專利名稱：高吞吐量、延時敏感無線網(wǎng)絡(luò)的低截獲信號傳輸系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，具體涉及一種適用于高吞吐量、延時敏感無線網(wǎng)絡(luò)的 低截獲信號傳輸系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
網(wǎng)絡(luò)的多址接入技術(shù)通常是指網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過共享信道實現(xiàn)相互連接訪問的技術(shù)。 為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，不同節(jié)點必須通過公共信道相互通信。由于這種接入或訪問網(wǎng)絡(luò)的過 程實際上表現(xiàn)為占用信道的過程，因此又稱為信道接入技術(shù)。在信道接入?yún)f(xié)議中，影響信道 利用率的兩個基本問題是第一，信道資源分配。信道資源分配方式與通信業(yè)務(wù)密切相關(guān)， 不同業(yè)務(wù)要求與之相適應(yīng)的資源分配方式；第二，一定資源分配方式下的調(diào)度算法，該算法 決定了多址接入?yún)f(xié)議的實現(xiàn)復(fù)雜度。信道資源分配是多址接入?yún)f(xié)議的基礎(chǔ)，特別在無線通 信網(wǎng)絡(luò)中，信道資源分配方式?jīng)Q定了網(wǎng)絡(luò)的信號波形。因此在信道接入?yún)f(xié)議設(shè)計時，應(yīng)首先 確定滿足網(wǎng)絡(luò)性能需求的信號波形。若信道資源分配可隨用戶需求的改變而變化，則該多址接入方式稱為動態(tài)信道接 入。動態(tài)信道接入由于能夠?qū)I(yè)務(wù)需求表現(xiàn)出自適應(yīng)性，因而具有較高的信道利用率。根 據(jù)全網(wǎng)時鐘是否同步，動態(tài)信道接入可分為異步接入與同步接入。其中，異步信道接入可 分為基本的隨機接入?yún)f(xié)議(AL0HA類協(xié)議)以及基于監(jiān)聽的隨機接入?yún)f(xié)議(CSMA類協(xié)議)。 而同步信道接入主要包括基于預(yù)約的動態(tài)接入?yún)f(xié)議(動態(tài)TDMA協(xié)議)。根據(jù)節(jié)點共享的信 道數(shù)量，動態(tài)信道接入又可分為單信道協(xié)議及多信道協(xié)議。單信道協(xié)議是指網(wǎng)絡(luò)中只有一 個共享信道，所有控制分組、數(shù)據(jù)分組都在同一個信道上收發(fā)，這種半雙工系統(tǒng)在某些情況 下無法滿足網(wǎng)絡(luò)吞吐量及實時性要求。例如，假設(shè)某網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量為10Mbps，而節(jié)點最 大吞吐量為2Mbps，因此任意時刻網(wǎng)絡(luò)內(nèi)至少有5個2Mbps的數(shù)據(jù)流同時進行傳輸。若網(wǎng) 絡(luò)包括100個用戶，這意味著任意時刻至少有5%的用戶在同時發(fā)送分組，等效于每個用戶 的發(fā)送占空比至少為5% (若網(wǎng)絡(luò)用戶更少，則發(fā)送占空比更高)。對于半雙工系統(tǒng)，5%的 發(fā)送占空比意味著在接收時平均有5%的數(shù)據(jù)分組要丟失，超出了網(wǎng)絡(luò)正常運行所要求的
誤包率。要使網(wǎng)絡(luò)正常運行，該信號波形必須實現(xiàn)全雙工并行傳輸。這說明單信道半雙 工系統(tǒng)無法實現(xiàn)某些高吞吐量網(wǎng)絡(luò)。另外，由于網(wǎng)絡(luò)接入延遲的限制，不允許當(dāng)前業(yè)務(wù)等待 其他業(yè)務(wù)接收完畢后或者等待向發(fā)送節(jié)點發(fā)送停止指令后再接入信道。這表明單信道半雙 工系統(tǒng)同樣無法適用于某些延時敏感網(wǎng)絡(luò)。由此看出，某些情況下單信道半雙工傳輸系統(tǒng) 嚴重制約了網(wǎng)絡(luò)總體性能，因此只有考慮采用多信道全雙工傳輸體制才能滿足上述網(wǎng)絡(luò)對 吞吐量及實時性的需求。在多信道協(xié)議中，“多信道”既可以是多個邏輯信道，也可以指多個物理通道。而 多個相互獨立的物理信道是實現(xiàn)全雙工傳輸?shù)幕A(chǔ)。多信道協(xié)議主要采用FDMA、CDMA等信 道資源分配方式。對于FDMA，N個信道分別占用N個互不重疊的頻帶，每個頻帶是總帶寬的 1/N。這種資源分配方式簡單，但信道接入的靈活性、擴展性不足，且抗干擾、低截獲性能較低；而對于CDMA，信道資源采用不同的擴頻地址碼進行劃分。在動態(tài)分布式網(wǎng)絡(luò)中，若采用 直擴方式，必須采用復(fù)雜的功率控制算法來克服遠近效應(yīng)所帶來的不利影響。而采用跳擴 方式不但沒有遠近效應(yīng)，而且具有靈活的多址組網(wǎng)能力及良好的安全保密性能。此外，對于 多信道協(xié)議，若采用同步分配類接入方式，可將信道劃分為一個控制信道和若干數(shù)據(jù)信道。 相鄰節(jié)點在每一幀的預(yù)約周期內(nèi)、通過在控制信道上交換控制分組來競爭信道資源(頻道 與碼字)以保證在后續(xù)業(yè)務(wù)周期內(nèi)無沖突的占用時隙。若競爭失敗，該節(jié)點必須等待下一 幀再次進行信道預(yù)約。這種基于預(yù)約的動態(tài)TDMA接入?yún)f(xié)議具有較低的分組沖突概率和較 高的信道利用率，適于定長分組且周期性較強的高負載業(yè)務(wù)，但業(yè)務(wù)接入時間可能會由于 沖突而被隨機推遲，不能確保延時敏感業(yè)務(wù)的實時接入。若采用異步競爭接入方式，不但可 以避免資源調(diào)度所帶來的大量控制開銷，而且可有效提高信道接入的實時性，更適合以突 發(fā)業(yè)務(wù)為主的延時敏感網(wǎng)絡(luò)。但異步接入方式必須采取有效的沖突避免及接入控制機制來 確保不同類型業(yè)務(wù)合理占用信道資源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決高吞吐量、延時敏感無線網(wǎng)絡(luò)的多址接入問題，提供一 種能夠?qū)崿F(xiàn)多通道、全雙工傳輸且具有低沖突概率及低截獲特征的信號傳輸系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的高吞吐量、延時敏感無線網(wǎng)絡(luò)中低截獲信號的傳輸系統(tǒng)，包括綜合消息 處理器、發(fā)射機、接收機、網(wǎng)絡(luò)管理器和全雙工寬帶天線；綜合消息處理器通過分組打包、組幀封裝格式化處理，按照網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層協(xié)議將 用戶信息形成若干消息分組并送入發(fā)射機；同時根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層協(xié)議對接收機輸出的 消息分組進行逆操作，提取出相應(yīng)的用戶信息；發(fā)射機對綜合消息處理器生成的消息分組進行數(shù)據(jù)符號映射及信道編碼；將每個 消息分組對應(yīng)的基帶碼流拆分成若干數(shù)據(jù)子塊，并根據(jù)用戶地址碼即每個用戶的跳時與跳 頻序列，對數(shù)據(jù)子塊的時間間隔及載波頻率進行偽隨機調(diào)制；在發(fā)送信號的時間及頻率內(nèi) 對所有接收機輸出“遮蔽”信號；對時頻二維偽隨機分布的數(shù)據(jù)子塊進行載波調(diào)制，并通過 全雙工寬帶天線發(fā)射；接收機與發(fā)射機的配置結(jié)構(gòu)完全相同，但執(zhí)行逆操作對全雙工寬帶天線所接收 的信號進行濾波及下變頻處理，形成基帶數(shù)字信號；根據(jù)發(fā)射機所產(chǎn)生的“遮蔽”信號將所 有與其發(fā)生碰撞的接收信號標記為“刪除錯誤”，并根據(jù)用戶地址碼對基帶信號進行時頻二 維聯(lián)合解擴；將解擴生成的數(shù)據(jù)子塊按順序進行重組得到基帶碼流，并通過信道譯碼及符 號解調(diào)恢復(fù)出原始的消息分組并最終送至綜合消息處理器；網(wǎng)絡(luò)管理器控制發(fā)射機及接收機生成的用戶地址碼。