一种发送-感知-接收的全双工无线通信方法与流程

本发明属于无线信息传输领域，特别是采用认知无线电抗干扰技术的军事无线通信系统。

背景技术：

一般的无线通信抗干扰技术包括三类：一是频域处理，如直接序列扩频、跳频等；二是空处理域，如自适应天线等；三是时域处理，如猝发通信。这些抗干扰技术各有其优点，但都属于盲抗干扰方式，即抗干扰能力在系统设计之初确定，一旦敌方针对性的干扰超出其干扰容限，则会造成通信中断，故不能完全解决复杂电磁环境中的网电空间数据链抗干扰问题。

为此，人们提出了基于认知无线电的抗干扰通信技术，其基本原理是通过感知工作区域的电磁环境，分析干扰信号特征，发现频谱空隙，并据此实时动态地调整系统工作参数来规避干扰，从而达到可靠通信并提高频谱效率的目的。在民用通信领域，认知无线电主要用以提高无线网络的频谱效率，而在军事通信领域，认知无线电主要通过感知战场的复杂电磁环境，进行评估、理解和学习，实时调整通信设备的配置，以适应外部战场环境变化，用以提高军事通信系统的抗干扰能力，解决恶劣战场电磁环境下通信可靠性问题。

一些研究人员对基于认知无线电的通信抗干扰技术进行了有益探索。Li等从理论上分析了基于认知干扰机的干扰能力和认知无线网络的抗干扰能力，见文献[1～3]。文献[4]报道了一种基于动态频谱抗干扰的高频无线电原型系统。文献[5]分析了基于认知无线电的军事通信抗干扰策略的可行性，探讨了需要重点解决的问题。文献[6]介绍了基于认知无线电的抗干扰系统架构及认知设备各模块的功能。这些研究均局限于传统双工工作模式，频谱效率受限。

在军事作战环境下，多种电子、通信设备同时工作，导致电磁频谱使用非常紧张，频谱资源严重不足。为此，人们提出了诸多新技术与新方法，包括认知无线电等，这些技术能够在频谱利用、干扰抑制等方面取得较好效果，但不能解决目前双工无线通信系统所存在的固有问题：现有时分双工(TDD)或频分双工(FDD)通信要求信号的发送、接收必须在时间或频率维度正交，这使得收发信机不能同时同频收发信号而实现真正的全双工(Full Duplex)通信。理论上，上、下行采用不同频段或时隙收发的FDD或TDD系统容量仅为同时同频收发的带内全双工系统的一半。因此，使用全双工技术有望成倍提高无线通信系统的频谱效率。

一般的全双工认知抗干扰通信系统如图1，与传统通信收发信机相比，接收端增加了干扰感知单元。在发送端(TX)，信息比特流经过数字调制得到已调信号，再与频率合成器输出的载波信号混频后经天线发送到信道。由于采用了全双工工作模式，在发送信号的同时，接收端(RX)也开始工作。其中，干扰感知单元检验频率信道占用情况并将监测结果传递给收、发端，若在当前工作频段检测到较强干扰，则需选取其他频道作为工作频率。另一方面，接收射频链也把收到的RF信号转换到基带进行解调等。

目前的全双工认知抗干扰通信系统中，大多采用发送-接收(T-R)或发送-感知(T-S)的全双工工作模式，分别如图2、3。其先在初始干扰感知时隙TS0内，接收机利用频谱感知进行干扰检测，若某一频带内无干扰或干扰很小，则可选定其为工作频带。在T-R模式的全双工通信系统中，发送机在发送周期T内发射信号，接收机在整个接收周期TR内只解调处理信号，不能实时感知干扰；而在T-S模式的全双工通信系统中，发送机在发送周期T内发射信号，接收机在整个接收周期TS内只进行干扰检测，其能实时检测干扰，但不能解调接收信号，通信系统容量等同于半双工模式。

因此，一般的发送-接收或发送-感知全双工通信方式的功能较单一，不能满足军事无线通信系统的实时抗干扰和高系统容量的要求。针对发送-接收的全双工模式不能实时抗干扰，以及发送-感知的全双工通信系统容量低的问题，本发明提出一种新的发送-感知-接收全双工抗干扰通信方式，既能实时抗干扰，又可提高通信系统容量。

[1]X Li,J Hwu,N Fan,“Transmission power and capacity of secondary users in a dynamic spectrum access network,”IEEE Military Communications Conference,Orlando,FL,Oct.2007:29-31.

[2]W Cadeau,X Li,“Anti-jamming performance of cognitive radio networks under multiple uncoordinated jammers in fading environment,”2012 the 46th Annual Conference on Information Sciences and Systems(CISS'2012),Princeton University,Mar.2012:21-23.

[3]X Li,W Cadeau,“Anti-jamming performance of cognitive radio networks,”2011 the 45th Annual Conference on Information Sciences and Systems(CISS'2011),Johns Hopkins University,Mar.2011:23-25.

