序列作为伪随机码具有以下优势混 沌序列生成简单，码组的生成只需要一个映射方程与一组初始值；混沌序列对初值很敏感， 其码组空间非常大，在多用户CDMA通信中，这些信号可有效区别不同的用户；混沌系统是 一种强非线性系统，具有非周期性，安全性较高很难被截获；混沌序列具有尖锐的自相关和 理想的互相关特性，可以保证信号间的互扰很低；混度序列具有良好的平衡性，可以生成稳 定性较好的随机序列等。此外，本发明所述信号波形中每个子块均采用了具有良好“删除”性能的信道编 码。全双工传输时，考虑到系统发射占空比，通常将发射机通道工作时到达的所有接收信号标记为“删除错误”，尽量减少随机错误。通过编码理论可知，“删除错误”对系统的影响远 比随机错误要小得多。而在纯删除信道中，Turbo编码仅利用半数正确接收的数据子块即可 恢复整个消息分组。而本发明中不同用户采用了不同的跳时、跳频码，信道中子块的碰撞完 全是随机的、突发的，故实际信道并不能按纯删除信道处理。通常要求至少多于半数的子块 被正确接收，否则将判定整个消息分组发生碰撞。考虑到本发明所述的CDMA信号具有多通 道全双工传输能力，因此信道中用户个数增加将使网络吞吐量逐渐上升并达到最大。此时 若网络负载继续增大，用户信号之间碰撞概率不断上升将导致网络吞吐量转而下降，但这 种性能衰退是一种缓慢的渐变过程，这是由于在网络过载条件下信道中大功率信号(近距 离节点信息)具有较高的信噪比，仍然能够保证被正确接收，而越来越多的小功率信号(远 距离节点信息)被逐渐增强的多址干扰所淹没。因此，整个网络不会出现瞬间瘫痪。本发明所述信号系统及方法采用CDMA发射端码分配协议，使不同用户获得不同 地址码(跳频、跳时码)发送信息，尽可能降低多用户同时接入信道所带来的多址干扰。本发明的一种高吞吐量、延时敏感无线网络的低截获信号传输系统，如图6所示， 系统采用软件无线电体系结构，具有N+1个采用相同配置的独立传输通道，可实现发射与 多路接收的全双工传输，主要包括综合消息处理器1、发射机2、接收机3、网络管理器4和全 双工宽带天线5。综合消息处理器1通过分组打包、组帧封装等格式化处理，按照网络层、链路层协 议将用户信息形成若干消息分组并送入发射机2 ；同时根据网络层、链路层协议对接收机3 输出的消息分组进行逆操作，提取出相应的用户信息。本发明设有一个发射机2，发射机2包括数据调制/解调器201、信道编/译码器 202、信道调制/解调器203、地址码生成器204和变频器205。数据调制/解调器201对 综合消息处理器1产生的消息分组进行符号映射，形成符号序列并输出至信道编/译码器 202。信道编/译码器202对符号序列进行信道编码，并将每个消息分组拆分成若干数据子 块输出至信道调制/解调器203。信道调制/解调器203根据地址码生成器204产生的地 址码，即跳时序列与跳频序列，对数据子块的时间间隔与载波频率进行伪随机调制，并在工 作的频率及时间内对所有接收机3的信道调制/解调器203输出“遮蔽”信号。信道调制 /解调器203完成时频二维伪随机调制后，每个子块送至变频器205进行载波调制，调制后 经过全双工宽带天线5发射。本发明设有N个接收机3，每个接收机3与发射机2采用完全相同的硬件配置，但 每个单元执行逆操作。变频器205对宽带全双工天线5的接收信号进行滤波及下变频处理， 生成中频数字信号。信道调制/解调器203根据发射机2的信道调制/解调器203发送的 “遮蔽”信号将所有发生碰撞的接收信号标记为“删除错误”，并根据地址码生成器204所产 生的用户地址码对中频信号进行时频二维联合解扩，得到若干数据子块。信道编/译码器 202将信道调制/解调器203所产生的数据子块按顺序进行重组得到基带码流，经过信道译 码得到符号序列。