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CN110518957B - 一种开放无线信道中旁路网络导引方法 - Google Patents

一种开放无线信道中旁路网络导引方法 Download PDF

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CN110518957B CN201910697454.1A CN201910697454A CN110518957B CN 110518957 B CN110518957 B CN 110518957B CN 201910697454 A CN201910697454 A CN 201910697454A CN 110518957 B CN110518957 B CN 110518957B
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Abstract

公开一种开放无线信道中旁路网络导引方法，在开放无线信道中选定一个终端站作为基准，发送一路导引信号，导引信号占用开放无线信道的全部频带或部分频带发送，导引信号在开放无线信道中占用的全部频带或部分频带为导引频带，导引信号功率占导引频带全部功率的比例范围为0.1‰‑5％，导引信号发送时通过扩频码进行扩频，以类噪声的低功率谱信号模式叠加在导引频带内的通信信号上，对接收端信号接收信噪比的影响低于接收端本底热噪声的影响；导引信号为信道中多类型的终端站构建网络和相互通信提供导引、载波与时钟同步、标准定时与指示信息。

Description

一种开放无线信道中旁路网络导引方法
技术领域
本发明涉及无线通信的技术领域，尤其涉及一种开放无线信道中旁路网络导引方法。
背景技术
卫星信道是开放无线信道中的一个重要类别，以下技术说明中以同步卫星通信作为开放无线信道的例证，其他开放无线信道的场景，如地面移动通信网络、电台通信网络、集群通信网络的技术和应用场景以此类推。
在卫星网络中有星状网和网状网两种基本的网络形态。
在星状网中，任意两个终端站之间通信，都需要先与中心站建立前向链路同步和反向链路同步。在同步完成以后，终端站向中心站申请入网，获取中心站认可后才可以加入网络。每次通信过程中，发送端的终端站先将发送的数据经由开放无线信道发往中心站，再通过中心站的中继，经由开放无线信道转发到目的终端站，完成信息的端对端传输，星状网内终端站通信示意图如图1所示。星状网便于进行网络管理，通过设置网络管理站可以对网络进行监控和修改，并且小站(即，非中心站的终端站)与中心站通信的信息速率远大于小站与小站间通信的信息速率，可以大大降低传输时延，但由于每次通信都需要进行两跳操作，增加了路径传播时延，两次占用信道资源，降低了系统工作效能。
在星状卫星网中，各个终端站都从中心站获取同步和指示信息，包括载波同步、时钟同步、时间同步、指示信息获取、信道状态控制、网络管理信息，等等。但这种导引同步和指示信息服务都是星状卫星网的内部或在路信息，与该星状卫星网在技术体制和资源使用上都是紧耦合的，其他卫星网络，即使是分享同一段卫星信道资源，也无法获取和应用这些导引和指示信息。
在网状网中，多个终端站之间可以直接进行组网通信，无需经过某个站的中继，任意两个终端站之间，可以直接建立通信链路，完成通信过程，网状网终端站通信示意图如图2所示。网状网结构便于终端站与终端站之间直接通信，更加灵活，每次通信只占用一次卫星信道资源。在网状网结构中，每次组网通信时也需要预设或制定一个站作为基准站或管理站，充当星状网中卫星中心站的角色，为所有组网的终端站的互联互通提供导引信号和指示信号参照。同样，这种导引同步和指示信息都是该网状卫星网的内部或在路信息，与该网状卫星网在技术体制和资源使用上也是紧耦合的，无法被其他卫星网络获取和应用这些导引和指示信息。
事实上，所有的卫星通信网络或其他开放无线信道互联的网络，都是采用内部或在路信息来提供导引信号和指示信号参照服务。要实现不同类型卫星或其他无线网络的开放互联，首先要能够提供一种独立于各种网络形态和技术体制的旁路的导引信号和指示信号参照服务，实现网络互联互通集成中这一部分同步服务的统一化、标准化、简明化，是无线网络服务的进一步整合和标准化的关键基础技术。
开放无线信道在资源共享基础上支持任意的形态网络。但是，现有技术体制下多种类型的星状网、树状网或网状网有着TDM/FDM、FDMA、TDMA、CDMA等多种技术体制，各种体质互不兼容。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种开放无线信道中旁路网络导引方法，其能够实现网络互联互通集成中导引同步服务，包括载波同步、时钟同步、时间同步、指示信息获取、信道状态控制、网络管理信息服务的统一化、标准化、简明化，是无线网络服务的进一步整合和标准化的关键基础技术。
