跳时/跳频通信系统多节点网络模拟环境的搭建方法与流程

本发明涉及适合用于跳时/跳频无线通信系统下的一种多节点网络模拟技术,具体涉及跳时/跳频通信系统的多节点网络模拟环境的搭建方法。

背景技术：

扩展频谱通信是一种利用与信息无关的伪随机码,使射频信号通带宽度远大于信息信号(基带信号)频带宽度的通信方式，简称扩频通信。扩频通信的射频信号频带宽度，可扩展到信息信号频带宽度的几十倍乃至几千倍。跳频技术是用特定的跳频码序列去进行控制频率合成器，使载波频率不断跳变而扩展频谱的一种方法。其具有抗干扰能力强、抗衰落、低截获率、码分多址、信号隐蔽、保密、测距、稳定可靠和易于组网等一系列独特的优点。在跳频系统中，跳频频率的选择是用伪随机码来实现的，且跳频通信的几十个甚至上千个频率由所传信息与伪随机码的组合进行控制。由于系统的工作频率在不停的跳变，在每个频点上停留的时间仅为毫秒或微秒级。跳频通信系统的频率跳变速度反映了系统的性能，好的跳频系统每秒的跳频次数可以达到上万跳。根据跳频速率的快慢，可把跳频系统分为快跳频和慢跳频。快跳频是指一次发射信号期间有不止一个频率跳变，即跳频速率大于信息速率；反之称为慢跳频。慢跳频系统成本低，易实现，常用于各类民用系统，以提高通信质量和信道利用率。快跳频系统与慢跳频系统相比，具有更强的抗干扰、抗截获和人为阻塞能力。慢跳频序列在一个频隙内传送若干个比特后跳到下一频隙，而快跳频传送一个比特就经历多次频率跳变，因此快跳频相对于慢跳频可以在每个发射符号上获得频率分集增益，但快跳频的技术复杂且限制了数据调制方式的选用。快跳频通信是指频率的跳变速度大于信息传输速率的通信系统。常规跳频通信通过采用扩展频谱技术，利用与信息无关的伪随机序列控制信号的频率在较宽的频率范围跳变。由于该伪随机序列确定的跳频表是事先确定的，不能根据电磁环境状态实时调整。跳频序列与跳时序列是扩频通信中的两个重要组成部分，由于跳频序列的扩频增益较高，又具有多址性能，所以应用很广泛，人们对它的研究也很多。但是长期以来由于跳时序列其本身并没有真正意义上的扩频，处理增益不高，所以只限于与直扩序列和跳频序列结合使用。时间跳变也是一种扩展频谱技术。跳时扩频通信系统(Time Hopping Spread Spectrum Communication Systems，TH-SS)是时间跳变扩展频谱通信系统的简称，主要用于时分多址(TDMA)通信中。与跳频系统相似，跳时是使发射信号在时间轴上离散地跳变。跳时(TH－Time Hopping)是扩频通信的方式之一，与跳频相似，是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。也可以把时间轴分成许多时隙，这些时隙在跳时扩频通信中通常称为时片，若干时片组成一跳时时间帧。在一帧内哪个时隙发射信号由扩频码序列去进行控制。因此，可以把跳时理解为：用一伪随机码序列进行选择的多时隙的时移键控。在典型的跳时/跳频通信系统中，如图5所示典型的跳时/跳频通信系统，具有多个可以信息互通的节点。每个节点主要包含三大组成功能：信息源主要实现产生和接收特定格式的数据报文，网络设备主要实现网络协议控制与数据包的封装，无线传输设备主要实现数据包的物理传输。网络中所有节点的集合称为节点列表。网络中各节点采用基于脉冲统计的竞争接入方式，在不超过信道总容量的情况下允许多个节点并行发送，每个节点利用特定的波形控制参数(主要包含时频图案、功率与速率等参数)发送数据包。每个数据包在时频二维空间上包含多个脉冲，所有脉冲在某个接收节点处呈现的频率与时间的二维分布关系，称为脉冲时频分布。用如图6所示不同填充图案区分来自不同发送节点的数据包。接收节点往往具备多收能力，只要接收的脉冲数目与信号质量满足解调与译码要求，就能完整地将多个来自不同发送节点传输的数据包恢复出来。在跳时/跳频通信系统中，称产生数据消息并发送至网络的节点为源节点，需要从网络上接收数据消息的节点为目的节点，由于无线信道的广播特性，源节点发送的数据包在所有的接收节点(包括目的节点与非目的节点)均会产生脉冲时频分布。