数据调制/解调器201对符号序列进行符号解调，将恢复出的消息分组 送至综合消息处理器1。网络管理器4接收网络控制消息并执行拓扑管理，网络管理器4根据网络控制节 点所分配的地址密钥激活发射机2的地址码生成器204，使其产生相应用户的地址码，即每 个用户自身的跳时序列与跳频序列；同时，根据邻居节点的身份广播激活相应的接收机3的地址码生成器204，使其产生当前邻居节点的地址码。利用本发明一种高吞吐量、延时敏感无线网络的低截获信号传输系统的信号发射 方法，流程如图7所示，包括以下几个步骤步骤一地址密钥分配；为避免多个相邻节点同时接入传输通道所造成的多址干扰，本发明采用了集中式 发射端码分配协议，不但确保了所有一跳及两跳相连的节点使用不同的地址码(跳频序 列、跳时序列)发送信息，而且避免了网络拓扑动态变化对分布式码分配协议所造成的复 杂性，具有可靠性高且控制开销小等优点。集中式发射端码分配协议通过网络控制节点 (簇头节点)对网内所有注册节点的地址密钥进行分配和管理，保证了每个节点地址密钥 的唯一性。同时，每个节点在控制信道上周期性广播自己的加密地址密钥。当节点A进入 网络时，首先在控制信道上对控制节点发送“入网请求分组”。控制节点收到请求后，根据地 址密钥的分配记录查询密钥空间，从中选择一个尚未使用的地址密钥通过“入网应答分组” 由控制信道发送给节点A。节点A收到“入网应答分组”后对所有一跳相邻节点进行广播， 从而完成入网过程中发射机的密钥分配。由于某个节点离开网络或发生故障而导致其在规 定的时间一定时间内没有进行身份广播，邻居节点将自动删除该地址密钥并释放相应的码 信道，同时控制节点也会周期性更新网络的地址密钥空间。步骤二 由地址密钥生成跳频、跳时序列；设本发明所采用的混沌映射系统为:xn+1 = f(xn, μ),η = 0，1，2，3，···，其中f(·) 为混沌映射系统，μ为混沌系统参数，xn，xn+1分别为混沌系统叠代算法的输入与输出。由 该混沌系统所生成的一个混沌序列为X = {xjn = 0,1,2,…}，其中初始值Xtl与参数μ 为该序列的密钥，Xtl和μ所有取值的集合即为地址密钥空间K。只要混沌映射系统选择合 适，就可以使K足够大、X的周期足够长。本发明中信号波形的跳频序列、跳时序列均由混沌序列生成。所述的将混度序列 变换为伪随机序列的均勻随机化方法为根据ΙΕΕΕ754标准规定，一个实数χ的双精度二进制表示由三部分组成Ibit符 号位(用s表示)、llbit偏指数位(用e表示)，52bit尾数位(用f表示)，即χ = (_l)sX2e,23Xl. f，0 < e < 2047，s e {0，1}双精度二进制表示如图8所示，其中，尾数位f包括52bit 二进制码f = f51f5(r·· fifo^fi e {0，l}，i = 0，1，···52，将其分成高位26bit及低位26bit的两个码块，分别记为 fH = f51f50…f27f26，fL = 4知-位。，将低位 fL 倒置，记为:fL' = f0fr..f24f25。对 fH、fL' 进行异或运算，记为/^ = ^ // = ·/；,’·/；。’…^'/^，其中/51-厂=/51-, 广 / = 0，1,2,".24,25。 再将fH'与&按照高位和低位合并成一个新的尾数，即f' =fH' fL= f51' f50 ‘… f27' f26' f^fyfA。由此得到的新尾数f'即为均勻随机二进制数。从信号频带内选出可供跳频的2b个频点作为跳频频率表=F = {fjl = 0，1,2,... 2b-l}，F为跳频序列对应的载波频率集合，fx为该集合中第1个载波频率。利用均勻随机化
