基于频谱态势综合感知的多点集中式抗干扰方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种基于频谱态势综合感知的多点集中式抗干扰方法，该方法彻底解决了无线MESH网络在复杂电磁环境中抗干扰技术三大难题：由非802.11干扰信号导致接收通道阻塞的MESH网络中存在孤立节点问题、由信道扫描导致的业务中断问题以及传统频谱感知方法中额外高成本扫频硬件支持问题，这三大难题使得现有MESH产品不适应于野外复杂电磁环境工作场景，成为MESH产品发展和推广的技术瓶颈。本发明专利技术提出的基于频谱态势综合感知的多点集中式抗干扰技术方案而实现方案简单可行，易于实现和实施，无额外的硬件成本，实现了MESH设备上真正意义上的频谱态势的综合感知能力和集中式的频谱分析决策能力，并且成功应用到MESH设备中，在MESH设备推广应用中取得了显著的性能提升。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及MESH网络领域，更具体地，涉及一种基于频谱态势综合感知的多点集中式抗干扰方法及系统。
技术介绍
基于频谱态势综合感知的多点集中式抗干扰技术的核心是利用感知无线电技术，认知无线电的认知能力(Cognitive CapabiIity)能够使认知无线电与周围环境进行实时交互活动，进而决定适合的通信参数来适应动态环境的无线频谱资源。这些任务要求认知无线电在开放的频谱中自适应运行如图1所示。基于频谱态势综合感知的抗干扰方法的主要解决如下几个问题:频谱感知(Spectrum Sensing)，频谱分析(SpectrumAnalysis)，频谱判决(Spectrum Decis1n)。而频谱感知的频谱检测技术是频谱态势综合感知的抗干扰技术的核心，这里将重点介绍。I)频谱感知 频谱感知的目的是检测在时域和空域上的频谱空穴(Spectrum Hole)，以供认知用户以机会接入方式利用频谱资源。它通过特定的感知算法快速感知出授权用户的出现与退出，在不干扰授权用户正常使用的条件下为认知用户提供可靠的信道使用信息。图2描述了认知无线电是如何利用频谱空穴或空白段(White Space)，也就是暂时没被使用的频谱。如果这一频段被感知到随后将被授权用户占用，那么认知用户要转移到另外一个频谱空穴，这样通过利用频谱感知检测到的频谱空穴就可以实现动态频谱接入(Dynami cSpectrumAccess)ο2)频谱分析 估计通过频谱感知检测发现频谱空穴的特征。包括信道状态信息预测和信道容量估i+o3)频谱判决 认知无线电决定传输数据率，传输模式和传输带宽。然后根据频谱特征和用户需求来选择合适的频带。频谱感知和频谱分析是在接收机中执行的，频谱判决是在发射机中执行的。通过与无线电环境的交互活动，这三项认知任务构成了一个基本的认知圈。在双工通信中，认知圈中的功能应当同时构建在收发机中。一旦认知无线电确定了它运行的频段，通信便可以建立在这个频段之上。然而由于无线电环境不停的变化，认知无线电必须时刻跟踪其变化，并做出相应的调整。国内外已经有很多认知无线电实验平台的研究，但大都采用特定的硬件来完成，成本造价较高。认知无线电系统需要动态地感知外界变化，并动态地调节本身参数，所以频谱感知功能被认为是一项关键技术。但之前人们的很多工作大都集中在频谱感知的理论研究，而认知平台的研究工作相对较少。Harada等人采用了软件无线电(SDR)方式，其能更新自身参数来运行不同的协议。但由于使用了软件无线电，开发周期长，造价也比较昂贵。Mishra等人基于伯克利仿真平台(Berkeley Emulat1n Engine Z)搭建了认知实验平台，但没有考虑物理层感知功能实现的细节。DeGroot等人详细介绍了 Tv频段检测的物理层实现方式，但其实现方式并不简单。Doerr等人通过屏蔽Atheros芯片中部分802.η的功能实现了虚拟软件无线电平台(virtual-SDR)。基于这个平台，他们实现了softMAc ,MutiMAc等实验平台。但此平台只能提供一种MAC层实验平台，并没有认知无线电所需要的物理层感知功能的实现。2-P/SynOp MAC同样屏蔽了802.11硬件功能并创建了一个新的MAC层，但这个平台的目的是为了实现特定的MAC层结构，并不是认知无线电的实验平台，同样缺少物理层的相应功能。Hyoil Kim等人同样采用了Atheros芯片组的802.11设备，但他们着重于实现物理层感知的功能，并没有提出如何搭建一个完整的认知无线电平台。软件无线电(SDR)因其本身的性质可以实现认知无线电平台，但制作这样一个特定的平台价格比较高，目前有一些科学基金资助了一些这样的项目。胡圣波等人提出了一种基于S0C(SyStem on ChiP)的异构可重构认知无线电平台的设计方法，该平台主要实现物理层的功能，其实现复杂度相对较高，并且不包括MAC层以上的性能研究。北京邮电大学杨红兵提出一种简单易行的实验方案，基于普通的802.11无线网卡(Atheros AR5212)来搭建认知无线电实验平台，相对于先前的认知实验平台造价低廉，物理层感知功能的实现比较容易，并且能够提供验证不同MAC层算法的功能，但这种方法不能解决接收通道阻塞的问题，也没有实现整个MESH网络的集中控制。目前MESH网络中还没有一种频谱感知抗干扰的彻底有效的低成本解决方案。我们采用Atheros芯片建立知无线电的MAC层平台，摆脱了传统抗干扰技术中对高成本额外扫频硬件的依赖，首次提出了基于频谱态势综合感知的多点集中式抗干扰技术，该方案简单可行，易于实现和实施，无额外的扫频硬件成本，已经成功应用到输电线路多跳MESH传输网络中，彻底解决了野外复杂电磁环境中的抗干扰问题。