在网络协议调试与测试上，通常有三种技术手段：

网络仿真技术：利用网络仿真软件提供的协议模型和配置工具,能很容易的仿真复杂的网络拓扑，然而在网络仿真软件中运行的不是真正执行的协议,而是逻辑上的操作,无法直接应用到目标网络，仿真结果与实际情况往往存在较大差异；

网络实物测试技术：使用真实的节点传输设备，在真实的通信环境下，搭建网络测试平台，该方法与真实网络使用场景最为接近，测试数据最为可信，但是对于较大规模网络协议的开发与测试，难以承受需要大量真实设备造成的昂贵开销，而且在测试场地节点布局上也很难达到目标网络的拓扑变化要求。

网络模拟技术：网络模拟能在一个可控的和可重复的实验室环境下执行真实的网络协议代码。与网络仿真相比,网络模拟器中协议的交互都是真实的,网络流量物理上穿过模拟环境,模拟环境能够真实的反映出网络环境和动态流量,如延迟、丢包、和链路中断等。与网络测试平台相比,网络模拟能在实验室环境下进行网络协议的调试与测试,加快了调试与测试进度,节省了费用，是一种实用可靠的网络协议测试方法。

现有的网络模拟技术大多是针对定频恒速通信系统(如移动自组网)，数据通信过程中使用的通信频率与速率不随时间而变化，网络模拟器仅能提供信道忙闲状态与数据通断判别，而不能提供准确的信道脉冲统计情况，不能体现跳时/跳频通信系统基于时频脉冲的通信特征，因此无法满足跳时/跳频通信系统在多节点条件下对信道环境的模拟要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有良好通用性和可扩展性，为直接通信的节点提供具有延时的数据交换，为每个节点的网络设备提供接入控制所需要的脉冲统计信息，适用于跳时/跳频通信系统的多节点网络模拟环境的搭建方法，以解决跳时/跳频通信系统网络协议调试与测试的技术难题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种跳时/跳频通信系统多节点网络模拟环境的搭建方法，具有如下技术特征：采用通过对时频脉冲的统计分析来模拟真实跳时/跳频通信的多节点组网环境的网络模拟器，网络模拟器通过接口单元2相连场景激励器，网络模拟器通过其上布局的n个接口单元1相连网络所有节点的网络设备，搭建跳时/跳频通信系统多节点网络模拟环境；场景激励器模拟产生所有节点的运动轨迹，将所有节点的位置数据实时发送给网络模拟器；网络模拟器周期接收场景激励器的节点位置数据和源节点信息源的数据包与波形控制参数信息，计算数据包脉冲的传播时延与信噪比，更新每个接收节点的脉冲时频分布，判断目的节点是否可以正确接收数据包，根据目的节点网络设备最新的脉冲时频分布，统计数据包的有效脉冲数目，向各节点网络设备发送统计结果，为每个节点的提供接入控制所需要的脉冲统计信息，对可以直接通信的节点提供具有延时的数据交换能力；网络模拟器计算单元根据计算的传播时延，结合波形控制参数中的时频图案信息，更新数据包抵达每个接收节点的脉冲时频分布。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

具有良好的通用性。本发明将网络所有节点的网络设备通过接口单元1相连网络模拟器，场景激励器通过接口单元2相连网络模拟器，搭建跳时/跳频通信系统多节点网络模拟环境具有良好通用性；通过分析脉冲时频分布对任意网络节点间的数据通信能力做判别，为可以直接通信的节点提供具有延时的数据交换，并为每个节点的网络设备提供接入控制所需要的脉冲统计信息，从而解决了跳时/跳频通信系统网络协议调试与测试的技术难题。

具有良好可扩展性。本发明利用可以接入多个真实的网络设备网络模拟器，通过对时频脉冲的统计分析来模拟真实的跳时/跳频通信的多节点组网环境，利用网络设备的有线互联替代了真实环境的无线传输设备互联，具有良好可扩展性。解决了搭建实物测试环境带来的成本太高与部署困难的问题，可为网络协议调试与测试提供一个较为理想的网络模拟环境。

提高了多节点网络模拟的可信度。本发明采用场景激励器模拟产生所有节点的运动轨迹，将所有节点的位置数据实时发送给网络模拟器；网络模拟器周期接收场景激励器的节点位置数据和源节点的数据包与波形控制参数信息，计算数据包脉冲的传播时延与信噪比，更新每个接收节点的脉冲时频分布，判断目的节点是否可以正确接收数据包，根据目的节点网络设备最新的脉冲时频分布，统计数据包的有效脉冲数目，向各节点网络设备发送统计结果，为每个节点的提供接入控制所需要的脉冲统计信息，对可以直接通信的节点提供具有延时的数据交换能力；由于是对时频脉冲分布的精确模拟，模拟精度可达微秒级。克服了纯粹的网络软件仿真带来的可信度较低的问题。