本發(fā)明的高吞吐量、延時敏感無線網(wǎng)絡(luò)的低截獲信號傳輸系統(tǒng)的信號發(fā)射方法， 包括以下步驟步驟一地址密鑰分配；采用集中式發(fā)射端碼分配協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點對網(wǎng)內(nèi)所有注冊節(jié)點的地址密 鑰進行分配和管理，保證每個節(jié)點地址密鑰的唯一性，同時，每個節(jié)點在控制信道上周期性 廣播自己的加密地址密鑰；當(dāng)節(jié)點A進入網(wǎng)絡(luò)時，首先在控制信道上對控制節(jié)點發(fā)送“入網(wǎng) 請求分組”;控制節(jié)點收到請求后，根據(jù)地址密鑰的分配記錄查詢密鑰空間K，從中選擇一個
8尚未使用的地址密鑰通過“入網(wǎng)應(yīng)答分組”由控制信道發(fā)送給節(jié)點A ；節(jié)點A收到“入網(wǎng)應(yīng) 答分組”后對所有一跳鄰居節(jié)點進行廣播，完成入網(wǎng)過程中發(fā)射機的密鑰分配；由于某個節(jié) 點離開網(wǎng)絡(luò)或發(fā)生故障而導(dǎo)致其在規(guī)定的時間內(nèi)沒有進行身份廣播，鄰居節(jié)點將自動刪除 該地址密鑰并釋放相應(yīng)的碼信道，同時控制節(jié)點也會周期性更新網(wǎng)絡(luò)的地址密鑰空間；步驟二 由地址密鑰生成跳頻、跳時序列；具體為混沌映射系統(tǒng)為xn+1 = f(xn, μ )，n = 0，1，2，3，…，其中f ( ·)為混沌映射系統(tǒng)， μ為混沌系統(tǒng)參數(shù)，xn, xn+1分別為混沌系統(tǒng)疊代算法的輸入與輸出；由該混沌系統(tǒng)生成的 一個混沌序列為X= {xjn = 0,1,2,…}，其中初始值Xtl、參數(shù)μ為該序列的密鑰，&和 μ的所有取值的集合為密鑰空間K ；從信號頻帶內(nèi)選出頻點作為跳頻頻率表F= {fjl = 0,1,2, ...2b_l}，F(xiàn)為 跳頻序列對應(yīng)的載波頻率集合，fx為該集合中第1個載波頻率，通過均勻隨機化方法，將混
度序列X中的每個實數(shù)Xn轉(zhuǎn)換成個由bbit的偽隨機整數(shù)Pi，從而將X變換成均勻分布
的整數(shù)型偽隨機序列，用Xb表示，即Xb = {Pi 10彡P(guān)i彡2b，i = 0，1,2-}，式中Pi的下標
土與\的下標η滿足(《-1)· j <i<n- f ；設(shè)均勻映射g:Xb —F，iPi = l時取為第i
跳的頻率，記為fS則由f"構(gòu)成一個與Xb—一對應(yīng)的跳頻序列F:F= {fi|i = 0，l，2，…; f1 e F}；同理，根據(jù)分組周期內(nèi)的信號占空比，以子塊時間長度為基本單位選擇，種不同 長度的時間間隔作為跳時時間表T = ItJm = 0，1，2，-^tl-IL T為跳時序列對應(yīng)的時間 間隔集合，tm為該集合中第m個時間間隔，通過均勻隨機化方法，將混沌序列X中的每個實
Sl
數(shù)Xn轉(zhuǎn)換成f個由q bit的偽隨機整數(shù)ki;從而將X變換成均勻分布的整數(shù)型偽隨機序
列，用Xq表示，即= Iki I 0彡Ici彡i = 0，1,2-}，式中Iii的下標i與Xn的下標η滿
足("-1)_ -化一 ；設(shè)均勻映射h^ —Τ，當(dāng)ki = m時取tm為第m個子塊與前一子 _ ^ J L ^r J
塊的時間間隔，可記為tm，則由tm構(gòu)成一個與Xq一一對應(yīng)的跳時序列T:T= {tm| i = 0，1， 2，... ;tm e Τ}；步驟三格式化處理；將用戶信息按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行組幀封裝，形成完整的消息分組；步驟四符號映射；對消息分組進行符號調(diào)制，得到消息符號序列；步驟五信道編碼；對消息符號序列進行信道編碼，形成基帶碼流；步驟六分組拆分成子塊；將每個消息分組所對應(yīng)的基帶碼流均勻拆分成若干長度相等的數(shù)據(jù)子塊，并在子 塊中插入同步/相位參考符號；步驟七跳頻調(diào)制；根據(jù)步驟二中所述的跳頻序列對消息分組中所有數(shù)據(jù)子塊的頻率進行偽隨機調(diào)制；步驟八跳時調(diào)制；根據(jù)步驟二中所述的跳時序列對消息分組中相鄰兩個數(shù)據(jù)子塊的時間間隔進行 偽隨機調(diào)制；步驟九發(fā)射遮蔽；用戶發(fā)送消息時，發(fā)射機信道調(diào)制/解調(diào)器工作的同時將對所有接收機的信道調(diào) 制/解調(diào)器發(fā)送“遮蔽”信號，將其中產(chǎn)生碰撞的接收信號標記為刪除錯誤；步驟十載波調(diào)制；對數(shù)據(jù)子塊進行濾波及上變頻處理，完成載波調(diào)制后饋送至天線。本發(fā)明的高吞吐量、延時敏感無線網(wǎng)絡(luò)的低截獲信號傳輸系統(tǒng)的信號接收方法， 包括以下步驟步驟一地址密鑰分配；集中式發(fā)射端碼分配協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點對網(wǎng)內(nèi)所有注冊節(jié)點的地址密鑰進 行分配和管理，保證每個節(jié)點地址密鑰的唯一性；同時，每個節(jié)點在控制信道上周期性廣播 自己的加密地址密鑰；入網(wǎng)節(jié)點經(jīng)過延時等待后收到所有鄰居節(jié)點的地址密鑰并在不同接 收機中激活相應(yīng)的碼信道，完成入網(wǎng)過程中接收機的密鑰分配；由于某個節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)或 發(fā)生故障而導(dǎo)致其在規(guī)定的時間內(nèi)沒有進行身份廣播，鄰居節(jié)點將自動刪除該地址密鑰并 釋放相應(yīng)的碼信道，同時控制節(jié)點也會周期性更新網(wǎng)絡(luò)的地址密鑰空間；步驟二 跳頻、跳時偽隨機序列生成；具體為混沌映射系統(tǒng)為:xn+1 = f(xn, μ )，n = 0，1，2，3，…，其中f ( ·)為混沌映射系統(tǒng)， μ為混沌系統(tǒng)參數(shù)，xn, xn+1分別為混沌系統(tǒng)疊代算法的輸入與輸出；由該混沌系統(tǒng)生成的 一個混沌序列為X= {xjn = 0,1,2,…}，其中初始值Xtl、參數(shù)μ為該序列的密鑰，&和 μ的所有取值的集合為密鑰空間K ；從信號頻帶內(nèi)選出頻點作為跳頻頻率表F= {fjl = 0,1,2, ...2b_l}，F(xiàn)為 跳頻序列對應(yīng)的載波頻率集合，fx為該集合中第1個載波頻率，通過均勻隨機化方法，將混
度序列X中的每個實數(shù)Xn轉(zhuǎn)換成f個由bbit的偽隨機整數(shù)Pi，從而將X變換成均勻分布
的整數(shù)型偽隨機序列，用Xb表示，即Xb = {Pi 10彡P(guān)i彡2b，i = 0，1,2-}，式中Pi的下標
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i與xn的下標η滿足；設(shè)均勻映射g :xb — F，當(dāng)Pi = 1時取為第i
跳的頻率，記為fS則由fi構(gòu)成一個與Xb—一對應(yīng)的跳頻序列F:F= {fi|i = 0，l，2，…; f1 e F}；同理，根據(jù)分組周期內(nèi)的信號占空比，以子塊時間長度為基本單位選擇，種不同 長度的時間間隔作為跳時時間表T = ItJm = 0，1，2，-^tl-IL T為跳時序列對應(yīng)的時間 間隔集合，tm為該集合中第m個時間間隔，通過均勻隨機化方法，將混沌序列X中的每個實
