短波非对称建链通信方法、装置和设备与流程
短波非对称建链通信方法、装置和设备与流程
本发明涉及通信，更具体地，涉及一种短波非对称建链通信方法、装置和设备。
背景技术
短波天波通信窗口随电离层的变化（时间）而变化，因此在数据传输前对通信效果进行动态评估，自动选择最优频点建立链接的建链技术成为短波电台的标配，而建链（automatic link establishment, ale）性能也近似决定了短波通信的效能。为应对天波传输中复杂时变色散信道及各种干扰，国内外短波通信专家们针对短波通信的波形性能、抗干扰性、配合数据传输效能等方面开展了大量的研究工作。1988年，美军发布了第二代短波自动链路建立技术 (2g-ale) 标准mil-std-188-141a，很好的解决了80～90年代以话音通信为主，对数据通信要求不高的需求，但2g-ale采用8fsk调制的异步建链方式，其所需建链时间较长，抗干扰能力较弱；其次，2g-ale建链比低速数据传输波形的信噪比高，导致低速数据传输可通情况下，却因不能建链而无法通信等问题。1999年，美军发布了第三代短波自动链路建立技术(3g-ale)标准mil-std-188-141b，具有鲁棒建链和快速建链两种方式，并增加同步机制，加快了链路建立速度，降低了建链信噪比要求。2017年，美军发布了支持宽带通信的第四代短波自动链路建立技术(4g-ale)标准mil-std-188-141d，仍采用鲁棒建链和快速建链两种方式，具有同步和异步两种机制，新增了频谱感知技术在优选频率上可变信道及信号带宽。
但是现有技术在短波建链过程中，采用同步或异步的建链模式，无论鲁棒波形，还是快速波形建链，都是同一信道下成对使用，即用鲁棒波形询问就在同一频率上用鲁棒波形应答，用快速波形询问就在同一频率上用快速波形应答。由于建链过程持续时间长，被识别截获概率高，且其两次波形相同，被干扰概率高。针对短波建链过程中同/异步、鲁棒/快速配对使用的方式在实际使用环境下的不适应性，亟需一种异步快速建链方式，能够支持在优选频率上可变信道及信号带宽，避免频谱冲突、又可降低建网时间，从而实现低检测概率、提升抗干扰的效果。
技术实现思路
本发明旨在克服现有技术中的至少一种缺陷，提供一种短波非对称建链通信方法、装置和设备，用于解决该情况下低时延扩展信道的识别和补偿泄露的能量，修正时延扩展估计值的问题。
本发明采取的技术方法是，一种短波非对称建链通信方法，包括以下步骤：
步骤s100：主呼方和被呼方约定同步或异步的建链模式和频率集；
步骤s200： 主呼方发送鲁棒波形的建链请求；
步骤s300：被呼方接收建链请求，根据接收信号的信噪比和多普勒扩展，选择鲁棒波形或快速波形发送建链应答；
步骤s400：主呼方接收建链应答，发送数据；
步骤s500：被呼方接收数据，发送数据应答；
步骤s600：主呼方发送波形与建链应答波形一致的交互询问；
步骤s700：被呼方接收交互询问，发送波形与交互询问波形一致的交互应答。
同步建链是收发双方在一组约定好的频率集上始终保持相同变化，异步建链是收发双发在一组约定好的频率集上。建链请求通常为鲁棒波形，是因为鲁棒波形相较于快速波形具有更好的抗干扰能力，使信号更稳定，能提高建链的成功率。根据接收信号的信噪比和多普勒扩展，自主选择鲁棒波形或快速波形发送建链应答，使用快速波形应答能够提高传输的速率，减少交互时间，使用鲁棒波形能够在信道环境较差的时候更好地抗干扰，信号更稳定。
同步建链过程中，鲁棒波形和快速波形的帧结构均由起控电平、一个前导序列和数段段组成，鲁棒波形的持续时间为1100ms
1300ms，快速波形的持续时间约400ms600ms，起控电平用于确保信号的稳定起始，前导序列则用于同步和信道估计，而多个数据段则承载着实际的通信信息。鲁棒波形由于较长的持续时间，能够提供更好的抗干扰性能和更远的通信距离，适用于需要高可靠性和稳定性的通信场景；快速波形凭借较短的持续时间，能够更快地建立通信链路，减少时延，适用于对实时性要求较高的通信场景。为了合理分配前导序列，异步建链过程中，鲁棒波形和快速波形的帧结构均由起控电平、多个前导序列和数段段组成，建链询问时，前导序列的数量的计算如下：
n表示前导序列的数量，t为波形的持续时间，f为频率集数，r为前导序列；建链应答时，前导序列的数量为1。确保了在不同波形持续时间和频率集数量下，前导序列的数量能够得到合理且有效的分配。而在建链应答阶段，为了简化通信流程和提高响应速度，前导序列的数量被固定为1。
所述步骤s200的发送建链请求除了发送鲁棒波形外，还包括在已知链路通联和位置信息的情况下采用快速波形发送建链请求。例如，提前获知收发双方位置处于海面地波通信，使用快速波形建链询问，在链路通联状态稳定且位置信息明确的情况下，采用快速波形能够显著减少建链请求的时延，提高通信效率。
所述步骤s300中根据接收信号的信噪比和多普勒扩展，自主选择鲁棒波形或者快速波形发送建链应答具体为，
（1）当信噪比大于3db时，使用快速波形应答；