方法，将混度序列X中的每个实数Xn转换成f个由bbit的伪随机整数Pi,从而将X变换
成均勻分布的整数型伪随机序列，用Xb表示，即Xb= {Pi|0彡Pi<2b，i = 0，l，2···}。式
中Pi的下标i与Xn的下标η满足(《-1)_ 。设均勻映射g :Xb — F，当Pi = 1时取fi为第i跳的频率，记为fi。则由fi构成一个与Xb—一对应的跳频序列F:F= IfiIi =0,1,2, ... ；^ e F}。同理，根据分组周期内的信号占空比，以子块时间长度为基本单位选择，种不同 长度的时间间隔作为跳时时间表T = ItJm = 0，1，2，-^tl-IL T为跳时序列对应的时间 间隔集合，tm为该集合中第m个时间间隔。利用均勻随机化方法，将混沌序列X中的每个实
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数Xn转换成二个由q bit的伪随机整数ki;从而将X变换成均勻分布的整数型伪随机序 L 7」
列，用\表示，即=Xq= {ki |0彡IiiSZtU = 0，1，2···}。式中ki的下标士与Xn的下标η满
足(《_1)· 二 <i<n- ^。设均勻映射h:、一 T，当ki = m时取tm为第m个子块与前一子 _ ^ j L ^f J
块的时间间隔，可记为tm。则由tm构成一个与\一一对应的跳时序列T:T= {tm|i = o, 1,2, ... ;tm e Τ}。步骤三格式化处理；将用户信息按照网络协议进行组帧封装，形成完整的消息分组。步骤四数据符号映射；对消息分组进行数据符号调制，例如FSK、QPSK等方式。步骤五信道编码；对消息分组的符号序列进行信道编码，形成基带码流。要求该信道编码具有良好 的删除性能，例如Turbo编码，RS编码等，提高物理层纠错能力。步骤六分组拆分成子块；将每个消息分组所对应的符号序列均勻拆分成若干长度相等的数据子块，并在子 块中插入同步/相位参考符号。步骤七跳频调制；根据步骤二中所述的跳频序列对消息分组中所有数据子块的频率进行伪随机调 制。步骤八跳时调制；根据步骤二中所述的跳时序列对消息分组中相邻两个数据子块的时间间隔进行 伪随机调制。步骤九发射遮蔽；用户发送消息时，发射机的信道调制/解调器工作的同时将对所有接收机的信道 调制/解调器发送“遮蔽”信号，将其中所有产生碰撞的接收信号标记为删除错误；步骤十载波调制；对数据子块进行滤波及上变频处理，完成载波调制后馈送至天线。利用本发明一种高吞吐量、延时敏感无线网络的低截获信号传输系统的信号接收 方法，流程如图9所示，包括以下几个步骤步骤一地址密钥分配；集中式发射端码分配协议通过网络控制节点(簇头节点)对网内所有注册节点的 地址密钥进行分配和管理，保证了每个节点地址密钥的唯一性。同时，每个节点在控制信道 上周期性广播自己的加密地址密钥。入网节点经过延时等待后收到所有邻居节点的地址密钥并在不同接收机中激活相应的码信道，从而完成入网过程中接收机的密钥分配。由于某 个节点离开网络或发生故障而导致一定时间内没有进行声明，邻居节点将自动删除该地址 密钥并释放相应的码信道，同时控制节点也会周期性更新网络的地址密钥空间。步骤二 由地址密钥生成跳频、跳时序列；与发射流程的步骤二相同。步骤三载波解调；对全双工宽带天线的接收信号进行滤波及下变频处理，并生成数据子块的中频数