S
數(shù)χη轉(zhuǎn)換成、上個由q bit的偽隨機整數(shù)ki;從而將X變換成均勻分布的整數(shù)型偽隨機序 _ 7」
列，用Xq表示，即= Iki I 0彡Ici彡i = 0，1,2-}，式中Iii的下標i與Xn的下標η滿
10足("-1)·-化"·-；設(shè)均勻映射h:、一 T，當(dāng)ki =m時取tm為第m個子塊與前一子 _ ^f J L ^r J
塊的時間間隔，可記為tm，則由tm構(gòu)成一個與Xq一一對應(yīng)的跳時序列T:T= {tm| i = 0，1， 2，... ;tm e Τ}；步驟三載波解調(diào)；對全雙工寬帶天線的接收信號進行濾波及下變頻處理，并生成數(shù)據(jù)子塊的中頻數(shù)
字信號；步驟四時頻二維聯(lián)合解擴；根據(jù)步驟二得到的跳時序列、跳頻序列以及每個子塊中的同步/相位參考信息， 使得信道調(diào)制/解調(diào)器實現(xiàn)與接收信號的時間同步，并完成相應(yīng)的頻率的捕獲、跟蹤與解 調(diào)；步驟五子塊合并；將數(shù)據(jù)子塊按順序重組為消息分組所對應(yīng)的基帶碼流；步驟六信道譯碼；對基帶碼流進行信道糾錯譯碼，恢復(fù)出消息符號序列；步驟七符號解調(diào)；對消息符號序列進行符號解調(diào)，得到原始的消息分組；步驟八格式化處理；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對消息分組進行格式化處理，提取用戶信息。本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)該系統(tǒng)及方法將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分組拆分成若干均勻短猝的數(shù)據(jù)子塊，通過時頻 二維偽隨機調(diào)制將分組沖突分散在若干少數(shù)的子塊當(dāng)中，并結(jié)合信道糾錯編碼實現(xiàn)了多個 分組的并行接收，從而降低了分組沖突概率、提高了信道利用率；(2)該系統(tǒng)及方法具備發(fā)射與多路接收全雙工傳輸能力，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)高吞吐量 需求；(3)當(dāng)多個用戶對同一事件作出響應(yīng)時，由于沒有足夠的延時預(yù)算進行發(fā)射前載 波監(jiān)聽以及傳輸時間隨機化處理，使得該網(wǎng)絡(luò)必須滿足多個相鄰用戶的同時接入。該系統(tǒng) 及方法與異步競爭信道接入?yún)f(xié)議相結(jié)合避免了復(fù)雜的資源調(diào)度算法、降低了信道接入延 時，可以滿足以突發(fā)業(yè)務(wù)為主的延時敏感網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。(4)該系統(tǒng)及方法可使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生過載后的吞吐量隨著負載持續(xù)增加而緩慢下降， 避免了網(wǎng)絡(luò)瞬間癱瘓，增強了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。(5)該系統(tǒng)及方法采用混沌序列生成的跳頻及跳時序列進行時頻二維偽隨機調(diào) 制，具有良好的抗干擾與低截獲性能。


圖1是節(jié)點實現(xiàn)多路并行接收的無線網(wǎng)絡(luò)示意圖；圖2是節(jié)點實現(xiàn)發(fā)射與多路接收并行傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)示意圖；圖3是全雙工多通道并行傳輸信號示意圖；圖4是單通道信號的時頻分布示意11
圖5是兩個通道內(nèi)并行數(shù)據(jù)分組的部分時序圖；圖6是本發(fā)明所述信號傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明所述系統(tǒng)發(fā)射信號的方法流程圖；圖8是本發(fā)明實數(shù)雙精度二進制示意圖；圖9是本發(fā)明所述系統(tǒng)接收信號的方法流程圖。圖中1-綜合消息處理器 2-發(fā)射機3-接收機 4-網(wǎng)絡(luò)管理器5-全雙工寬帶天線 201-信道編/解碼器 202-數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)器203-信道調(diào)制/解調(diào)器204-地址碼生成器 205-變頻器
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。在異步信道接入?yún)f(xié)議(如ALOHA類、CSMA類協(xié)議)中，用戶信息被打包成若干消 息分組在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸。當(dāng)節(jié)點無法準確獲取信道狀態(tài)信息時，一旦多個相鄰節(jié)點需要同時 接入信道，分組極易產(chǎn)生碰撞，從而導(dǎo)致較大的接入時延并嚴重降低了信道利用率。本發(fā)明 提出的高吞吐量、延時敏感無線網(wǎng)絡(luò)的低截獲信號傳輸方法，該方法將每個數(shù)據(jù)分組拆分 成若干均勻短猝的數(shù)據(jù)子塊，并通過時頻二維偽隨機調(diào)制進行猝發(fā)傳輸，不但具有良好的 低截獲、抗干擾性能，而且無需額外控制開銷便降低了多個分組并行傳輸?shù)男诺罌_突概率， 從而實現(xiàn)了同頻帶內(nèi)跳頻信號多通道并行傳輸。本發(fā)明的典型應(yīng)用環(huán)境如圖1及圖2所示。圖1中，某無線網(wǎng)絡(luò)包括六個節(jié)點A、 B、C、D、E、F。本發(fā)明所述的系統(tǒng)及方法可使節(jié)點A幾乎同時(發(fā)射時間、傳播延時略有不 同)接收來自節(jié)點B、C、D、E、F的五個并行數(shù)據(jù)流。由于A與B、C、D、E、F距離不同，所接 收信號的功率電平也有所不同。圖2中，節(jié)點A在對節(jié)點B、C、D、E進行接收的同時還可以 向節(jié)點F發(fā)送數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)發(fā)射與多路接收全雙工傳輸。在上述兩種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，假設(shè)單 節(jié)點最大吞吐量為2Mbps，這意味每個用戶可達到最大2Mbps的發(fā)射速率與最大IOMbps的 接收速率。圖3為本發(fā)明所述多通道全雙工傳輸?shù)男盘柺疽鈭D。與傳統(tǒng)信號波形相比，該信 號波形將消息分組拆分成一系列均勻短猝的數(shù)據(jù)子塊，并以一定的“頻隙”及“時隙”為單 位在同頻帶內(nèi)及分組周期內(nèi)偽隨機分布。通過子塊在時頻二維空間的偽隨機分布降低了多 個分組并行傳輸?shù)呐鲎哺怕剩⑼ㄟ^信道編碼的糾錯機制實現(xiàn)了發(fā)射與多路接收的全雙工 傳輸。在該信號波形中，來自不同用戶的分組在相同頻段、相同時間內(nèi)發(fā)生重疊，各個用戶 具有不同的跳頻及跳時圖案。如圖3所示，為了實現(xiàn)多通道全雙工傳輸，每個節(jié)點包括N+1 個獨立傳輸通道(N是一跳共享廣播信道中鄰居個數(shù))其中第一個傳輸通道為發(fā)射機，第二 個傳輸通道至第N+1個傳輸通道為N個獨立的接收機。由于系統(tǒng)工作在異步接入網(wǎng)絡(luò)，因 此發(fā)射機中本用戶分組的發(fā)射時間與接收機中其他用戶分組的到達時間各不相同。各接收 機在不同碼信道上分別對相應(yīng)用戶的數(shù)據(jù)子塊進行捕獲、同步、解調(diào)等處理。圖3中某個傳輸通道(第j個傳輸通道)內(nèi)的信號時頻分布如圖4所示。假設(shè)某 個數(shù)據(jù)分組G包括m個碼元符號，將其拆分成為η個數(shù)據(jù)子塊H后，在分組周期t內(nèi)、相同 頻段的P個頻率上進行偽隨機分布。子塊H的載波頻率與時間間隔分別由跳頻序列PNjl及