本发明的技术方案是：这种开放无线信道中旁路网络导引方法，
在开放无线信道中选定一个终端站作为基准，发送一路导引信号，导引信号占用开放无线信道的全部频带或部分频带发送，导引信号在开放无线信道中占用的全部频带或部分频带为导引频带，导引信号功率占导引频带全部功率的比例范围为0.1‰-5％，导引信号发送时通过扩频码进行扩频，以类噪声的低功率谱信号模式叠加在导引频带内的通信信号上，对接收端信号接收信噪比的影响低于接收端本底热噪声的影响；
导引信号为信道中多类型的终端站构建网络和相互通信提供导引、载波与时钟同步、标准定时与指示信息。
本发明在开放无线信道的数据信号载波上，叠加一个旁路的网络导引信号，导引信号功率占导引频带总功率的0.1‰-5％，该参数的选择应保证导引信号的功率远远低于其余信号，不对数据信号载波的传输和接收造成影响。同时，导引信号能够被所有终端站可靠接收，提供高质量的同步和定时信息，其他数据信号不必在业务数据中额外插入冗余的同步导引和信道状态测量数据，降低每个通信过程的复杂度，提高传输效率和可靠性；导引信号发送时通过扩频码进行扩频，以类噪声的低功率谱信号模式叠加在导引频带内的通信信号上，对接收端信号接收信噪比的影响远低于接收端本底热噪声的影响；导引信号具有扩频信号的抗干扰特性，在导引频带被其他信号功率完全占用的条件下也能保证信道内各接收端的可靠接收，为信道中多类型的终端站构建网络和相互通信提供导引、载波与时钟同步、标准定时与指示信息。因此，本发明能够实现网络互联互通集成中导引同步服务，包括载波同步、时钟同步、时间同步、指示信息获取、信道状态控制、网络管理信息服务的统一化、标准化、简明化，是无线网络服务的进一步整合和标准化的关键基础技术。
附图说明
图1示出了星状网终端站通信示意图。
图2示出了网状网终端站通信示意图。
图3示出了根据本发明的一个优选实施例的导频帧结构的示意图。
图4示出了根据本发明的终端站的导引信号的传输示意图，其中导引信号不包括指示信息数据体。
图5示出了根据本发明的终端站的导引信号的传输示意图，其中导引信号包括指示信息数据体。
具体实施方式
这种开放无线信道中旁路网络导引方法，
在开放无线信道中选定一个终端站作为基准，发送一路导引信号，导引信号占用开放无线信道的全部频带或部分频带发送，导引信号在开放无线信道中占用的全部频带或部分频带为导引频带，导引信号功率占导引频带全部功率的比例范围为0.1‰-5％，导引信号发送时通过扩频码进行扩频，以类噪声的低功率谱信号模式叠加在导引频带内的通信信号上，对接收端信号接收信噪比的影响低于接收端本底热噪声的影响；
导引信号为信道中多类型的终端站构建网络和相互通信提供导引、载波与时钟同步、标准定时与指示信息。
本发明在开放无线信道的数据信号载波上，叠加一个旁路的网络导引信号，导引信号功率占导引频带总功率的0.1‰-5％，该参数的选择应保证导引信号的功率远远低于其余信号，不对数据信号载波的传输和接收造成影响。同时，导引信号能够被所有终端站可靠接收，提供高质量的同步和定时信息，其他数据信号不必在业务数据中额外插入冗余的同步导引和信道状态测量数据，降低每个通信过程的复杂度，提高传输效率和可靠性；导引信号发送时通过扩频码进行扩频，以类噪声的低功率谱信号模式叠加在导引频带内的通信信号上，对接收端信号接收信噪比的影响远低于接收端本底热噪声的影响；导引信号具有扩频信号的抗干扰特性，在导引频带被其他信号功率完全占用的条件下也能保证信道内各接收端的可靠接收，为信道中多类型的终端站构建网络和相互通信提供导引、载波与时钟同步、标准定时与指示信息。因此，本发明能够实现网络互联互通集成中导引同步服务，包括载波同步、时钟同步、时间同步、指示信息获取、信道状态控制、网络管理信息服务的统一化、标准化、简明化，是无线网络服务的进一步整合和标准化的关键基础技术。
优选地，如图3所示，所述导引信号包括：所述导引信号包括：帧头、帧序号(ID)和指示信息数据体(Data Frame)；帧头包括同步头(Header)、导频(Pilot)，同步头用于导引信号帧定时及载波恢复，导频字段用于消除导引信号帧的频偏；帧序号字段是对导引信号帧循环顺序的标识；指示信息数据体字段承载指示信息，用于指示信道、网络状态和管理信息；
各终端站对该导引信号进行解调接收，提取出载波、时钟信息，根据导引信号中的指示信息对发送导引信息的基准站进行鉴别并完成其他指示信息的接收。图4示出了根据本发明的终端站的导引信号的传输示意图，其中导引信号包括数据体。图5示出了根据本发明的终端站的导引信号的传输示意图，其中导引信号包括指示信息数据体。
更进一步地，所述导引信号采用二进制相移键控BPSK方式循环调制，连续不断或间隙有规律的保持发送。这样能够使网络内所有终端站都可以接收到导引信号。
更进一步地，所述同步头的长度在16～1024bit；导频字段为全0字段，长度在30bit以上；帧序号字段长度在对导引信号的循环顺序标识；指示信息数据体字段的长度在0～65516bit。
