无公共控制信道的自主建链与变频一体化通信方法及系统

摘要

本发明公开了一种无公共控制信道的自主建链与变频一体化通信方法及系统，属于无线通信技术领域，方法步骤为：呼叫方通信节点通过呼叫应答机制与应答方通信节点自主建立双向通信链路；呼叫方通信节点通过实时干扰检测机制监测工作频点，并每隔一定变频时隙自主更新呼叫方通信节点的发射信号特征参数，以使应答方通信节点在接收到经更新的发射信号特征参数后对应答方通信节点中发射信号特征参数进行更新。本发明的通信方法及系统能够降低无线通信系统的丢包率，提高无线通信系统的抗干扰能力和可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，主要涉及分布式自主建链技术和自主变频干扰对抗技术，特别涉及一种无公共控制信道的自主建链与变频一体化通信方法，还涉及一种无公共控制信道的自主建链与变频一体化通信系统。

背景技术

跳频通信具有较好的抗干扰能力、抗截获能力，但面对日益复杂的电磁环境，常规跳频系统仍然具有很多缺点，例如，跳频系统的跳速较慢时，发送的数据包容易被敌方侦察机截获，对同步要求也极高，而且跳频图案是在发送和接收端事先协商固定好的，即传统跳频技术一旦跳频序列产生就不可更新，即使某个跳频频点被干扰，系统为保持跳频同步，也必须在此被干扰频点上继续通信，因此容易出现较高误码，严重时甚至导致通信中断。并且，当需要进行多用户同时通信时，由于存在着大量的合法授权通信节点和非法授权用户，使得各个工作频点间极易发生碰撞。即使超高的跳频速率可以有效地针对非法用户恶意的干扰，但是上述指出的诸多问题仍然无法很好地解决，因此认知跳频技术应运而生。

认知跳频技术可以有效地改善常规跳频系统的诸多弊端，其基本思想是基于对周围复杂的电磁频谱环境进行感知学习来自适应地改变系统参数以及更新频点，从而可以避开被干扰的无效频点。虽然认知跳频技术能够有效地提高常规跳频系统的抗干扰能力，但也提高了系统复杂度，而且认知跳频技术只在被干扰时才更新频点，这会导致系统的丢包率较高，且系统对信号处理速度的要求也高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种无公共控制信道的自主建链与变频一体化通信方法，通信双方通过自主变频通信实现抗干扰。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下。

第一方面，本发明提供了一种无公共控制信道的自主建链与变频一体化通信方法，包括以下过程：

通信双方建立双向通信链路；

通信双方进行自主变频通信。

可选的，所述通信双方建立双向通信链路后，通信双方均获得对方发来的特征参数集，通信双方基于获得的特征参数集进行自主变频通信。

可选的，所述通信双方通信过程中传输的数据包字段包括：呼叫方标识CID、应答方标识RID、变频时刻TIME、发送数据DATA和下一变频时刻发射信号特征参数集NTFS；其中，

呼叫方标识CID 和应答方标识RID用于通信双方身份的校验；

变频时刻TIME为己方变频时刻，用于通信双方实现变频同步；

发送数据DATA为通信双方所要传输的信息内容；

下一变频时刻发射信号特征参数集NTFS用于自主更新信号的特征参数集，包括但不限于信号的频点、带宽、波形和调制方式等特征参数，并可根据系统需求对上述特征参数进行定制化的自由组合。

可选的，所述通信双方通过呼叫应答机制建立双向通信链路，包括：

呼叫方通过频谱感知自主生成特征参数集NTFS

应答方通过频谱感知自主识别呼叫方发射信号的特征参数集NTFS

呼叫方利用自身已知的特征参数集NTFS

可选的，所述建立双向通信链路通信过程中的频谱感知为全频段频谱感知。

可选的，所述通信双方进行自主变频通信，包括：

通信双方动态更新NTFS进行自主变频时无需公共控制信道，是由通信双方的接收机每隔一个变频时隙T通过频谱感知自主生成下一变频时刻发射信号的特征参数集NTFS

可选的，所述通信双方进行自主变频通信后，还包括变频同步：

通信双方将己方本次变频时刻互相告知对方，然后基于此变频时刻值、当前时间和变频时隙T确定下一次变频时刻，以使通信双方在同一变频时刻进行同步变频。

可选的，所述通信双方进行自主变频通信过程中，还包括在变频通信过程中对接收频点的干扰检测：

对接收频点进行连续多次的扫频校验，若多次的扫频校验均未接收到合法数据包，则判定当前接收频点处存在干扰，然后转入全频段扫频接收，若仍未接收到合法数据包，则重新建立双向通信链路。