12Jfl
跳時序列P 2進行偽隨機調(diào)制。每個數(shù)據(jù)子塊H包含；個碼元符號，由數(shù)據(jù)信息Q、U、T與
Jrt
同步/相位參考信息W、I組成，其中Q、U、T共包含k個信息符號，1、1各包括￥=-*)個同
步/相位參考符號。同步/相位參考信息I、W在子塊H內(nèi)的起始位置可以根據(jù)不同設(shè)計有 所不同。假設(shè)一個分組由2048bit構(gòu)成，分組周期為1024μ3(即信息速率為2Mbit/s)。對 分組進行碼率為1/5的信道編碼后，將其拆分為32個子塊以40Mbit/s的碼速率傳輸。每 個子塊內(nèi)包含320個碼元符號，其中32個為同步符號。此時傳輸信號的占空比為25%，并 在上述時頻空間內(nèi)偽隨機分布。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信號相比，本發(fā)明所述信號傳輸方法利用較 高的碼速率降低了數(shù)據(jù)分組的占空比，并結(jié)合跳時及跳頻二維偽隨機調(diào)制，有效降低了多 個并行分組的碰撞概率。假設(shè)不同傳輸通道中兩個并行數(shù)據(jù)分組a、b某段時間內(nèi)的信號時序如圖5所示。 其中，分組a的子塊B1^a2, a3> a4、a5、a6分別工作在頻率F3、F2, F6, F1, F2, F50分組b的子塊 bp b2、b3、b4、b5、b6分別工作在頻率F4、F” F6、F4、F3、F50子塊a4與b4雖然時間碰撞但工作 在不同頻率FpF4上，因此不會產(chǎn)生任何互擾；子塊ai、bi雖然時間發(fā)生碰撞，但工作在相鄰 頻率F3、F4上，只會產(chǎn)生輕微互擾而并不影響各自的正確接收；子塊^與、同時占用頻率 F5，這種信道沖突導(dǎo)致其無法被正確接收。而其余子塊a2、a3、a5與b2、b3、b5在時間及頻率 上不會產(chǎn)生任何碰撞，均可實現(xiàn)正確接收。由此看出，采用本發(fā)明所述的信號傳輸方法可將 網(wǎng)絡(luò)中分組沖突限制在數(shù)量較少的若干子塊內(nèi)而一般不會導(dǎo)致整個分組的丟失或重傳，減 少了多通道CDMA信號并行傳輸?shù)呐鲎哺怕剩岣吡诵诺览寐?、降低了接入時延。本發(fā)明所述信號傳輸方法采用了發(fā)射端(Transmitter-based)碼分配方式，即所 有節(jié)點采用不同的地址碼(一個跳時碼、一個跳頻碼)發(fā)送信息，而接收節(jié)點必須在相應(yīng)的 碼信道上進行接收。由于本發(fā)明所涉及的無線網(wǎng)絡(luò)采用異步競爭接入體制，接收節(jié)點無法 提前判斷哪個節(jié)點成功接入信道，因此不能動態(tài)選擇相應(yīng)的碼信道進行接收，只能同時監(jiān) 控所有鄰居節(jié)點的碼信道，這無疑帶來較大的系統(tǒng)軟硬件開銷。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時，為保 證網(wǎng)絡(luò)的吞吐量及實時性，這種開銷仍然是可以接受的。系統(tǒng)終端采用軟件無線電體系結(jié) 構(gòu)建立1個發(fā)射機通道及N個接收機通道。隨著新節(jié)點的加入，系統(tǒng)將加載新節(jié)點的地址 密鑰，并在某個接收機通道中激活相應(yīng)的碼信道。傳統(tǒng)CDMA系統(tǒng)通常采用的二進制偽隨機序列包括m序列、M序列以及GOLD序 列，它們的自相關(guān)函數(shù)接近理想，但互相關(guān)函數(shù)存在較大尖峰；碼數(shù)目有限，容易被破譯，保 密性較差。尤其在分布式跳頻通信系統(tǒng)中，所有用戶都占用相同的頻帶，僅用不同地址碼進 行區(qū)別，這要求地址碼應(yīng)能提供足夠數(shù)量的相關(guān)函數(shù)尖銳的碼序列。鑒于傳統(tǒng)PN序列的不 足，本發(fā)明通過混沌序列來產(chǎn)生跳頻、跳時序列?；煦缧蛄凶鳛閭坞S機碼具有以下優(yōu)勢混 沌序列生成簡單，碼組的生成只需要一個映射方程與一組初始值；混沌序列對初值很敏感， 其碼組空間非常大，在多用戶CDMA通信中，這些信號可有效區(qū)別不同的用戶；混沌系統(tǒng)是 一種強非線性系統(tǒng)，具有非周期性，安全性較高很難被截獲；混沌序列具有尖銳的自相關(guān)和 理想的互相關(guān)特性，可以保證信號間的互擾很低；混度序列具有良好的平衡性，可以生成穩(wěn) 定性較好的隨機序列等。此外，本發(fā)明所述信號波形中每個子塊均采用了具有良好“刪除”性能的信道編 碼。全雙工傳輸時，考慮到系統(tǒng)發(fā)射占空比，通常將發(fā)射機通道工作時到達的所有接收信號標記為“刪除錯誤”，盡量減少隨機錯誤。通過編碼理論可知，“刪除錯誤”對系統(tǒng)的影響遠 比隨機錯誤要小得多。而在純刪除信道中，Turbo編碼僅利用半數(shù)正確接收的數(shù)據(jù)子塊即可 恢復(fù)整個消息分組。而本發(fā)明中不同用戶采用了不同的跳時、跳頻碼，信道中子塊的碰撞完 全是隨機的、突發(fā)的，故實際信道并不能按純刪除信道處理。通常要求至少多于半數(shù)的子塊 被正確接收，否則將判定整個消息分組發(fā)生碰撞?？紤]到本發(fā)明所述的CDMA信號具有多通 道全雙工傳輸能力，因此信道中用戶個數(shù)增加將使網(wǎng)絡(luò)吞吐量逐漸上升并達到最大。此時 若網(wǎng)絡(luò)負載繼續(xù)增大，用戶信號之間碰撞概率不斷上升將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量轉(zhuǎn)而下降，但這 種性能衰退是一種緩慢的漸變過程，這是由于在網(wǎng)絡(luò)過載條件下信道中大功率信號(近距 離節(jié)點信息)具有較高的信噪比，仍然能夠保證被正確接收，而越來越多的小功率信號(遠 距離節(jié)點信息)被逐漸增強的多址干擾所淹沒。因此，整個網(wǎng)絡(luò)不會出現(xiàn)瞬間癱瘓。本發(fā)明所述信號系統(tǒng)及方法采用CDMA發(fā)射端碼分配協(xié)議，使不同用戶獲得不同 地址碼(跳頻、跳時碼)發(fā)送信息，盡可能降低多用戶同時接入信道所帶來的多址干擾。本發(fā)明的一種高吞吐量、延時敏感無線網(wǎng)絡(luò)的低截獲信號傳輸系統(tǒng)，如圖6所示， 系統(tǒng)采用軟件無線電體系結(jié)構(gòu)，具有N+1個采用相同配置的獨立傳輸通道，可實現(xiàn)發(fā)射與 多路接收的全雙工傳輸，主要包括綜合消息處理器1、發(fā)射機2、接收機3、網(wǎng)絡(luò)管理器4和全 雙工寬帶天線5。綜合消息處理器1通過分組打包、組幀封裝等格式化處理，按照網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層協(xié) 議將用戶信息形成若干消息分組并送入發(fā)射機2 ；同時根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層協(xié)議對接收機3 輸出的消息分組進行逆操作，提取出相應(yīng)的用戶信息。本發(fā)明設(shè)有一個發(fā)射機2，發(fā)射機2包括數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)器201、信道編/譯碼器 202、信道調(diào)制/解調(diào)器203、地址碼生成器204和變頻器205。數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)器201對 綜合消息處理器1產(chǎn)生的消息分組進行符號映射，形成符號序列并輸出至信道編/譯碼器 202。