附图说明

图1是本发明跳时/跳频通信系统的多节点网络模拟环境示意图。

图2是图1网络模拟器的构成示意图。

图3是本发明跳时/跳频通信系统多节点网络模拟运行流程图。

图4是图1网络模拟器的处理流程图。

图5为现有技术典型的跳时/跳频通信系统示意图。

图6是图5的脉冲时频分布的示意图。

具体实施方式

参阅1。根据本发明，网络所有节点的网络设备通过接口单元1相连网络模拟器，场景激励器通过接口单元2相连网络模拟器，搭建跳时/跳频通信系统多节点网络模拟环境；场景激励器模拟产生所有节点的运动轨迹，将所有节点的位置数据实时发送给网络模拟器；网络模拟器周期接收场景激励器的节点位置数据和源节点信息源的数据包与波形控制参数信息，计算数据包脉冲的传播时延与信噪比，更新每个接收节点的脉冲时频分布，判断目的节点是否可以正确接收数据包，根据目的节点网络设备最新的脉冲时频分布，统计数据包的有效脉冲数目，向各节点网络设备发送统计结果，为每个节点的提供接入控制所需要的脉冲统计信息，对可以直接通信的节点提供具有延时的数据交换能力；网络模拟器计算单元根据计算的传播时延，结合波形控制参数中的时频图案信息，更新数据包抵达每个接收节点的脉冲时频分布。

接口单元1可以是高速光纤接口，接口单元2可以是以太网接口。位置数据主要包含节点的经度、纬度与高度信息；网络模拟器对源节点与目的节点间的数据通信能力进行判别，对可以直接通信的节点提供具有延时的数据交换能力，并为每个节点的网络设备提供接入控制所需要的脉冲统计信息。

参阅图2。网络模拟器主要包含四个功能单元：提供与网络设备、场景激励器的接口适配功能的接口单元；提供源节点与目的节点间的数据通信能力判别功能与节点的脉冲统计功能的计算单元；对接收来自节点网络设备的数据包进行缓存，并根据计算单元的计算结果执行节点间的有延迟的数据包交换的交换单元；用于存储节点位置、功率、速率、时频图案等计算参数的存储单元。

参阅图3。场景激励器向网络模拟器的接口单元2周期发送所有网络节点的实时位置数据，网络模拟器的接口单元1接收网络节点的实时位置数据后，更新节点位置数据并放入存储单元进行存储；

目的节点网络设备接收到来自网络模拟器的接口单元1传输的数据包后，提取数据报文，发送至本节点的信息源；源节点的信息源产生数据报文后，经本节点的网络设备封装成数据包，并在信道接入协议的控制下向网络模拟器的接口单元1发送数据包，并提供时频图案、发送功率、发送速率等波形控制参数信息；

网络模拟器的接口单元1将接收后的数据包放入交换单元缓存，将波形控制参数放入存储单元进行存储，并记录数据包的接收时刻t1；计算单元利用存储单元的最新节点位置数据计算源节点与每个接收节点的通信距离，进而求出数据包脉冲抵达每个接收节点的传播时延；计算单元利用存储单元的波形控制参数中的发送功率信息，结合计算得到的通信距离，计算每个接收节点接收数据包脉冲的信噪比；

计算单元根据计算的传播时延，结合波形控制参数中的时频图案信息，更新数据包抵达每个接收节点的脉冲时频分布，主要包含每个脉冲的频率、起始时间与脉冲宽度等信息；计算单元判断目的节点接收数据包的信噪比≥预定门限SNRr是否成立，若是则在数据包脉冲全部抵达目的节点时刻记为t2，t2＝t1(s)+tp(s)+数据包长度(bit)/发送速率(bps，其中tp为源节点至目的节点的传播时延，根据目的节点最新的脉冲时频分布，统计数据包的有效脉冲数目，否则认为不能正确接收数据包，其中，SNRr为预置在计算单元的固定参数，表示节点接收数据包所需要的最低信噪比，有效脉冲数目指的信噪比高于预定门限SNRr且进行脉冲重叠筛选后的脉冲数目，脉冲重叠指的是多个信噪比高于SNRr的脉冲在时间或频率上存在交叠现象。计算单元周期统计每个节点接收的有效脉冲数目，并将脉冲统计结果通过接口单元1发送给相应的节点网络设备。