字信号；步骤四时频二维联合解扩；根据步骤二中得到接收机中地址码生成器所产成的跳时序列及跳频序列以及每 个子块中的同步/相位参考信息，使得信道调制/解调器实现与接收信号的时间同步，并完 成相应的频率的捕获、跟踪与解调。步骤五子块合并；将数据子块按顺序重组为消息分组所对应的符号序列；步骤六信道译码；对基带码流进行信道纠错译码，恢复出原始的消息分组；步骤七数据符号解调；对符号序列进行数据符号解调，得到基带码流；步骤八格式化处理；根据网络协议对消息分组进行格式化处理，提取其中用户的原始信息。本发明所提出的高吞吐量、延时敏感无线网络中低截获信号传输系统及方法，利 用了时频二维伪随机调制实现了发送与多路接收全双工传输体制，提高了信道利用率、实 现了同时多用户的即时接入，从而满足了某些网络高吞吐量需求以及延时敏感业务的服务 质量。与传统信号波形相比，该信号波形不但具有良好的抗干扰、低截获性能，而且避免了 网络过载所导致的瞬间瘫痪问题，显著提高了网络的可靠性及鲁棒性。
权利要求
高吞吐量、延时敏感无线网络中低截获信号的传输系统，其特征在于，包括综合消息处理器、发射机、接收机、网络管理器和全双工宽带天线；综合消息处理器通过分组打包、组帧封装格式化处理，按照网络层、链路层协议将用户信息形成若干消息分组并送入发射机；同时根据网络层、链路层协议对接收机输出的消息分组进行逆操作，提取出相应的用户信息；发射机对综合消息处理器生成的消息分组进行数据符号映射及信道编码；将每个消息分组对应的基带码流拆分成若干数据子块，并根据用户地址码即每个用户的跳时与跳频序列，对数据子块的时间间隔及载波频率进行伪随机调制；在发送信号的时间及频率内对所有接收机输出“遮蔽”信号；对时频二维伪随机分布的数据子块进行载波调制，并通过全双工宽带天线发射；接收机与发射机的配置结构完全相同，但执行逆操作对全双工宽带天线所接收的信号进行滤波及下变频处理，形成基带数字信号；根据发射机所产生的“遮蔽”信号将所有与其发生碰撞的接收信号标记为“删除错误”，并根据用户地址码对基带信号进行时频二维联合解扩；将解扩生成的数据子块按顺序进行重组得到基带码流，并通过信道译码及符号解调恢复出原始的消息分组并最终送至综合消息处理器；网络管理器控制发射机及接收机生成的用户地址码。
2.根据权利要求1所述的高吞吐量、延时敏感无线网络中低截获信号的传输系统，其 特征在于，所述的发射机包括数据调制/解调器、信道编/译码器、信道调制/解调器、地址 码生成器和变频器；数据调制/解调器对综合消息处理器产生的消息分组进行数据符号映射，形成消息符 号序列并输出至信道编/译码器；信道编/译码器对消息符号序列进行信道编码，并将每个 消息分组对应的基带码流拆分成若干数据子块送至信道调制/解调器；信道调制/解调器 根据地址码生成器所产生的用户地址码，即每个用户的跳时及跳频序列，对数据子块的时 间间隔及载波频率进行伪随机调制，并在发射机工作的时间及频率内对所有接收机的信道 调制/解调器输出“遮蔽”信号；经过时频二维伪随机调制的数据子块被送至变频器进行载 波调制，并通过全双工宽带天线完成发射。
3.根据权利要求1所述的高吞吐量、延时敏感无线网络中低截获信号的传输系统，其 特征在于，所述的接收机包括数据调制/解调器、信道编/译码器、信道调制/解调器、地址 码生成器和变频器；变频器对全双工宽带天线所接收的信号进行滤波及下变频处理，生成中频数字信号； 信道调制/解调器根据发射机产生的“遮蔽”信号将所有发生碰撞的接收信号标记为“删除 错误”，并根据地址码生成器产生的用户地址码对中频信号进行时频二维联合解扩，得到若 干数据子块；信道编/译码器将数据子块按顺序进行重组得到基带码流，并通过信道译码 生成消息符号序列；数据调制/解调器对消息符号序列进行符号解调，恢复出原始的消息 分组并最终送至综合消息处理器。