（2）当信噪比小于0db时，使用鲁棒波形应答；
（3）当0≤信噪比≤3db时，若多普勒扩展ds≤0.1时，使用快速波形应答；
（4）当0≤信噪比≤3db时，若多普勒扩展ds＞0.1时，使用鲁棒波形应答。
当接收信号的信噪比高于3db时，表明信道条件良好，选用快速波形进行应答，因为快速波形具有高速传输的特性，能够提高通信效率；当接收信号的信噪比低于0db时，信道条件较差，选用鲁棒波形进行应答，以确保通信的可靠性和稳定性；对于信噪比在0db至3db之间的中等信道条件，添加多普勒扩展作为选择条件，若多普勒扩展ds小于或等于0.1，表明信道相对稳定，系统因此选择使用快速波形进行应答，以平衡通信效率和可靠性；若多普勒扩展ds大于0.1，则表明信道存在较大的动态变化，系统则选择使用鲁棒波形进行应答，以应对信道的不稳定性，确保通信的成功建立。
所述步骤s300的发送建链应答，当建链应答的波形为快速波形时，后续未拆链的数据交互过程均采用快速波形发送询问和应答；当建链应答波形为鲁棒波形时，后续未拆链的数据交互过程均采用鲁棒波形发送询问和应答。当信道条件较好时，选择快速波形作为建链应答波形，能够快速且准确地传输数据，在后续的数据交互过程中，若未拆链，则沿用快速波形进行数据交互，充分利用其高速传输的特性，提高通信效率和实时性；若信道条件较为复杂或者存在干扰，采用更可靠的鲁棒波形来确保数据的完整性，因此，在后续的未拆链的数据交互过程中，沿用鲁棒波形进行数据交互，以应对可能的信道不稳定性和干扰，确保通信的可靠性和稳定性。
在恶劣的电磁环境下，即便是使用鲁棒波形也无法建链的情况下，还包括中继组网建链，所述中继组网建链包括源节点建链和中继节点建链，所述源节点建链为从源节点向中继节点建链，所述中继节点建链为从中继节点向目的节点建链，在所述中继节点建链之前还需经过频谱感知，获取中继节点的建链频率。由于在源节点使用鲁棒建链也不能和目的节点建链，因此中继节点建链询问与源节点的建链询问使用不同频率点，且使用快速呼叫以实现信号的低检测概率。
所述中继组网的建链过程，具体为，从源节点向中继节点发送鲁棒波形的建链请求，中继节点向源节点发送快速波形的建链应答，源节点建链成功后，经频谱感知找到中继节点的建链频率，中继节点向目的节点发送快速波形的建链请求，目的节点向中继节点发送快速波形的建链应答。由于鲁棒波形在复杂信道环境中具有较强的抗干扰能力和稳定性，在已知信道环境恶劣的情况下，采用鲁棒波形发送建链请求，能够增加建链请求送达中继节点的成功率。中继节点在接收到源节点的建链请求后，会立即向源节点发送一个快速波形的建链应答，快速波形传输速度快、时延小，能够提高了建链应答的实时性，加快整个建链过程的进程。在源节点成功与中继节点建立通信链路后，中继节点会进行频谱感知，频谱感知作为中继组网建链过程中的关键环节，用于实时获取当前信道的使用情况，进而选择出最佳的建链频率，以避免与其他通信系统的频率冲突，确保通信的稳定性和安全性。最后，中继节点在成功获取建链频率后，会向目的节点发送一个采用快速波形的建链请求。目的节点在接收到中继节点的建链请求后，会立即向中继节点发送一个同样采用快速波形的建链应答。至此，中继组网建链过程全部完成，源节点与目的节点之间通过中继节点实现了稳定的数据传输。
一种短波非对称建链通信装置，基于上述的短波非对称建链通信方法构建，包括以下模块：
约定模块，主呼方和被呼方约定同步或异步的建链模式和频率集；
建链模块，主呼方发送鲁棒波形的建链请求；被呼方接收建链请求，根据接收信号的信噪比和多普勒扩展，自主选择鲁棒波形或快速波形发送建链应答；
数据收发模块，主呼方接收建链应答，发送数据；被呼方接收数据，发送数据应答；
交互模块，主呼方发送波形与建链应答波形一致的交互询问；被呼方接收交互询问，发送波形与交互询问波形一致的交互应答。
一种通信设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述的短波非对称建链通信方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
- 非对称波形建链技术
在同/异步建链使用鲁棒波形询问时，被呼方可以根据接收信号质量情况，可以使用鲁棒波形应答，也可以使用快速波形应答。为抗恶意干扰，鲁棒波形和快速波形的前导序列不一致，即干扰方不能仅通过检测到发起方的建链询问后采用录放攻击，导致建链应答的无法正确识别接收；
- 增强中继协同组网抗干扰性
通常中继协同组网都是在恶劣电磁环境下，即源节点使用鲁棒建链也不能和目的节点建链，相对基于对称建链的中继协同组网仅采用更换建链频率方式，本发明的非对称组网方式增强了网络的抗干扰能力；
- 对传统建链方式的兼容性
鲁棒波形的设计与传统3g ale、4g ale建链波形的前导序列、编解码方式相同，在接收过程中仅需解两次不同长度的报文，通过验证crc校验位的方式的判断波形，因此可以直接兼容传统波形。