[4]YiChao Zhu,Ping Wang,Jianxun Lu,“A New HF Radio Prototype Based on Dynamic Spectrum Anti-Jamming Concept,”2011 6th International ICST Conference on Communications and Networking in China(CHINACOM):955-958.

[5]张志坚，关建新，张勤，基于认知无线电的军事通信抗干扰研究，舰船电子工程，2009，29(1)：1-4.

[6]魏奇，基于认知无线电抗干扰技术分析，无线电通信技术，2011，37(14)：56-58.

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种发送-感知-接收的全双工无线通信方法，既能实时抗干扰又能提高系统容量。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种发送-感知-接收的全双工无线通信方法，包含以下步骤：

第一步：在初始干扰感知时隙内，接收机进行干扰检测，若检测到某一频带中无干扰或干扰较低，则选定该频带为当前收发信机工作频率；

第二步：发送机在发送周期内以工作频率发射信号；

第三步：在发射信号的同时，接收机把接收周期等分为K个时隙，并根据频带干扰情况将时隙动态分配给Nts个感知时隙和Ntr个接收时隙；

第四步：接收机在感知时隙内检测频带内干扰大小以选定工作频带，并利用获知的工作频带在接收时隙内对信号进行解调处理。

优选地，所述第三步中的动态分配Nts个感知时隙和Ntr个接收时隙的方法为：

先分配第1个时隙为接收时隙，然后随机分配感知时隙、接收时隙；

若第m个时隙是感知时隙，且感知当前频带有干扰，则分配第m+1个时隙为感知时隙，继续进行干扰检测，直到检测出无干扰或干扰很低的频带，选定新的工作频率，才分配下一个时隙为接收时隙；若感知该频带无干扰，则可直接分配下一个时隙为接收时隙。

本发明的有益效果在于：

一般的全双工发送-接收(T-R)通信模式，接收机在整个接收周期TR只能接收信号不能感知频带内干扰情况，发送-感知(T-S)通信模式，接收机在TS只能感知干扰不能接收信号，而采用本发明提出的发送-感知-接收全双工工作模式，接收端能把接收周期动态的分配为感知/接收时隙ts/r，并在感知时隙ts内感知频带内干扰情况，在接收时隙tr内进行接收信号解调处理。因此，本发明提出的T-S-R全双工无线通信即可实现实时抗干扰，又可提高通信系统容量。

附图说明

图1 全双工认知抗干扰系统模型

图2 T-R全双工模式

图3 T-S全双工模式

图4 本发明的信号收发实施步骤

图5 T-S-R全双工模式

具体实施方式

下面具体说明本发明的实施步骤。

本发明的思想是：抗干扰无线通信收发信机开始工作时，发送机发射信号，接收机同时动态分配感知时隙和接收时隙，并在感知时隙内进行干扰检测，在接收时隙内进行信号解调处理，以此实现实时抗干扰，并提高抗干扰通信系统容量。实施步骤见图4所示。

首先，在初始干扰感知时隙TS0＝0.01ms内，接收机在1～5GHz频段内利用频谱感知方法进行干扰检测，假设频带2.5GHz上无干扰或干扰很低，则选定其为工作频率，设为f＝2.5GHz。

接着，在2.5GHz的工作频率上，发送机在发送周期0.1ms内发送信号，接收机把接收周期0.1ms等分为100个感知/接收时隙(ts/r)，每个时隙0.1us。

然后，接收机动态分配感知时隙ts、接收时隙tr的数量。因在初始感知时隙TS0已选定2.5GHz为工作频率，可先分配第1个时隙为接收时隙tr，接着动态分配感知/接收时隙。若第30个时隙为感知时隙ts，且感知该频带有干扰，则分配第31个时隙为感知时隙ts，继续在1～5GHz频段内进行干扰检测，直到检测出无干扰或干扰很低的频带，选定其新的工作频率，且分配下一个时隙为接收时隙tr；同理，若感知该频段无干扰，则可直接分配第31个时隙为接收时隙tr。假设经时隙分配后，共有40个感知时隙ts，60个接收时隙tr。

最后，接收机在分配的感知时隙ts内利用频谱感知方法检测当前工作内频带干扰情况，若干扰严重，则需调整当前系统工作频率2.5GHz至干扰低的频带，例如1.8GHz等，否则仍可采用当前工作频率2.5GHz。同时，在接收时隙内对接收信号进行解调处理。

可以看到，全双工认知抗干扰通信系统中，T-S通信模式的接收机在整个接收周期0.1ms内只检测干扰情况，不解调接收信号，设其系统容量为C；T-R通信模式时，在整个接收周期0.1ms内只解调接收信号，其系统容量为2C，但不能实时检测干扰，抗干扰能力较差。与之相比，采用本发明提出T-S-R通信模式的抗干扰通信系统中，接收周期0.1ms内有40个感知时隙，60个接收时隙，其能够利用40个感知时隙实现实时检测干扰，同时利用60个接收时隙解调信号，其系统容量可达1.6C。故本发明提出的T-S-R通信技术既可实时抗干扰，又能够提高系统通信容量。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。