一种基于控制序列的数据链自组织接入控制方法

1.本发明涉及数据传输及网络通信技术领域，尤其涉及一种基于控制序列的数据链自组织接入控制方法。


背景技术：

2.数据链是按照规定的消息标准和通信协议，在指挥控制系统、传感器平台和武器平台之间，以面向比特的方式实时传输和处理战场态势、指挥控制、战术协同等格式化数字信息的空天地一体化的战术无线数据通信系统。其在本质上是一种实时分发、保密、抗干扰的数据通信网络。
3.时分多址(tdma)是数据链系统中最重要的接入控制技术之一，在该体系结构中，网络时间分为时段、时帧和时隙。时隙是接入数据链网络的基本单元。在现有的tdma系统的信道接入策略中，可分为基于“竞争”的信道接入控制方案和“冲突避免”的信道接入控制方案两大类。
4.竞争类信道接入方案主要采用载波侦听、退避等待以及错误重传等技术，需要接入信道的节点通过退避算法竞争信道使用权。随着网络中用户传输的业务负载量增加，分组碰撞的几率会大幅度增大，同时由于信道资源分配一段时间后，用户会使用固定时隙进行通信，所以也不具备抗截获能力。
5.冲突避免类信道接入技术，在分配类信道接入算法的控制下，网络中的节点使用分配到的一个或多个时隙来传输数据业务。按照其采用的时隙分配方式不同可分为静态信道接入控制、动态信道接入控制和确定性接入控制技术。
6.静态信道接入技术采用集中式的时隙分配方式，为每个节点分配固定数量的时隙资源。其控制方式不灵活，时隙资源利用不充分。动态tdma信道接入技术动态地计算节点所需要的时隙数量，采用分布式的时隙分配方式，让每个节点都能获取所需的时隙资源，但在实施过程中，会给系统造成大量的控制开销。对于网络用户密度大数目多，拓扑结构频繁快速变化的情况，更无法保证通信链路的稳定性。
7.确定性信道接入控制技术规定各节点根据事先分配的确定性序列安排发送和接收数据的时刻。与其他接入tdma信道接入协议相比，确定性信道接入协议无需信道反馈信息以及严格的时钟同步，同时实现简单，可以提高资源利用率、降低节点硬件成本。确定性信道接入控制技术主要基于协议序列，冲突避免码，跳频/时序列和控制序列等序列实现接入控制。
8.协议序列中，各网络节点根据所分配的协议序列进行数据发送，因此能够确保数据在固定时延内被成功发送，并且提供良好的短期通信性能公平性和稳定性。冲突避免码用于保证时隙同步情况下每个节点在一个序列周期内至少能够成功发送一次数据。跳频/时序列是具有良好抗干扰性能的q元伪随机序列，其设计目标是确保在一个周期内，对于所有的延迟偏移，任何一对发射接收机都能在一个公共信道上汇合。但是基于协议序列，冲突避免码，跳频/跳时序列的接入方案，都不能保证在同一时帧中的完全无冲突传输。
9.控制序列是面向数据链的具有零相关性、零时延、非周期特性的q元伪随机序列。基于控制方案利用控制序列对数据链中的各个用户的时隙进行分配，不需要使用传统信道接入方案中的信道监控、退避算法或者包重传技术。另一方面，任何节点在不同时帧使用的时隙是按照控制序列进行伪随机选择的。通过使用控制序列，用户可以在每个时帧实现无冲突传输，终端用户也能够随机、均匀地选择连续帧中跳变的时隙，最大限度地提高了资源的利用率。
10.时隙的随机访问控制使得拦截器很难通过跟踪“固定”时隙来拦截用户。特别是在多用户场景中，拦截器将认为它是一组用户的无序访问，无法区分不同用户的时隙，大大提升了网络的抗截获能力。另外，基于控制序列的数据链接入控制方法可以优化系统容量。特别地，当接入序列充分均匀地分布时，可以实现时隙资源利用率的最大化。
11.根据数据链系统的要求，控制序列集具备以下特性：
12.(1)控制序列的时隙集大小k对应系统单位时帧的时隙数，保证单位时帧的每个时隙都有机会被使用；
13.(2)控制序列的长度n应足够长(n
→
∞)，以满足信息传输所需的时帧个数；
14.(3)控制序列集的序列个数m足够大(m≤k)，以满足更多用户可以同时使用不同的控制序列接入网络，从而提高组网能力，实现多址通信；
15.(4)控制序列间需要满足无碰撞性能，即不同序列的汉明互相关为0，以避免用户间时隙冲突；
16.(5)时隙的使用满足均匀性，即各个时隙ti(1≤i≤k)在一个周期n中出现的概率是相等的，以保证时隙资源利用率；
17.(6)控制序列需具有优异的随机性和复杂度，以保证良好的抗截获性能。