信道編/譯碼器202對符號序列進行信道編碼，并將每個消息分組拆分成若干數(shù)據(jù)子 塊輸出至信道調(diào)制/解調(diào)器203。信道調(diào)制/解調(diào)器203根據(jù)地址碼生成器204產(chǎn)生的地 址碼，即跳時序列與跳頻序列，對數(shù)據(jù)子塊的時間間隔與載波頻率進行偽隨機調(diào)制，并在工 作的頻率及時間內(nèi)對所有接收機3的信道調(diào)制/解調(diào)器203輸出“遮蔽”信號。信道調(diào)制 /解調(diào)器203完成時頻二維偽隨機調(diào)制后，每個子塊送至變頻器205進行載波調(diào)制，調(diào)制后 經(jīng)過全雙工寬帶天線5發(fā)射。本發(fā)明設(shè)有N個接收機3，每個接收機3與發(fā)射機2采用完全相同的硬件配置，但 每個單元執(zhí)行逆操作。變頻器205對寬帶全雙工天線5的接收信號進行濾波及下變頻處理， 生成中頻數(shù)字信號。信道調(diào)制/解調(diào)器203根據(jù)發(fā)射機2的信道調(diào)制/解調(diào)器203發(fā)送的 “遮蔽”信號將所有發(fā)生碰撞的接收信號標記為“刪除錯誤”，并根據(jù)地址碼生成器204所產(chǎn) 生的用戶地址碼對中頻信號進行時頻二維聯(lián)合解擴，得到若干數(shù)據(jù)子塊。信道編/譯碼器 202將信道調(diào)制/解調(diào)器203所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)子塊按順序進行重組得到基帶碼流，經(jīng)過信道譯 碼得到符號序列。數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)器201對符號序列進行符號解調(diào)，將恢復(fù)出的消息分組 送至綜合消息處理器1。網(wǎng)絡(luò)管理器4接收網(wǎng)絡(luò)控制消息并執(zhí)行拓撲管理，網(wǎng)絡(luò)管理器4根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制節(jié) 點所分配的地址密鑰激活發(fā)射機2的地址碼生成器204，使其產(chǎn)生相應(yīng)用戶的地址碼，即每 個用戶自身的跳時序列與跳頻序列；同時，根據(jù)鄰居節(jié)點的身份廣播激活相應(yīng)的接收機3的地址碼生成器204，使其產(chǎn)生當(dāng)前鄰居節(jié)點的地址碼。利用本發(fā)明一種高吞吐量、延時敏感無線網(wǎng)絡(luò)的低截獲信號傳輸系統(tǒng)的信號發(fā)射 方法，流程如圖7所示，包括以下幾個步驟步驟一地址密鑰分配；為避免多個相鄰節(jié)點同時接入傳輸通道所造成的多址干擾，本發(fā)明采用了集中式 發(fā)射端碼分配協(xié)議，不但確保了所有一跳及兩跳相連的節(jié)點使用不同的地址碼(跳頻序 列、跳時序列)發(fā)送信息，而且避免了網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化對分布式碼分配協(xié)議所造成的復(fù) 雜性，具有可靠性高且控制開銷小等優(yōu)點。集中式發(fā)射端碼分配協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點 (簇頭節(jié)點)對網(wǎng)內(nèi)所有注冊節(jié)點的地址密鑰進行分配和管理，保證了每個節(jié)點地址密鑰 的唯一性。同時，每個節(jié)點在控制信道上周期性廣播自己的加密地址密鑰。當(dāng)節(jié)點A進入 網(wǎng)絡(luò)時，首先在控制信道上對控制節(jié)點發(fā)送“入網(wǎng)請求分組”。控制節(jié)點收到請求后，根據(jù)地 址密鑰的分配記錄查詢密鑰空間，從中選擇一個尚未使用的地址密鑰通過“入網(wǎng)應(yīng)答分組” 由控制信道發(fā)送給節(jié)點A。節(jié)點A收到“入網(wǎng)應(yīng)答分組”后對所有一跳相鄰節(jié)點進行廣播， 從而完成入網(wǎng)過程中發(fā)射機的密鑰分配。由于某個節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)或發(fā)生故障而導(dǎo)致其在規(guī) 定的時間一定時間內(nèi)沒有進行身份廣播，鄰居節(jié)點將自動刪除該地址密鑰并釋放相應(yīng)的碼 信道，同時控制節(jié)點也會周期性更新網(wǎng)絡(luò)的地址密鑰空間。步驟二 由地址密鑰生成跳頻、跳時序列；設(shè)本發(fā)明所采用的混沌映射系統(tǒng)為:xn+1 = f(xn, μ),η = 0，1，2，3，···，其中f(·) 為混沌映射系統(tǒng)，μ為混沌系統(tǒng)參數(shù)，xn，xn+1分別為混沌系統(tǒng)疊代算法的輸入與輸出。由 該混沌系統(tǒng)所生成的一個混沌序列為X = {xjn = 0,1,2,…}，其中初始值Xtl與參數(shù)μ 為該序列的密鑰，Xtl和μ所有取值的集合即為地址密鑰空間K。只要混沌映射系統(tǒng)選擇合 適，就可以使K足夠大、X的周期足夠長。本發(fā)明中信號波形的跳頻序列、跳時序列均由混沌序列生成。所述的將混度序列 變換為偽隨機序列的均勻隨機化方法為根據(jù)ΙΕΕΕ754標準規(guī)定，一個實數(shù)χ的雙精度二進制表示由三部分組成Ibit符 號位(用s表示)、llbit偏指數(shù)位(用e表示)，52bit尾數(shù)位(用f表示)，即χ = (_l)sX2e,23Xl. f，0 < e < 2047，s e {0，1}雙精度二進制表示如圖8所示，其中，尾數(shù)位f包括52bit 二進制碼f = f51f5(r·· fifo^fi e {0，l}，i = 0，1，···52，將其分成高位26bit及低位26bit的兩個碼塊，分別記為 fH = f51f50…f27f26，fL = 4知-位。，將低位 fL 倒置，記為:fL' = f0fr..f24f25。對 fH、fL' 進行異或運算，記為/^ = ^ // = ·/；,’·/；?！璣'/^，其中/51-廠=/51-, 廣 / = 0，1,2,".24,25。 再將fH'與&按照高位和低位合并成一個新的尾數(shù)，即f' =fH' fL= f51' f50 ‘… f27' f26' f^fyfA。由此得到的新尾數(shù)f'即為均勻隨機二進制數(shù)。從信號頻帶內(nèi)選出可供跳頻的2b個頻點作為跳頻頻率表=F = {fjl = 0，1,2,... 2b-l}，F(xiàn)為跳頻序列對應(yīng)的載波頻率集合，fx為該集合中第1個載波頻率。利用均勻隨機化
方法，將混度序列X中的每個實數(shù)Xn轉(zhuǎn)換成f個由bbit的偽隨機整數(shù)Pi,從而將X變換
成均勻分布的整數(shù)型偽隨機序列，用Xb表示，即Xb= {Pi|0彡P(guān)i<2b，i = 0，l，2···}。式
中Pi的下標i與Xn的下標η滿足(《-1)_ 。設(shè)均勻映射g :Xb — F，當(dāng)Pi = 1時取fi為第i跳的頻率，記為fi。則由fi構(gòu)成一個與Xb—一對應(yīng)的跳頻序列F:F= IfiIi =0,1,2, ... ；^ e F}。同理，根據(jù)分組周期內(nèi)的信號占空比，以子塊時間長度為基本單位選擇，種不同 長度的時間間隔作為跳時時間表T = ItJm = 0，1，2，-^tl-IL T為跳時序列對應(yīng)的時間 間隔集合，tm為該集合中第m個時間間隔。利用均勻隨機化方法，將混沌序列X中的每個實
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數(shù)Xn轉(zhuǎn)換成二個由q bit的偽隨機整數(shù)ki;從而將X變換成均勻分布的整數(shù)型偽隨機序 L 7」