例如，一种导引信号格式中，同步头为长度64位的差分m序列(m序列是CDMA系统中采用的最基本的PN序列，是最长线性反馈移位寄存器序列的简称)，导频字段为长度520位的全“0”序列，帧序号为8位序号，用来表示(0～255)，数据体使用1008位长度、1/2码率的LDPC编码进行信道编码；
另一种导引信号格式中，同步头为长度32位的差分Gold码，导频为长度200位的全“0”序列，帧序号为10位序号，用来表示(0～1023)，数据体使用1008长度、1/4码率的LDPC编码进行信道编码；
另一种导引信号格式中，同步头为长度16位的差分m序列，导频为长度100位的全“0”序列，帧序号为12位序号，用来表示(0～4095)，数据体使用512长度的Turbo编码进行信道编码。
更进一步地，导引信号中时钟同步的精准度是以该导引信号作为时钟基准的基本识别单位，通过在导引信号中采用固定信号帧长、稳定的发送周期和在信号帧中标识帧序号，作为该开放无线信道中的长时段时钟基准。终端站连续或间隙接收导引信号，根据帧序号可以对接收导引信号中的每一帧进行区分，作为导引信号，每一帧的长度固定，每一帧的信息速率固定，因此每一帧所代表的时间也固定，因此终端站可以通过导引信号帧之间的间隔来确定时间间隔，将信号帧之间的间隔(即，信号帧周期)作为时钟的基本单位，通过不同序号帧之间的时间差来完成时间标定，如果前后两帧时间间隔计数不等于导引信号帧周期，终端时钟需要进行调整。
更进一步地，可以选择信号帧的长度为一些标称的整数值，如50ms、100ms、200ms，作为系统时钟的基本周期单位，便于使用和与应用衔接。
优选地，通过使用长度为64～65536bit的扩频码进行扩频通信。在扩频码长度64～65536bit的范围中选择64～4096bit的扩频码进行扩频通信。扩频码最佳使用范围在1024～4096，在这个范围内，扩频通信中频谱扩展的效果最佳。此处的扩频码是针对数据体的。
更进一步地，扩频码采用m序列(m sequence)、Gold码(Gold码是由m序列派生出的一种伪随机码，它具有类似于m序列具有的伪随机性质，但其长度不同序列的数目比m序列多)、OVSF码(正交可变扩频因子，Orthogonal Variable Spreading Factor。OVSF码主要用于正交扩频。业务信道的速率不同，使用的OVSF码的长度也不同)或C/A码(粗捕获码，Coarse Acquisition Code。GPS卫星发出的一种伪随机码，用于粗测距和捕获GPS卫星，其实是一种Gold码，即由2个10级反馈移位寄存器构成的G码产生)。
优选地，导引信号同步头采用差分m序列；首先生成m序列，然后对m序列进行差分编码，消除频偏的影响，将差分编码以后的序列作为同步头。此处的扩频方法是针对导引信号的同步头。
更进一步地，所述扩频码序列采用了长度为12～1024bit的m序列作为基本时间序列。更好地，扩频码采用了长度为12～128bit的m序列作为基本时间序列。采用长度为64bit的差分m序列作为导引信号同步头，快速同步捕获性能最佳。
更进一步地，在导引信号帧的指示信息数据体中加入指示信息，指示信息包括：导引帧序号、信道资源分配信息、终端站入网信息、终端站工作状态信息、开放无线信道状态监测信息、网络管理信息、业务信息、安全提示信息。在数据体中加入指示信息，可以让导引信号在实现时钟精确同步之外，拥有网络管理的能力，网络管理中心站可以通过在数据体中加入指示信息，通过导引信号进行全网广播，全网内用户站接收到以后，可以得到来自网络管理中心站的指示信息，从而可以达到网络信息同步、网络资源管理调度、网络状态感知的能力。
更进一步地，采用信道编码来对指示信息进行编码，信道编码采用LDPC(Low-density Parity-check，低密度奇偶校验)编码、Polar编码(极化码)、RS编码(Reed-Solomon codes，里德-所罗门码)、卷积码或Turbo码(又称为并行级联卷积码)。使用信道编码对数据体进行编码再进行传输，可以在导引信号的接收方显著提高数据体的接收信噪比，改善接收性能，让数据体在非最佳工作状态时也能正常接收，提高整个系统的鲁棒性。
更进一步地，在设定的开放无线信道中，终端站开机后先监听该导引信号并在其导引下同步入网，如果在一定时间限度内没有接收到该导引信号，该终端站可以视自身为设定的开放无线信道中组网通信的第一个发起者，开始导引信号的发送，成为当前开放无线信道中的基准站。这样，当网络中有基准站时，用户站接受基准站发送导引信号的导引加入该网络；如果导引信号中断达到一定时间限度后，信道中的其他终端站可以按照预设的规则选出或自举出一个终端站开始发送导引信号而成为新的基准站站，这样就能够避免因为基准站故障后整个网络瘫痪的情况发生。