技术实现要素：

18.基于上述现有的基于竞争的信道接入技术和冲突避免类信道接入技术中存在的不足之处，本发明提供了一种基于控制序列的数据链自组织接入控制方法，具体技术方案如下：
19.一种基于控制序列的数据链自组织接入控制方法，包括以下步骤：
20.用户通过频谱感知找到网络所在工作信道；
21.用户自主选择空闲控制序列，准备根据所选控制序列的任意时隙接入数据链；
22.网内用户按照所选的控制序列在不同时帧周期使用伪随机跳变的时隙。
23.本方法使用控制序列集s＝si＝(si(1)，si(2)，...，si(n))，1≤i≤m接入控制，所述接入控制方法包括以下步骤：
24.用户选择序列s1作为控制序列，从#1时帧开始，使用时隙 s1(1)，s1(2)，...，s1(n)进行信息传输，在后续不同时帧所使用的时隙按照控制序列s1进行随机跳变，保证其信息传输的安全性；
25.用户选择序列s
x
作为控制序列，从#1时帧到#i-1时帧使用时隙 s
x
(1)，s
x
(2)，...，s
x
(i-1)进行信息传输。用户在#i-1时帧完成当前传输，退网并将序列s
x
释放，控制序列s
x
可以被之后入网的用户使用；
26.用户在#i-1时帧从空闲序列中选择序列sm作为控制序列，可从之后任意时帧使用
时隙sm(1)，sm(2)，...，sm(n)进行信息传输；
27.用户在#i时帧接入网络，从空闲序列选择序列s
x
作为控制序列，可从之后任意时帧使用时隙s
x
(1)，s
x
(2)，...，s
x
(n)进行信息传输。
28.具体的，所述控制序列的构造方法，包括一种控制序列集算法：
29.步骤a：给定素数m的值，初始化一条基序列b＝(b0，b1，...，b
m-1
)，序列中的各个元素满足条件：且b中所有元素bi∈ (0，1，...，m-1)；
30.步骤b：给定整数θ，gcd(m，θ)＝1，构造移位序列集其中，当0≤j＜m时，当m≤j＜m(m-1)时，
31.步骤c：给定整数k，z＝k|m，并给定整数α，gcd(k，α)＝1；构造控制序列集
32.具体的，所述数据链中每个网络组中设有控制中心，所述控制中心初始化时将控制序列集c中的m个序列分为两个集合，ca和cb，且|ca|＝z，|cb|＝m-z，用于给网络中的用户分配控制序列以及对应的具体接入时帧。
33.具体的，所述空闲控制序列从ca中选取，若ca中有空闲控制序列，则用户u
x
从ca中选择序列c
x
，并选择接入不与ca中其他用户的接入时帧之差不为z的整数倍的时帧；
34.若ca中没有空闲序列，则从cb中分配一条序列及其接入时帧给u
x
，并与ca中一定存在的一个接入时帧与u
x
的接入时帧之差是z的整数倍的用户同步。
35.具体的，还包括一种退网控制方法，包括以下步骤：
36.步骤1：用户u
x
向控制中心提出退网请求；
37.步骤2：控制中心检查其使用的序列c
x
是否属于cb，若是，直接释放序列c
x
；若否，进行步骤3；
38.步骤3：若c
x
是属于ca，则检索cb中是否存在与u
x
同步的用户uy。若是，释放序列c
x
且让c
x
∈cb，cy∈ca；若否，则直接释放序列c
x
。
39.本发明的有益效果：
40.本发明旨在解决数据链接入控制方案中存在的时隙资源利用不充分不灵活，抗截获、抗监听能力差，通信链路不稳定等问题。本方法不仅可以实现用户随机入网，还可以最大限度地利用时隙资源来实现网络信道容量最大化，而且可以通过主窃信道之差，实现消息的抗截获、抗窃听和安全隐秘性。同时，基于控制序列的数据链，还具有控制灵活，可扩展为无中心节点控制模式；通信链路稳定；实现简单，系统开销小等优点。因此，基于控制序列的数据链安全接入控制方案是同时具有抗截获能力强，时隙控制灵活、利用率高，并且通信链路稳定等特点的时隙控制方法。
附图说明
41.图1所示是本发明的数据链自组织模型接入控制原理图。
42.图2所示为本发明的基于控制序列的自组织入网过程示意图。