4.根据权利要求1所述的高吞吐量、延时敏感无线网络中低截获信号的传输系统，其 特征在于，所述的网络管理器接收网络控制消息并执行拓扑管理，网络管理器根据网络控 制节点所分配的地址密钥激活发射机的地址码生成器，使其产生相应用户的地址码，即每 个用户自身的跳时及跳频序列；同时，接收邻居节点的身份广播消息并激活相应接收机的地址码生成器，使其产生邻居节点的地址码，即邻居节点的跳时及跳频序列。
5.应用于权利要求1所述传输系统的信号发射方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一地址密钥分配；采用集中式发射端码分配协议，通过网络控制节点对网内所有注册节点的地址密钥进 行分配和管理，保证每个节点地址密钥的唯一性，同时，每个节点在控制信道上周期性广播 自己的加密地址密钥；当节点A进入网络时，首先在控制信道上对控制节点发送“入网请求 分组”;控制节点收到请求后，根据地址密钥的分配记录查询密钥空间K，从中选择一个尚未 使用的地址密钥通过“入网应答分组”由控制信道发送给节点A ；节点A收到“入网应答分 组”后对所有一跳邻居节点进行广播，完成入网过程中发射机的密钥分配；由于某个节点离 开网络或发生故障而导致其在规定的时间内没有进行身份广播，邻居节点将自动删除该地 址密钥并释放相应的码信道，同时控制节点也会周期性更新网络的地址密钥空间； 步骤二 由地址密钥生成跳频、跳时序列； 具体为混沌映射系统为:χη+1 = f(xn, μ), η = 0,1,2,3,…，其中f( ·)为混沌映射系统，μ 为混沌系统参数，χη, χη+1分别为混沌系统叠代算法的输入与输出；由该混沌系统生成的一 个混沌序列为X= {xjn = 0,1,2,…}，其中初始值Xtl、参数μ为该序列的密钥，&和μ 的所有取值的集合为密钥空间K ；从信号频带内选出沪个频点作为跳频频率表F=坑|1 = 0，1，2，…2b-l}，F为跳频 序列对应的载波频率集合，fx为该集合中第1个载波频率，通过均勻随机化方法，将混度序列X中的每个实数Xn转换成f个由bbit的伪随机整数Pi，从而将X变换成均勻分布的整数型伪随机序列，用Xb表示，即Xb = {Pi|0彡Pi彡2b，i = 0，1，2...}，式中Pi的下标iS2sSl与Xn的下标η满足(《-1)· - mn·-；设均勻映射g:Xb —F，iPi = 1时取为第i跳的频率，记为fS则由f"构成一个与Xb—一对应的跳频序列F:F= IfiIi = 0,1,2,…; f1 e F}；同理，根据分组周期内的信号占空比，以子块时间长度为基本单位选择，种不同长度 的时间间隔作为跳时时间表T = ItJm = 0，1，2，-^tl-IL T为跳时序列对应的时间间隔 集合，tm为该集合中第m个时间间隔，通过均勻随机化方法，将混沌序列X中的每个实数Xn52转换成1个由q bit的伪随机整数ki;从而将X变换成均勻分布的整数型伪随机序列， 用Xq表示，即=Xq = Iki |0 ^ ki ^ 2q,i = 0，1，2…}，式中Iii的下标i与、的下标η满足S tO("-I)" ~ ^'^· J ；设均勻映射h^ —Τ，当ki=m时取tm为第m个子块与前一子块的时间间隔，可记为tm，则由tm构成一个与Xq一一对应的跳时序列T :T = ItmIi = 0,1,2,···； tm e Τ}；步骤三格式化处理；将用户信息按照网络协议进行组帧封装，形成完整的消息分组； 步骤四符号映射；对消息分组进行符号调制，得到消息符号序列；步骤五信道编码；对消息符号序列进行信道编码，形成基带码流； 步骤六分组拆分成子块；将每个消息分组所对应的基带码流均勻拆分成若干长度相等的数据子块，并在子块中 插入同步/相位参考符号； 步骤七跳频调制；根据步骤二中所述的跳频序列对消息分组中所有数据子块的频率进行伪随机调制； 步骤八跳时调制；根据步骤二中所述的跳时序列对消息分组中相邻两个数据子块的时间间隔进行伪随 机调制；步骤九发射遮蔽；用户发送消息时，发射机信道调制/解调器工作的同时将对所有接收机的信道调制/ 解调器发送“遮蔽”信号，将其中产生碰撞的接收信号标记为删除错误； 步骤十载波调制；对数据子块进行滤波及上变频处理，完成载波调制后馈送至天线。