优选地，在有中继转发节点的开放无线信道中，通过基准站对导引信号进行自发自收，可以测定基准站与共享中继转发节点之间当前的距离，通过持续测定距离，可以在基准站和接收终端站移动的情况下测定两者间距离的变化。
在基准站持续发送导引信号的过程中，同步卫星会围绕着它在同步轨道上的定位点不断周期移动，相对于星下点呈现“8”字轨迹移动，因此卫星与基准站之间的距离不断发生变化，导致导引信号的路径时延会不断变化。在基准站观察，卫星的移动呈现一定的规律性，都是由远到近再由近到远地进行变化，因此路径时延的变化也呈现一定的规律性。
在基准站，通过自发自收导引信号，发送到卫星的链路路径时延变化和接收到来自卫星信号的链路路径时延变化一致，因此在导引信号接收端和导引信号发送端之间的相位时延等效于双倍的星地路径时延变化，因此当扩频通信的接收机，探测到最大相关峰向某个方向移动，即可在跟踪最大相关峰的同时，得到相位时延，相位时延的一半即为路径时延，路径时延乘以光速即可得到卫星与基准站之间的绝对距离变化。
优选地，在共享中继转发节点的开放无线信道中，设定3个地理位置固定且预知的不同的基准站，分别发送三路独立的导引信号并分别对导引信号进行自发自收，以便同时测定3个基准站与共享中继转发节点之间当前的距离，进而测算出当前共享中继转发节点的空间位置，持续测定共享中继转发节点的空间位置，从而在共享中继转发节点移动的情况下测定共享中继转发节点位置的变化。
优选地，通过导引信号接收测算出导引信号在基准站到接收终端站之间传输的时间差，得到基准站和接收终端站之间当前的绝对距离，通过持续测定距离，可以在基准站和接收终端站移动的情况下测定两者间距离的变化。
优选地，在共享中继转发节点的开放无线信道中，可以依托所述的导引信号测定基准站和终端站间距离、共享中继转发节点位置，在基准站位置已知的情况下，可以测算终端站到共享中继转发节点的距离，如果共享中继转发节点是移动的，在共享中继转发节点处于三个不同的位置时测定终端站到共享中继转发节点的距离，就可以实现对终端站地理位置的定位。如果共享中继转发节点是周期运动并可以测定的，就可以用所述的导引信号和共享中继转发节点的周期运动轨道信息对终端站位置进行持续测定。
优选地，终端站通过连续接收所述导引信号，并通过记录所述导引信号中定长帧的位置和数目来标定、计算时间，达到各终端站与基准站的时钟精准实时同步，从而实现全网时钟精准实时同步。
优选地，对于实时性要求精度不高的系统，所述导引信号间隙发送，并在所述导引信号中加入绝对时间信息，接收终端站通过间隙接收所述导引信号，达到各终端站与基准站授时同步，从而实现全网时钟准同步。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (18)

1.一种开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：
在开放无线信道中选定一个终端站作为基准，发送一路导引信号，导引信号占用开放无线信道的全部频带或部分频带发送，导引信号在开放无线信道中占用的全部频带或部分频带为导引频带，导引信号功率占导引频带全部功率的比例范围为0.1‰-5％，导引信号发送时通过扩频码进行扩频，以类噪声的低功率谱信号模式叠加在导引频带内的通信信号上，对接收端信号接收信噪比的影响低于接收端本底热噪声的影响；
导引信号为信道中多类型的终端站构建网络和相互通信提供导引、载波与时钟同步、标准定时与指示信息。
2.根据权利要求1所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：所述导引信号包括：帧头、帧序号和指示信息数据体；帧头包括同步头、导频，同步头用于导引信号帧定时及载波恢复，导频字段用于消除导引信号帧的频偏；帧序号字段是对导引信号帧循环顺序的标识；指示信息数据体字段承载指示信息，用于指示信道、网络状态和管理信息；
各终端站对该导引信号进行解调接收，提取出载波、时钟信息，根据导引信号中的指示信息对发送导引信息的基准站进行鉴别并完成其他指示信息的接收。
3.根据权利要求2所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：所述导引信号采用二进制相移键控BPSK方式循环调制。
4.根据权利要求3所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：所述同步头的长度在16～1024bit；导频字段为全0字段，长度在30bit以上；帧序号字段长度在对导引信号的循环顺序标识；指示信息数据体字段的长度在0～65516bit。
5.根据权利要求4所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：导引信号中时钟同步的精准度是以该导引信号作为时钟基准的基本识别单位，通过在导引信号中采用固定信号帧长、稳定的发送周期和在信号帧中标识帧序号，作为该开放无线信道中的长时段时钟基准。