43.图3所示为本发明的基于控制序列的自组织退网过程示意图。
具体实施方式
44.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
45.本发明提出一种基于控制序列的数据链自组织接入控制方法，包括以下步骤：
46.用户通过频谱感知找到网络所在工作信道；
47.用户自主选择空闲控制序列，准备根据所选控制序列的任意时隙接入数据链；
48.网内用户按照所选的控制序列在不同时帧周期使用伪随机跳变的时隙。
49.如图1所示，本方法使用控制序列集s＝si＝(si(1)，si(2)，...，si(n))，1≤i≤ m接入控制，所述接入控制方法包括以下步骤：
50.用户选择序列s1作为控制序列，从#1时帧开始，使用时隙 s1(1)，s1(2)，...，s1(n)进行信息传输，在后续不同时帧所使用的时隙按照控制序列s1进行随机跳变，保证其信息传输的安全性；
51.用户选择序列s
x
作为控制序列，从#1时帧到#i-1时帧使用时隙 s
x
(1)，s
x
(2)，...，s
x
(i-1)进行信息传输。用户在#i-1时帧完成当前传输，退网并将序列s
x
释放，控制序列s
x
可以被之后入网的用户使用；
52.用户在#i-1时帧从空闲序列中选择序列sm作为控制序列，可从之后任意时帧使用时隙sm(1)，sm(2)，...，sm(n)进行信息传输；
53.用户在#i时帧接入网络，从空闲序列选择序列s
x
作为控制序列，可从之后任意时帧使用时隙s
x
(1)，s
x
(2)，...，s
x
(n)进行信息传输。
54.具体的，所述控制序列的构造方法，包括一种控制序列集算法：
55.步骤a：给定素数m的值，初始化一条基序列b＝(b0，b1，...，b
m-1
)，序列中的各个元素满足条件：且b中所有元素bi∈ (0，1，...，m-1)；
56.步骤b：给定整数θ，gcd(m，θ)＝1，构造移位序列集其中，当0≤j＜m时，当m≤j＜m(m-1)时，
57.步骤c：给定整数k，z＝k|m，并给定整数α，gcd(k，α)＝1；构造控制序列集
58.如图2所示，具体的，所述数据链中每个网络组中设有控制中心，所述控制中心初始化时将控制序列集c中的m个序列分为两个集合，ca和cb，且|ca|＝z， |cb|＝m-z，用于给网络中的用户分配控制序列以及对应的具体接入时帧。
59.具体的，所述空闲控制序列从ca中选取，若ca中有空闲控制序列，则用户u
x
从ca中选择序列c
x
，并选择接入不与ca中其他用户的接入时帧之差不为z的整数倍的时帧；
60.若ca中没有空闲序列，则从cb中分配一条序列及其接入时帧给u
x
，并与ca中一定存在的一个接入时帧与u
x
的接入时帧之差是z的整数倍的用户同步。
61.如图3所示，具体的，还包括一种退网控制方法，包括以下步骤：
62.步骤1：用户u
x
向控制中心提出退网请求；
63.步骤2：控制中心检查其使用的序列c
x
是否属于cb，若是，直接释放序列c
x
；若否，进行步骤3；
64.步骤3：若c
x
是属于ca，则检索cb中是否存在与u
x
同步的用户uy。若是，释放序列c
x
且让c
x
∈cb，cy∈ca；若否，则直接释放序列c
x
。
65.基于自组织模型的数据链安全接入控制方案不仅可以实现用户随机入网，还可以最大限度地利用时隙资源来实现网络信道容量最大化，而且可以通过主窃信道之差，实现消息的抗截获、抗窃听和安全隐秘性。同时，基于控制序列的数据链，还具有控制灵活，可扩展为无中心节点控制模式；通信链路稳定；实现简单，系统开销小等优点。因此，基于控制序列的数据链安全接入控制方案是同时具有抗截获能力强，时隙控制灵活、利用率高，并且通信链路稳定等特点的时隙控制方法。
66.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。