列，用\表示，即=Xq= {ki |0彡IiiSZtU = 0，1，2···}。式中ki的下標士與Xn的下標η滿
足(《_1)· 二 <i<n- ^。設(shè)均勻映射h:、一 T，當(dāng)ki = m時取tm為第m個子塊與前一子 _ ^ j L ^f J
塊的時間間隔，可記為tm。則由tm構(gòu)成一個與\一一對應(yīng)的跳時序列T:T= {tm|i = o, 1,2, ... ;tm e Τ}。步驟三格式化處理；將用戶信息按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行組幀封裝，形成完整的消息分組。步驟四數(shù)據(jù)符號映射；對消息分組進行數(shù)據(jù)符號調(diào)制，例如FSK、QPSK等方式。步驟五信道編碼；對消息分組的符號序列進行信道編碼，形成基帶碼流。要求該信道編碼具有良好 的刪除性能，例如Turbo編碼，RS編碼等，提高物理層糾錯能力。步驟六分組拆分成子塊；將每個消息分組所對應(yīng)的符號序列均勻拆分成若干長度相等的數(shù)據(jù)子塊，并在子 塊中插入同步/相位參考符號。步驟七跳頻調(diào)制；根據(jù)步驟二中所述的跳頻序列對消息分組中所有數(shù)據(jù)子塊的頻率進行偽隨機調(diào) 制。步驟八跳時調(diào)制；根據(jù)步驟二中所述的跳時序列對消息分組中相鄰兩個數(shù)據(jù)子塊的時間間隔進行 偽隨機調(diào)制。步驟九發(fā)射遮蔽；用戶發(fā)送消息時，發(fā)射機的信道調(diào)制/解調(diào)器工作的同時將對所有接收機的信道 調(diào)制/解調(diào)器發(fā)送“遮蔽”信號，將其中所有產(chǎn)生碰撞的接收信號標記為刪除錯誤；步驟十載波調(diào)制；對數(shù)據(jù)子塊進行濾波及上變頻處理，完成載波調(diào)制后饋送至天線。利用本發(fā)明一種高吞吐量、延時敏感無線網(wǎng)絡(luò)的低截獲信號傳輸系統(tǒng)的信號接收 方法，流程如圖9所示，包括以下幾個步驟步驟一地址密鑰分配；集中式發(fā)射端碼分配協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(簇頭節(jié)點)對網(wǎng)內(nèi)所有注冊節(jié)點的 地址密鑰進行分配和管理，保證了每個節(jié)點地址密鑰的唯一性。同時，每個節(jié)點在控制信道 上周期性廣播自己的加密地址密鑰。入網(wǎng)節(jié)點經(jīng)過延時等待后收到所有鄰居節(jié)點的地址密鑰并在不同接收機中激活相應(yīng)的碼信道，從而完成入網(wǎng)過程中接收機的密鑰分配。由于某 個節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)或發(fā)生故障而導(dǎo)致一定時間內(nèi)沒有進行聲明，鄰居節(jié)點將自動刪除該地址 密鑰并釋放相應(yīng)的碼信道，同時控制節(jié)點也會周期性更新網(wǎng)絡(luò)的地址密鑰空間。步驟二 由地址密鑰生成跳頻、跳時序列；與發(fā)射流程的步驟二相同。步驟三載波解調(diào)；對全雙工寬帶天線的接收信號進行濾波及下變頻處理，并生成數(shù)據(jù)子塊的中頻數(shù)
字信號；步驟四時頻二維聯(lián)合解擴；根據(jù)步驟二中得到接收機中地址碼生成器所產(chǎn)成的跳時序列及跳頻序列以及每 個子塊中的同步/相位參考信息，使得信道調(diào)制/解調(diào)器實現(xiàn)與接收信號的時間同步，并完 成相應(yīng)的頻率的捕獲、跟蹤與解調(diào)。步驟五子塊合并；將數(shù)據(jù)子塊按順序重組為消息分組所對應(yīng)的符號序列；步驟六信道譯碼；對基帶碼流進行信道糾錯譯碼，恢復(fù)出原始的消息分組；步驟七數(shù)據(jù)符號解調(diào)；對符號序列進行數(shù)據(jù)符號解調(diào)，得到基帶碼流；步驟八格式化處理；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對消息分組進行格式化處理，提取其中用戶的原始信息。本發(fā)明所提出的高吞吐量、延時敏感無線網(wǎng)絡(luò)中低截獲信號傳輸系統(tǒng)及方法，利 用了時頻二維偽隨機調(diào)制實現(xiàn)了發(fā)送與多路接收全雙工傳輸體制，提高了信道利用率、實 現(xiàn)了同時多用戶的即時接入，從而滿足了某些網(wǎng)絡(luò)高吞吐量需求以及延時敏感業(yè)務(wù)的服務(wù) 質(zhì)量。與傳統(tǒng)信號波形相比，該信號波形不但具有良好的抗干擾、低截獲性能，而且避免了 網(wǎng)絡(luò)過載所導(dǎo)致的瞬間癱瘓問題，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性及魯棒性。
權(quán)利要求
高吞吐量、延時敏感無線網(wǎng)絡(luò)中低截獲信號的傳輸系統(tǒng)，其特征在于，包括綜合消息處理器、發(fā)射機、接收機、網(wǎng)絡(luò)管理器和全雙工寬帶天線；綜合消息處理器通過分組打包、組幀封裝格式化處理，按照網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層協(xié)議將用戶信息形成若干消息分組并送入發(fā)射機；同時根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層協(xié)議對接收機輸出的消息分組進行逆操作，提取出相應(yīng)的用戶信息；發(fā)射機對綜合消息處理器生成的消息分組進行數(shù)據(jù)符號映射及信道編碼；將每個消息分組對應(yīng)的基帶碼流拆分成若干數(shù)據(jù)子塊，并根據(jù)用戶地址碼即每個用戶的跳時與跳頻序列，對數(shù)據(jù)子塊的時間間隔及載波頻率進行偽隨機調(diào)制；在發(fā)送信號的時間及頻率內(nèi)對所有接收機輸出“遮蔽”信號；對時頻二維偽隨機分布的數(shù)據(jù)子塊進行載波調(diào)制，并通過全雙工寬帶天線發(fā)射；接收機與發(fā)射機的配置結(jié)構(gòu)完全相同，但執(zhí)行逆操作對全雙工寬帶天線所接收的信號進行濾波及下變頻處理，形成基帶數(shù)字信號；根據(jù)發(fā)射機所產(chǎn)生的“遮蔽”信號將所有與其發(fā)生碰撞的接收信號標記為“刪除錯誤”，并根據(jù)用戶地址碼對基帶信號進行時頻二維聯(lián)合解擴；將解擴生成的數(shù)據(jù)子塊按順序進行重組得到基帶碼流，并通過信道譯碼及符號解調(diào)恢復(fù)出原始的消息分組并最終送至綜合消息處理器；網(wǎng)絡(luò)管理器控制發(fā)射機及接收機生成的用戶地址碼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高吞吐量、延時敏感無線網(wǎng)絡(luò)中低截獲信號的傳輸系統(tǒng)，其 特征在于，所述的發(fā)射機包括數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)器、信道編/譯碼器、信道調(diào)制/解調(diào)器、地址 碼生成器和變頻器；數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)器對綜合消息處理器產(chǎn)生的消息分組進行數(shù)據(jù)符號映射，形成消息符 號序列并輸出至信道編/譯碼器；信道編/譯碼器對消息符號序列進行信道編碼，并將每個 消息分組對應(yīng)的基帶碼流拆分成若干數(shù)據(jù)子塊送至信道調(diào)制/解調(diào)器；信道調(diào)制/解調(diào)器 根據(jù)地址碼生成器所產(chǎn)生的用戶地址碼，即每個用戶的跳時及跳頻序列，對數(shù)據(jù)子塊的時 間間隔及載波頻率進行偽隨機調(diào)制，并在發(fā)射機工作的時間及頻率內(nèi)對所有接收機的信道 