6.根据权利要求1-5任一项所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：通过使用长度为64～65536bit的扩频码进行扩频通信。
7.根据权利要求6所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：扩频码采用m序列、Gold码、OVSF码或C/A码。
8.根据权利要求1-5任一项所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：导引信号同步头采用差分m序列；首先生成扩频码序列，然后对扩频码序列进行差分编码，消除频偏的影响，将差分编码以后的序列作为同步头。
9.根据权利要求8所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：所述扩频码序列采用了长度为12～1024bit的m序列作为基本时间序列。
10.根据权利要求9所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：在导引信号帧的指示信息数据体中加入指示信息，指示信息包括：导引帧序号、信道资源分配信息、终端站入网信息、终端站工作状态信息、开放无线信道状态监测信息、网络管理信息、业务信息、安全提示信息。
11.根据权利要求10所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：采用信道编码来对指示信息数据体进行信道编码，信道编码采用LDPC编码、Polar编码、RS编码、卷积码或Turbo码。
12.根据权利要求11所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：在设定的开放无线信道中，终端站开机后先监听该导引信号并在其导引下同步入网，如果在一定时间限度内没有接收到该导引信号，该终端站可以视自身为设定的开放无线信道中组网通信的第一个发起者，开始导引信号的发送，成为当前开放无线信道中的基准站。
13.根据权利要求12所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：在有中继转发节点的开放无线信道中，通过基准站对导引信号进行自发自收，可以测定基准站与共享中继转发节点之间当前的距离，通过持续测定距离，可以在基准站和接收终端站移动的情况下测定两者间距离的变化。
14.根据权利要求12所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：在共享中继转发节点的开放无线信道中，设定3个地理位置固定且预知的不同的基准站，分别发送三路独立的导引信号并分别对导引信号进行自发自收，以便同时测定3个基准站与共享中继转发节点之间当前的距离，进而测算出当前共享中继转发节点的空间位置，持续测定共享中继转发节点的空间位置，从而在共享中继转发节点移动的情况下测定共享中继转发节点位置的变化。
15.根据权利要求14所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：通过导引信号接收测算出导引信号在基准站到接收终端站之间传输的时间差，得到基准站和接收终端站之间当前的绝对距离，通过持续测定距离，在基准站和接收终端站移动的情况下测定两者间距离的变化。
16.根据权利要求15所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：在共享中继转发节点的开放无线信道中，依托所述的导引信号测定基准站和终端站间距离、共享中继转发节点位置，在基准站位置已知的情况下，测算终端站到共享中继转发节点的距离，如果共享中继转发节点是移动的，在共享中继转发节点处于三个不同的位置时测定终端站到共享中继转发节点的距离，从而实现对终端站地理位置的定位；如果共享中继转发节点是周期运动并可以测定的，通过所述的导引信号和共享中继转发节点的周期运动轨道信息对终端站位置进行持续测定。
17.根据权利要求5所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：终端站通过连续接收所述导引信号，并通过记录所述导引信号中定长帧的位置和数目来标定、计算时间，达到各终端站与基准站的时钟精准实时同步，从而实现全网时钟精准实时同步。
18.根据权利要求5所述的开放无线信道中旁路网络导引方法，其特征在于：对于实时性要求精度不高的系统，所述导引信号间隙发送，并在所述导引信号中加入绝对时间信息，接收终端站通过间隙接收所述导引信号，达到各终端站与基准站授时同步，从而实现全网时钟准同步。
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