可选的，在通信双方通信交互过程中还对传输的数据包进行加密和解密。

可选的，所述自主变频通信过程中频谱感知为任意单双频点快速频谱感知。

第二方面，本发明提供了一种无公共控制信道的自主建链与变频一体化通信系统，包括相互之间动态且任意分布的通信呼叫方和通信应答方；

呼叫方和应答方采用上述的通信方法进行通信。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明的无公共控制信道的自主建链与变频一体化通信方法可在保证系统内节点充分利用信道带宽的同时，通过频谱感知技术和信号特征参数集的实时生成与自主更新来提高无线通信系统的抗干扰能力，有效解决了传统跳频系统易因预先协商好的跳频序列泄露而被跟踪干扰或认知跳频系统只在被干扰时才更新频点导致系统丢包率高的问题，显著提高了无线通信系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明所述无公共控制信道的自主建链与变频一体化的通信系统的工作步骤示意图；

图2为本发明所述通信呼叫方和通信应答方的具体通信流程框图；

图3为本发明所述无公共控制信道的自主建链与变频一体化的通信系统的结构组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

参阅图3，在本发明实例中，通过软件无线电设备USRP-2920和LabVIEW软件搭建出由多个发射节点、接收节点和潜在干扰节点组成的无线通信系统，此系统是完全分布式的，即系统由一系列可任意移动的通信节点组成，节点动态且任意分布，系统中无控制中心，所有节点地位平等，无需其他预置的网络设施，可以在任何时刻任何地点进行自主建链并开展自主变频通信。系统构成为：四个通信节点（USRP-A、USRP-B、USRP-C、USRP-D，每个节点都有发射和接收的能力，均可作为发射节点或接收节点），两个干扰节点（USRP-E，USRP-F）；其中，发射节点作为通信呼叫方，接收节点作为通信应答方，干扰节点作为干扰方。

在通信过程中通信节点之间发送或接收的是数据包，数据包的格式定义为：呼叫方标识CID+应答方标识RID+变频时刻TIME+发送数据DATA+下一变频时刻发射信号特征参数集NTFS。可知，数据包的字段包括：呼叫方标识CID、应答方标识RID、变频时刻TIME、发送数据DATA和下一变频时刻发射信号特征参数集NTFS。其中，

呼叫方标识CID 和应答方标识RID用于通信双方身份的校验；

变频时刻TIME用于通信双方实现变频同步；

发送数据DATA为通信双方所要传输的信息内容，在呼叫应答自主建链过程中可置为空；

下一变频时刻发射信号特征参数集NTFS用于自主更新信号的特征参数集，包括但不限于信号的频点、带宽、波形、调制方式等特征参数，并可根据系统需求对上述特征参数集进行定制化的自由组合。例如选择信号的频点作为特征参数集为例，特征参数集NTFS则仅包括信号频点信息，信号的带宽、波形、调制方式等除了频点以外的其他特征参数均采用系统默认配置，即此例中的NTFS仅可用于通信双方频点的自主更新。

结合图1和图2，在本发明实例中，提供了一种无公共控制信道的自主建链与变频一体化通信方法，所述方法应用于由多个通信节点和潜在干扰节点组成的无线通信系统。例如图3所示的上述通信系统，整个系统通信流程包括用户呼叫应答自主建链过程和实时自主变频抗干扰过程，具体过程描述如下：

Step1：用户呼叫应答自主建链过程：系统各节点默认处于全频段扫频静默接收状态，呼叫方根据无线频谱环境的实时状态自主选择特征参数集，应答方通过全频段感知自主识别信号的特征参数集来匹配接收，通信双方通过呼叫应答机制进行自主建链。

用户呼叫应答自主建链过程具体如下：

S1：静默接收（INIT_QUIESCE）：在通信系统开始时，进入初始化静默接收程序（INIT_QUIESCE），默认所有通信节点开机后均处于静默接收状态，在这个状态下，在系统设定的[f

S2：发起呼叫：当用户按下通信节点的发射键改变系统状态为发起呼叫状态时，此通信节点就作为呼叫方；呼叫方对系统设定的[f

利用感知的频谱信息生成特征参数集的过程为：基于快速频谱感知获得的频谱信息后，从中挑选能量较低的两个频点作为频点参数，其他的参数可以用户自定义。下次生成前先过滤掉这两个频点，从而保证每次生成的参数集都不一样。

S3：匹配应答：所述通信应答方处于静默接收状态，通过全频段感知自主识别呼叫方发射信号的特征参数集NTFS

若用户选择接听，则应答方解析数据包后获得其中NTFS字段中特征参数集NTFS

否则转入静默接收步骤；

S4：状态转移：所述通信呼叫方利用自身已知的特征参数集NTFS

Step2：实时自主变频抗干扰过程：所述呼叫方和通信应答方成功建立双向通信链路后，通信双方开始自主变频通信。呼叫方和应答方等通信双方的接收机根据无线频谱环境的实时状态自主生成下一变频时刻发射信号的特征参数集NTFS，然后通告对方的发射机利用该NTFS更新其下一变频时刻发射信号的特征参数集。