6.根据权利要求5所述的传输系统的信号发射方法，其特征在于，步骤二中所述的均 勻随机化方法为实数χ的双精度二进制表示包括三部分Ibit符号位，用s表示，libit偏 指数位，用e表示，52bit尾数位，用f表示，即χ = (-1)sX2"1023 X 1. f,0 < e < 2047，s e {0，1}尾数位 f 包括 52bit 二进制码f = f51f5o··· fifo' fi e {0,1}, i = 0,1, ...52， 将其分成高位26bit及低位26bit的两个码块，分别记为fH = f51f50- f27f26，fL = f25f24-fifo'将低位&倒置，记为:fL' = f0fr..f24f25 ；对fH、fL'进行异或运算，记为 /// =么》/广=/5,’/5。’.../2//26'，其中-.L^UJn / = 0，1，2,..·24,25 ；再将 fH'与 按照高位 和低位合并成一个新的尾数，即f' =fH' fL=f51' f50‘ -f27' f26' f25f2i'"f ^0-MU 到的新尾数f'即为均勻随机二进制数。
7.根据权利要求5所述的传输系统的信号发射方法，其特征在于，步骤五中采用具有 良好“删除性能”的信道编码。
8.根据权利要求7所述的传输系统的信号发射方法，其特征在于，信道编码通常选用 Turbo编码或者RS编码。
9.应用于权利要求1所述传输系统的信号接收方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一地址密钥分配；集中式发射端码分配协议通过网络控制节点对网内所有注册节点的地址密钥进行分 配和管理，保证每个节点地址密钥的唯一性；同时，每个节点在控制信道上周期性广播自己 的加密地址密钥；入网节点经过延时等待后收到所有邻居节点的地址密钥并在不同接收机 中激活相应的码信道，完成入网过程中接收机的密钥分配；由于某个节点离开网络或发生 故障而导致其在规定的时间内没有进行身份广播，邻居节点将自动删除该地址密钥并释放 相应的码信道，同时控制节点也会周期性更新网络的地址密钥空间； 步骤二 跳频、跳时伪随机序列生成； 具体为混沌映射系统为:χη+1 = f(xn, μ), η = 0,1,2,3,…，其中f( ·)为混沌映射系统，μ 为混沌系统参数，Xn, xn+1分别为混沌系统叠代算法的输入与输出；由该混沌系统生成的一 个混沌序列为x= {xjn = 0,1,2,…}，其中初始值Xtl、参数μ为该序列的密钥，&和μ 的所有取值的集合为密钥空间K ；从信号频带内选出沪个频点作为跳频频率表F=坑|1 = 0，1，2，…2b-l}，F为跳频 序列对应的载波频率集合，fx为该集合中第1个载波频率，通过均勻随机化方法，将混度序52列X中的每个实数Xn转换成j个由bbit的伪随机整数Pi，从而将X变换成均勻分布的整数型伪随机序列，用Xb表示，即Xb = {Pi|0彡Pi彡2b，i = 0，1，2...