調(diào)制/解調(diào)器輸出“遮蔽”信號；經(jīng)過時頻二維偽隨機調(diào)制的數(shù)據(jù)子塊被送至變頻器進行載 波調(diào)制，并通過全雙工寬帶天線完成發(fā)射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高吞吐量、延時敏感無線網(wǎng)絡(luò)中低截獲信號的傳輸系統(tǒng)，其 特征在于，所述的接收機包括數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)器、信道編/譯碼器、信道調(diào)制/解調(diào)器、地址 碼生成器和變頻器；變頻器對全雙工寬帶天線所接收的信號進行濾波及下變頻處理，生成中頻數(shù)字信號； 信道調(diào)制/解調(diào)器根據(jù)發(fā)射機產(chǎn)生的“遮蔽”信號將所有發(fā)生碰撞的接收信號標記為“刪除 錯誤”，并根據(jù)地址碼生成器產(chǎn)生的用戶地址碼對中頻信號進行時頻二維聯(lián)合解擴，得到若 干數(shù)據(jù)子塊；信道編/譯碼器將數(shù)據(jù)子塊按順序進行重組得到基帶碼流，并通過信道譯碼 生成消息符號序列；數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)器對消息符號序列進行符號解調(diào)，恢復(fù)出原始的消息 分組并最終送至綜合消息處理器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高吞吐量、延時敏感無線網(wǎng)絡(luò)中低截獲信號的傳輸系統(tǒng)，其 特征在于，所述的網(wǎng)絡(luò)管理器接收網(wǎng)絡(luò)控制消息并執(zhí)行拓撲管理，網(wǎng)絡(luò)管理器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控 制節(jié)點所分配的地址密鑰激活發(fā)射機的地址碼生成器，使其產(chǎn)生相應(yīng)用戶的地址碼，即每 個用戶自身的跳時及跳頻序列；同時，接收鄰居節(jié)點的身份廣播消息并激活相應(yīng)接收機的地址碼生成器，使其產(chǎn)生鄰居節(jié)點的地址碼，即鄰居節(jié)點的跳時及跳頻序列。
5.應(yīng)用于權(quán)利要求1所述傳輸系統(tǒng)的信號發(fā)射方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一地址密鑰分配；采用集中式發(fā)射端碼分配協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點對網(wǎng)內(nèi)所有注冊節(jié)點的地址密鑰進 行分配和管理，保證每個節(jié)點地址密鑰的唯一性，同時，每個節(jié)點在控制信道上周期性廣播 自己的加密地址密鑰；當(dāng)節(jié)點A進入網(wǎng)絡(luò)時，首先在控制信道上對控制節(jié)點發(fā)送“入網(wǎng)請求 分組”;控制節(jié)點收到請求后，根據(jù)地址密鑰的分配記錄查詢密鑰空間K，從中選擇一個尚未 使用的地址密鑰通過“入網(wǎng)應(yīng)答分組”由控制信道發(fā)送給節(jié)點A ；節(jié)點A收到“入網(wǎng)應(yīng)答分 組”后對所有一跳鄰居節(jié)點進行廣播，完成入網(wǎng)過程中發(fā)射機的密鑰分配；由于某個節(jié)點離 開網(wǎng)絡(luò)或發(fā)生故障而導(dǎo)致其在規(guī)定的時間內(nèi)沒有進行身份廣播，鄰居節(jié)點將自動刪除該地 址密鑰并釋放相應(yīng)的碼信道，同時控制節(jié)點也會周期性更新網(wǎng)絡(luò)的地址密鑰空間； 步驟二 由地址密鑰生成跳頻、跳時序列； 具體為混沌映射系統(tǒng)為:χη+1 = f(xn, μ), η = 0,1,2,3,…，其中f( ·)為混沌映射系統(tǒng)，μ 為混沌系統(tǒng)參數(shù)，χη, χη+1分別為混沌系統(tǒng)疊代算法的輸入與輸出；由該混沌系統(tǒng)生成的一 個混沌序列為X= {xjn = 0,1,2,…}，其中初始值Xtl、參數(shù)μ為該序列的密鑰，&和μ 的所有取值的集合為密鑰空間K ；從信號頻帶內(nèi)選出滬個頻點作為跳頻頻率表F=坑|1 = 0，1，2，…2b-l}，F(xiàn)為跳頻 序列對應(yīng)的載波頻率集合，fx為該集合中第1個載波頻率，通過均勻隨機化方法，將混度序列X中的每個實數(shù)Xn轉(zhuǎn)換成f個由bbit的偽隨機整數(shù)Pi，從而將X變換成均勻分布的整數(shù)型偽隨機序列，用Xb表示，即Xb = {Pi|0彡P(guān)i彡2b，i = 0，1，2...}，式中Pi的下標iS2sSl與Xn的下標η滿足(《-1)· - mn·-；設(shè)均勻映射g:Xb —F，iPi = 1時取為第i跳的頻率，記為fS則由f"構(gòu)成一個與Xb—一對應(yīng)的跳頻序列F:F= IfiIi = 0,1,2,…; f1 e F}；同理，根據(jù)分組周期內(nèi)的信號占空比，以子塊時間長度為基本單位選擇，種不同長度 的時間間隔作為跳時時間表T = ItJm = 0，1，2，-^tl-IL T為跳時序列對應(yīng)的時間間隔 集合，tm為該集合中第m個時間間隔，通過均勻隨機化方法，將混沌序列X中的每個實數(shù)Xn52轉(zhuǎn)換成1個由q bit的偽隨機整數(shù)ki;從而將X變換成均勻分布的整數(shù)型偽隨機序列， 用Xq表示，即=Xq = Iki |0 ^ ki ^ 2q,i = 0，1，2…}，式中Iii的下標i與、的下標η滿足S tO("-I)" ~ ^'^· J ；設(shè)均勻映射h^ —Τ，當(dāng)ki=m時取tm為第m個子塊與前一子塊的時間間隔，可記為tm，則由tm構(gòu)成一個與Xq一一對應(yīng)的跳時序列T :T = ItmIi = 0,1,2,···； tm e Τ}；步驟三格式化處理；將用戶信息按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行組幀封裝，形成完整的消息分組； 步驟四符號映射；對消息分組進行符號調(diào)制，得到消息符號序列；步驟五信道編碼；對消息符號序列進行信道編碼，形成基帶碼流； 步驟六分組拆分成子塊；將每個消息分組所對應(yīng)的基帶碼流均勻拆分成若干長度相等的數(shù)據(jù)子塊，并在子塊中 插入同步/相位參考符號； 步驟七跳頻調(diào)制；根據(jù)步驟二中所述的跳頻序列對消息分組中所有數(shù)據(jù)子塊的頻率進行偽隨機調(diào)制； 步驟八跳時調(diào)制；根據(jù)步驟二中所述的跳時序列對消息分組中相鄰兩個數(shù)據(jù)子塊的時間間隔進行偽隨 機調(diào)制；步驟九發(fā)射遮蔽；用戶發(fā)送消息時，發(fā)射機信道調(diào)制/解調(diào)器工作的同時將對所有接收機的信道調(diào)制/ 解調(diào)器發(fā)送“遮蔽”信號，將其中產(chǎn)生碰撞的接收信號標記為刪除錯誤； 步驟十載波調(diào)制；對數(shù)據(jù)子塊進行濾波及上變頻處理，完成載波調(diào)制后饋送至天線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳輸系統(tǒng)的信號發(fā)射方法，其特征在于，步驟二中所述的均 勻隨機化方法為實數(shù)χ的雙精度二進制表示包括三部分Ibit符號位，用s表示，libit偏 指數(shù)位，用e表示，52bit尾數(shù)位，用f表示，即χ = (-1)sX2"1023 X 1. f,0 < e < 2047，s e {0，1}尾數(shù)位 f 包括 52bit 二進制碼f = f51f5o··· fifo' fi e {0,1}, i = 0,1, ...52， 將其分成高位26bit及低位26bit的兩個碼塊，分別記為fH = f51f50- f27f26，fL = f25f24-fifo'將低位&倒置，記為:fL' = f0fr..f24f25 ；對fH、fL'進行異或運算，記為 /// =么》/廣=/5,’/5?！?../2//26'，其中-.L^UJn / = 0，1，2,..·24,25 ；再將 fH'與 按照高位 和低位合并成一個新的尾數(shù)，即f' =fH' fL=f51' f50‘ -f27' f26' f25f2i'"f ^0-MU 到的新尾數(shù)f'即為均勻隨機二進制數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳輸系統(tǒng)的信號發(fā)射方法，其特征在于，步驟五中采用具有 良好“刪除性能”的信道編碼。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳輸系統(tǒng)的信號發(fā)射方法，其特征在于，信道編碼通常選用 Turbo編碼或者RS編碼。