具体地，通信双方的接收机利用实时干扰检测机制监测当前频点，同时通过快速频谱感知每隔一个变频时隙T实时生成一个新的NTFS并通告对方的发射机在下一个变频时刻采用该NTFS来发射信号。在潜在干扰节点的作用下，通信呼叫方和应答方通过实时干扰检测模块发现工作频点被干扰后，采用频点快速搜索算法随机获得一个空闲频点替换被干扰频点，并自主更新信号的其他特征参数以躲避干扰，显著提高了无线通信系统的抗干扰能力。即使此频点未被干扰，在一个变频时隙T后仍会自主更新此特征参数集，确保干扰方即使感知到此次使用的频点信息，也无法及时在后续通信过程中通过干扰上次通信使用的变频特征参数集来干扰后续的通信。

实时自主变频抗干扰过程具体如下：

S1：变频通信：通信双方利用接收到的特征参数集NTFS进行变频发送和接收信号，每次接收后采用对称加密或非对称加密算法生成的密钥对数据包进行解密，然后进行合法性校验，若校验通过，则转入特征更新步骤，否则通信双方通过全频段扫频获得数据包；

合法性校验是指：比较接收数据包的应答方标识RID字段内容与本节点的CID是不是一样，若一样即是合法，否则就是非法数据包，

S2：特征更新：通信双方（呼叫方和应答方同步同时）的接收机每隔一个变频时隙T进行一次快速频谱感知，根据感知的频谱信息自主生成下一变频时刻的特征参数集NTFS

具体过程为：呼叫方和应答方动态更新NTFS并进行自主变频时无需公共控制信道，是由通信双方的接收机自主生成下一变频时刻发射信号的特征参数集NTFS

S3：变频同步：采用参考时钟法与自同步法相结合的同步方法对通信双方的变频发送和接收时刻达到精确同步，具体方法是在数据包中加入变频时刻TIME字段，用于保存己方变频时刻，对方成功接收到该数据包以后将此变频时刻值与本地时钟做差后来定时下一次变频时刻，即下一次变频倒计时=变频时隙T-（当前时刻-上次变频时刻）。这样使得下一次变频时通信双方可以在同一下一次变频时刻进行同步变频。

S4：干扰检测：干扰检测为在变频通信过程中对接收频点的干扰检测。

对于在变频通信过程中对接收频点的干扰检测，是对接收频点进行连续多次的扫频校验，若多次的扫频校验均未接收到合法数据包，则判定当前接收频点处存在干扰，然后转入全频段扫频接收，若仍未接收到合法数据包，则重新建立双向通信链路。

实时自主变频抗干扰过程引入实时干扰检测机制，若通信方式在实时干扰检测中检测仍未接收到合法数据包，则进行全频段扫频接收数据包，该机制有效提高了接收到对方数据包的成功率，而且实时的干扰检测保证系统能够第一时间发现并更新被干扰频点，为后续的变频通信提供较高的可靠性保证。

因此，在存在潜在干扰节点的情况下，无公共控制信道的自主建链与变频一体化通信方法及系统可以通过动态实时地自主更新发射信号的特征频率集以实现精确的变频同步抗干扰。

在本发明实施例中，在通信双方通信交互过程中还对传输的数据包进行加密和解密，所述数据包的加密和解密采用非对称加密算法RSA算法，呼叫方(应答方)采用应答方（呼叫方）的公钥对数据包进行加密后发送，应答方（呼叫方）采用自己的私钥来解密数据包。

在本发明实施例中，使用的频谱感知算法分为全频段频谱感知和任意单双频点快速频谱感知。其中，全频段频谱感知是指对系统设定的[f

实施例2

基于与实施例1同样的发明构思，本发明的一种无公共控制信道的自主建链与变频一体化通信系统，包括相互之间动态且任意分布的通信呼叫方和通信应答方；

呼叫方和应答方采用上述的通信方法进行通信。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：通信系统内各通信节点是完全分布式的，系统由一系列可任意移动的通信节点组成，节点动态且任意分布；通信链路的建立是完全自主的，无需公共控制信道（更新的特征参数集放在了发送的数据包中，直接发送）；干扰对抗过程中采用实时干扰检测机制，能够有效躲避各类型恶意干扰，如瞄准式干扰中的单音干扰和跟踪干扰，显著降低了被干扰后的系统丢包率；通过将自主建链技术和自主变频抗干扰技术有机结合在一起，有效消除用户间的用频冲突，使各合法用户可以复用同一频段的频谱资源而互不干扰，有效解决有限频谱资源和海量用频需求之间的突出矛盾，显著增强了无线通信系统的保密性和抗干扰能力。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。