技术实现思路
MESH网络中抗干扰技术中的在野外复杂电磁环境中的推广和应用，需要解决现有抗干扰技术中的三大技术难题: I)由非802.11干扰信号导致接收通道阻塞，使得MESH网络中产生孤立节点问题。2)节点信道扫描和频点设置过程中使得节点间无线链路中断，导致MESH网络无线链路自动恢复过程中产生业务中断问题。3)传统频谱感知方法需要额外的扫频硬件支持。本专利技术为实现以上专利技术目的，采用的技术方案是: 一种基于频谱态势综合感知的多点集中式抗干扰方法，用于使MESH网络中各个节点之间的无线通信链路能够抵御非802.11干扰以及802.11干扰，其中MESH网络中的节点包括汇聚根节点、子节点和中心网管节点，汇聚根节点、子节点的802.11无线协议从下到上划分为PHY层，MAC层和应用层，所述集中式抗干扰方法包括以下步骤: 51.各个汇聚根节点、子节点检测本节点PHY层在单位时间内产生的PHYERR错误的数量，并根据其数量大小划分为不同的干扰等级，每一个干扰等级均对应着一组用于减少PHYERR的PHY层参数集； 52.将汇聚根节点、子节点各自确定的干扰等级对应的PHY层参数集设置至各自的PHY层； 53.再次检测汇聚根节点、子节点各自PHY层在单位时间内产生的PHYERR错误的数量η，并判断是否大于等于k，若是将汇聚根节点、子节点各自对应的干扰等级提高一级并执行步骤S4，否则执行步骤S3; 54.各个汇聚根节点、子节点的判断本节点干扰等级是否达到最大值，若否则执行步骤S3，否则向中心网管节点输出该节点包含有干扰等级信息的非802.11干扰标识； 55.周期性检测汇聚根节点是否处于空闲流量状态，若是则向中心网管节点发送空闲流量状态标识； 56.中心网管节点根据检测到的空闲流量状态标识、非802.11干扰标识和信道扫描周期作为发起信道扫描请求的判决依据:当收到非802.11干扰标识且扫描周期到，或者当所有汇聚根节点的空闲流量状态标识为空闲状态且信道扫描周期到，则通知MESH网络中的汇聚根节点、子节点使用基于功率谱探测的频谱感知算法发起信道扫描，并等待各个汇聚根节点、子节点上报扫描结果； 57.MESH网络中的汇聚根节点、子节点收到信道扫描请求命令后，自动切换至指定的应急信道;各个汇聚根节点、子节点扫描完成后，向中心网管节点上报信道扫描的频谱结果; 58.中心网管节点根据上报的频谱结果采用循环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于频谱态势综合感知的多点集中式抗干扰方法，用于使MESH网络中各个节点之间的无线通信链路能够抵御非802.11干扰以及802.11干扰， 其中MESH网络中的节点包括汇聚根节点、子节点和中心网管节点，汇聚根节点、子节点的802.11无线协议从下到上划分为PHY层，MAC层和应用层，其特征在于：所述集中式抗干扰方法包括以下步骤：S1.各个汇聚根节点、子节点检测本节点PHY层在单位时间内产生的PHYERR错误的数量，并根据其数量大小划分为不同的干扰等级，每一个干扰等级均对应着一组用于减少PHYERR的PHY层参数集；S2.将汇聚根节点、子节点各自确定的干扰等级对应的PHY层参数集设置至各自的PHY层；S3.再次检测汇聚根节点、子节点各自PHY层在单位时间内产生的PHYERR错误的数量n，并判断是否大于等于k，若是将汇聚根节点、子节点各自对应的干扰等级提高一级并执行步骤S4，否则执行步骤S3；S4. 各个汇聚根节点、子节点的判断本节点干扰等级是否达到最大值，若否则执行步骤S3，否则向中心网管节点输出该节点包含有干扰等级信息的非802.11干扰标识；S5.周期性检测汇聚根节点是否处于空闲流量状态，若是则向中心网管节点发送空闲流量状态标识；S6.中心网管节点根据检测到的空闲流量状态标识、非802.11干扰标识和信道扫描周期作为发起信道扫描请求的判决依据：当收到非802.11 干扰标识且扫描周期到，或者当所有汇聚根节点的空闲流量状态标识为空闲状态且信道扫描周期到，则通知MESH网络中的汇聚根节点、子节点使用基于功率谱探测的频谱感知算法发起信道扫描，并等待各个汇聚根节点、子节点上报扫描结果；S7. MESH网络中的汇聚根节点、子节点收到信道扫描请求命令后，自动切换至指定的应急信道；各个汇聚根节点、子节点扫描完成后，向中心网管节点上报信道扫描的频谱结果；S8.中心网管节点根据上报的频谱结果采用循环信道分配方法计算出最佳信道分配方案，并分发最佳信道分配方案到各个汇聚根节点、子节点；S9.各个汇聚根节点、子节点收到最佳信道分配方案后，设置最佳信道分配方案。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曹叠，张永忠，沈勇，李新征，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第七研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44