9.應(yīng)用于權(quán)利要求1所述傳輸系統(tǒng)的信號接收方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一地址密鑰分配；集中式發(fā)射端碼分配協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點對網(wǎng)內(nèi)所有注冊節(jié)點的地址密鑰進行分 配和管理，保證每個節(jié)點地址密鑰的唯一性；同時，每個節(jié)點在控制信道上周期性廣播自己 的加密地址密鑰；入網(wǎng)節(jié)點經(jīng)過延時等待后收到所有鄰居節(jié)點的地址密鑰并在不同接收機 中激活相應(yīng)的碼信道，完成入網(wǎng)過程中接收機的密鑰分配；由于某個節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)或發(fā)生 故障而導(dǎo)致其在規(guī)定的時間內(nèi)沒有進行身份廣播，鄰居節(jié)點將自動刪除該地址密鑰并釋放 相應(yīng)的碼信道，同時控制節(jié)點也會周期性更新網(wǎng)絡(luò)的地址密鑰空間； 步驟二 跳頻、跳時偽隨機序列生成； 具體為混沌映射系統(tǒng)為:χη+1 = f(xn, μ), η = 0,1,2,3,…，其中f( ·)為混沌映射系統(tǒng)，μ 為混沌系統(tǒng)參數(shù)，Xn, xn+1分別為混沌系統(tǒng)疊代算法的輸入與輸出；由該混沌系統(tǒng)生成的一 個混沌序列為x= {xjn = 0,1,2,…}，其中初始值Xtl、參數(shù)μ為該序列的密鑰，&和μ 的所有取值的集合為密鑰空間K ；從信號頻帶內(nèi)選出滬個頻點作為跳頻頻率表F=坑|1 = 0，1，2，…2b-l}，F(xiàn)為跳頻 序列對應(yīng)的載波頻率集合，fx為該集合中第1個載波頻率，通過均勻隨機化方法，將混度序52列X中的每個實數(shù)Xn轉(zhuǎn)換成j個由bbit的偽隨機整數(shù)Pi，從而將X變換成均勻分布的整數(shù)型偽隨機序列，用Xb表示，即Xb = {Pi|0彡P(guān)i彡2b，i = 0，1，2...}，式中Pi的下標i與Xn的下標η滿足(《-l)· y ^-^· y ；設(shè)均勻映射g :Xb — F，當(dāng)Pi = 1時取為第i跳的頻率，記為fS則由f"構(gòu)成一個與Xb—一對應(yīng)的跳頻序列F:F= {fi|i = 0，l，2，…; f1 e F}；同理，根據(jù)分組周期內(nèi)的信號占空比，以子塊時間長度為基本單位選擇，種不同長度 的時間間隔作為跳時時間表T = ItJm = 0，1，2，-^tl-IL T為跳時序列對應(yīng)的時間間隔 集合，tm為該集合中第m個時間間隔，通過均勻隨機化方法，將混沌序列X中的每個實數(shù)Xn52轉(zhuǎn)換成★個由q bit的偽隨機整數(shù)ki;從而將X變換成均勻分布的整數(shù)型偽隨機序列， 用Xq表示，即=Xq = {k」0彡Ici ^ 2q,i = 0，1，2···}，式中Ici的下標i與xn的下標η滿足5252( -I)" --；設(shè)均勻映射h:、一Τ，當(dāng)ki = m時取tm為第m個子塊與前一子塊的時_ H j L ^r J間間隔，可記為tm，則由tm構(gòu)成一個與Xq—一對應(yīng)的跳時序列τ :T= {tm|i = 0，l，2，…； tm e Τ}；步驟三載波解調(diào)；對全雙工寬帶天線的接收信號進行濾波及下變頻處理，并生成數(shù)據(jù)子塊的中頻數(shù)字信號；步驟四時頻二維聯(lián)合解擴；根據(jù)步驟二得到的跳時序列、跳頻序列以及每個子塊中的同步/相位參考信息，使得 信道調(diào)制/解調(diào)器實現(xiàn)與接收信號的時間同步，并完成相應(yīng)的頻率的捕獲、跟蹤與解調(diào)； 步驟五子塊合并；將數(shù)據(jù)子塊按順序重組為消息分組所對應(yīng)的基帶碼流； 步驟六信道譯碼；對基帶碼流進行信道糾錯譯碼，恢復(fù)出消息符號序列； 步驟七符號解調(diào)；對消息符號序列進行符號解調(diào)，得到原始的消息分組； 步驟八格式化處理；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對消息分組進行格式化處理，提取用戶信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的信號接收方法，其特征在于，步驟二中所述的均勻隨機化方 法為實數(shù)χ的雙精度二進制表示包括三部分Ibit符號位，用s表示，libit偏指數(shù)位，用e 表示，52bit尾數(shù)位，用f表示，SP χ = (-1)sX2"1023 X 1. f,0 < e < 2047，s e {0，1} (1)尾數(shù)位 f 包括 52bit 二進制碼f = f51f5o··· fifo' fi e {0,1}, i = 0,1, ...52， 將其分成高位26bit及低位26bit的兩個碼塊，分別記為fH = f51f50- f27f26，fL = f25f24-fifo'將低位&倒置，記為:fL' = f0fr..f24f25 ；對fH、fL'進行異或運算，記為 /" = ^ /廣=/51'/5。'.../2//26_，其中/5,-, ' = /5Ι-, Χ, ζ_ = 0,1,2,.·.24,25 ；再將 fH'與 fL 按照高位 和低位合并成一個新的尾數(shù)，即f' =fH' fL=f51' f50‘ -f27' f26'仏…沾；則得 到的新尾數(shù)f'即為均勻隨機二進制數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于以突發(fā)業(yè)務(wù)為主、高吞吐量、延時敏感無線網(wǎng)絡(luò)的低截獲信號傳輸系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)及方法將傳統(tǒng)分組無線網(wǎng)中的消息分組拆分成一系列均勻、短小的數(shù)據(jù)子塊，通過跳頻、跳時二維偽隨機調(diào)制將分組沖突化解為若干少數(shù)子塊間的碰撞，并結(jié)合具有良好刪除性能的信道編碼實現(xiàn)了發(fā)射與多路接收的全雙工傳輸，不但提高了信道利用率及網(wǎng)絡(luò)吞吐量，而且具有良好的抗干擾、低截獲性能；同時，該系統(tǒng)及方法與異步競爭信道接入體制相結(jié)合不但能夠避免復(fù)雜的資源調(diào)度算法、降低信道接入時延，而且可以滿足多用戶同時接入；最后，該系統(tǒng)及方法可使過載網(wǎng)絡(luò)的吞吐量緩慢降低，避免了過載所導(dǎo)致的系統(tǒng)癱瘓，增強了網(wǎng)絡(luò)魯棒性。
文檔編號H04L1/00GK101964694SQ201010292899
公開日2011年2月2日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者和欣, 姚遠, 張曉林, 鮑君海 申請人:北京航空航天大學(xué)