网络模拟器的计算单元判断有效脉冲数目/数据包总脉冲数目≥预定门限Thd是否成立，若是则认为数据包可以正确接收，否则认为不能正确接收，其中，Thd为预置在计算单元的固定参数，表示节点接收数据包所需要的最低有效脉冲占比。

网络模拟器的交换单元根据计算单元的计算结果，若计算结果为可以正确接收数据包，则立即将数据包经接口单元1发送给目的节点的网络设备，否则丢弃数据包。

参见图4，图中给出了网络模拟控制器的处理流程。

步骤600，跳时/跳频通信系统启动后，网络模拟器的接口单元2等待接收来自场景激励器的节点位置数据，若接收到，则转入步骤603，否则继续等待；位置数据包括节点经度、纬度与高度信息。

步骤601，跳时/跳频通信系统启动后，网络模拟器的接口单元1等待接收来自网络设备的数据包，若接收到任意节点的网络设备发送的数据包，则转入步骤604，否则继续等待；

步骤602，跳时/跳频通信系统启动后，网络模拟器计算单元等待脉冲统计周期的到来，若脉冲统计周期到来，则转入步骤614，否则继续等待；

步骤603：网络模拟器的接口单元2将接收的位置数据更新后放入存储单元进行存储，然后转入步骤604；

步骤604：网络模拟器的接口单元1将接收的数据包放入交换单元进行缓存，将时频图案、发送功率、发送速率等波形控制参数信息放入存储单元进行存储，并记录数据包的接收时刻t1，然后转入步骤605；

步骤605：网络模拟器计算单元利用存储单元最新的节点位置数据，计算数据包源节点与所有接收节点的通信距离，然后转入步骤606；

步骤606：网络模拟器的计算单元利用存储单元的最新节点位置数据计算源节点与每个接收节点的通信距离，然后转入步骤607；

步骤606：网络模拟器计算单元利用计算好的通信距离，计算数据包脉冲抵达每个接收节点的传播时延，然后转入步骤607；

步骤607：网络模拟器计算单元利用存储单元的波形控制参数中的发送功率信息，结合计算得到的通信距离，计算每个接收节点接收数据包脉冲的信噪比，然后转入步骤608；

步骤608：网络模拟器计算单元根据计算的传播时延，结合波形控制参数中的时频图案信息，更新数据包抵达每个接收节点的脉冲时频分布，主要包含每个脉冲的频率、起始时间与脉冲宽度等信息，然后转入步骤609；

步骤609：网络模拟器计算单元判断目的节点接收数据包的信噪比是否不小于预定门限SNRr，其中SNRr为预置在计算单元的固定参数，表示节点接收数据包所需要的最低信噪比，若是则转入步骤610，否则转入步骤612；

步骤610：网络模拟器计算单元在数据包脉冲全部抵达目的节点时刻(记为t2)将目的节点接收的数据包包含的全部脉冲依次进行脉冲重叠筛选，即计算数据包有效脉冲数目＝数据包脉冲总数-存在脉冲重叠现象的脉冲数，脉冲重叠指的是多个信噪比高于SNRr的脉冲在时间或频率上存在交叠，t2＝t1(s)+tp(s)+数据包长度(bit)/发送速率(bps)，其中tp为源节点至目的节点的传播时延，然后转入步骤611；

步骤611：网络模拟器计算单元计算数据包有效脉冲占比η：η＝有效脉冲数目/脉冲总数目，若η≥Thd则转入步骤613，否则转入步骤612，其中Thd为预置在计算单元的固定参数，表示节点接收数据包所需要的最低有效脉冲占比；

步骤612：网络模拟器交换单元丢弃数据包，然后转回步骤600、601与602；

步骤613：网络模拟器交换单元经接口单元1发送给目的节点的网络设备，然后转回步骤600、601与602；

步骤614：网络模拟器计算单元将节点列表中包含的所有节点标注为“未计算”，然后转入步骤615；

步骤615：网络模拟器计算单元判断节点列表中是否还存在“未计算”的节点，若是则转入步骤616，否则转回步骤600、601与602；

步骤616：网络模拟器计算单元从节点列表中取出一个“未计算”的节点j，计算统计周期内节点j接收的有效脉冲数，然后转入步骤617；

步骤617：网络模拟器计算单元将计算好的有效脉冲数通过接收单元发送给节点j的网络设备，并将然后转回步骤615。