}，式中Pi的下标i与Xn的下标η满足(《-l)· y ^-^· y ；设均勻映射g :Xb — F，当Pi = 1时取为第i跳的频率，记为fS则由f"构成一个与Xb—一对应的跳频序列F:F= {fi|i = 0，l，2，…; f1 e F}；同理，根据分组周期内的信号占空比，以子块时间长度为基本单位选择，种不同长度 的时间间隔作为跳时时间表T = ItJm = 0，1，2，-^tl-IL T为跳时序列对应的时间间隔 集合，tm为该集合中第m个时间间隔，通过均勻随机化方法，将混沌序列X中的每个实数Xn52转换成★个由q bit的伪随机整数ki;从而将X变换成均勻分布的整数型伪随机序列， 用Xq表示，即=Xq = {k」0彡Ici ^ 2q,i = 0，1，2···}，式中Ici的下标i与xn的下标η满足5252( -I)" --；设均勻映射h:、一Τ，当ki = m时取tm为第m个子块与前一子块的时_ H j L ^r J间间隔，可记为tm，则由tm构成一个与Xq—一对应的跳时序列τ :T= {tm|i = 0，l，2，…； tm e Τ}；步骤三载波解调；对全双工宽带天线的接收信号进行滤波及下变频处理，并生成数据子块的中频数字信号；步骤四时频二维联合解扩；根据步骤二得到的跳时序列、跳频序列以及每个子块中的同步/相位参考信息，使得 信道调制/解调器实现与接收信号的时间同步，并完成相应的频率的捕获、跟踪与解调； 步骤五子块合并；将数据子块按顺序重组为消息分组所对应的基带码流； 步骤六信道译码；对基带码流进行信道纠错译码，恢复出消息符号序列； 步骤七符号解调；对消息符号序列进行符号解调，得到原始的消息分组； 步骤八格式化处理；根据网络协议对消息分组进行格式化处理，提取用户信息。
10.根据权利要求9所述的信号接收方法，其特征在于，步骤二中所述的均勻随机化方 法为实数χ的双精度二进制表示包括三部分Ibit符号位，用s表示，libit偏指数位，用e 表示，52bit尾数位，用f表示，SP χ = (-1)sX2"1023 X 1. f,0 < e < 2047，s e {0，1} (1)尾数位 f 包括 52bit 二进制码f = f51f5o··· fifo' fi e {0,1}, i = 0,1, ...52， 将其分成高位26bit及低位26bit的两个码块，分别记为fH = f51f50- f27f26，fL = f25f24-fifo'将低位&倒置，记为:fL' = f0fr..f24f25 ；对fH、fL'进行异或运算，记为 /" = ^ /广=/51'/5。'.../2//26_，其中/5,-, ' = /5Ι-, Χ, ζ_ = 0,1,2,.·.24,25 ；再将 fH'与 fL 按照高位 和低位合并成一个新的尾数，即f' =fH' fL=f51' f50‘ -f27' f26'仏…沾；则得 到的新尾数f'即为均勻随机二进制数。
全文摘要
本发明公开了一种适用于以突发业务为主、高吞吐量、延时敏感无线网络的低截获信号传输系统及方法。该系统及方法将传统分组无线网中的消息分组拆分成一系列均匀、短小的数据子块，通过跳频、跳时二维伪随机调制将分组冲突化解为若干少数子块间的碰撞，并结合具有良好删除性能的信道编码实现了发射与多路接收的全双工传输，不但提高了信道利用率及网络吞吐量，而且具有良好的抗干扰、低截获性能；同时，该系统及方法与异步竞争信道接入体制相结合不但能够避免复杂的资源调度算法、降低信道接入时延，而且可以满足多用户同时接入；最后，该系统及方法可使过载网络的吞吐量缓慢降低，避免了过载所导致的系统瘫痪，增强了网络鲁棒性。
文档编号H04L1/00GK101964694SQ201010292899
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者和欣, 姚远, 张晓林, 鲍君海 申请人:北京航空航天大学