一種跳頻式wifi系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開的跳頻式WIFI系統包括射頻前端、WIFI信號處理單元、跳頻單元和跳頻同步單元。跳頻單元包括第一混頻器、第二混頻器和射頻信號源，跳頻同步單元包括功率分配器、功率合成器、同步信息收發器、跳頻同步控制器、本地時間基準和北斗接收機。本發明能避免局域組網系統在集群整體移動通訊模式下，整體移動的局域設備與本地固定組網設備之間的突發遭遇引起的相互干擾。并在一定程度上拓展了WIFI系統的可用通信頻道，使局域組網系統具有更強的通信能力。當使用北斗系統的定位功能時，還能實現三維空間模式的頻譜資源智能分配，相比傳統二維蜂窩平面分配方式，本發明能顯著提高WIFI系統的頻譜資源使用效率。
【專利說明】_種跳頻式WIFI系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種通訊系統，特別涉及一種跳頻式WIFI系統。
【背景技術】
[0002]當前，無線移動設備日益普及，但由于頻譜資源的稀缺，頻道使用已非常緊張，WIFI系統是非常典型的無線通訊網絡，智能手機、電腦等移動設備一般都具有WIFI無線通訊功能。現有的WIFI移動通訊網絡主要由固定頻道的地面接入點及移動設備等構成。地面接入點相互之間有空間距離，并按一定的規則使用不同頻率，形成同頻通訊區域網格，蜂窩網格就是一種典型結構，由于頻率不同，地面各網格接入點之間互不干擾。移動設備在具有地面接入點的區域中移動，自由切換頻道并實現移動通訊。WIFI移動通訊就是考慮這樣的一個移動過程，目前這種移動通訊技術已很成熟。但是，隨著移動通訊的廣泛使用，移動網絡中的移動設備常常不再是一個單獨的設備，它可能是一個通訊集群網絡的整體移動，這將帶來新的問題。其中，通訊頻道的沖突和干擾是最突出的問題之一。
[0003]WIFI的通訊協議是基于IEEE 802.11系列協議，根據IEEE 802.11系列協議，當它建立起通訊后工作信道就固定了，工作的頻率范圍就固定下來，這些局域內的移動設備都會有相同的工作頻率，IEEE 802.11協議定義了 WIFI跳頻，但只是在這個信道中的小范圍內跳頻，不能實現跨信道的跳頻。這里發生頻率沖突的情況是這樣的一個過程:當局域系統組網后，可移動接入設備和可移動的無線節點就組成一個可整體移動的局域網絡，它整體移動時常常會與地面固定局域網遭遇，由于工作原理是相同的，做整體移動的局域網系統就難免會與本地網絡在使用頻道上發生沖突，從而產生相互干擾。WIFI系統本身有一種避讓機制，可使相同頻道上的移動設備之間相互避讓保證通訊能正常進行，但在這種情況下由于相同信道上移動設備數量的突然增加，WIFI系統通訊速率會明顯下降。另外一種情景是，這個可移動網絡本身的接入設備數量已經很大，地面固定網絡接入設備數量也很大，一旦相遇，在相同信道上總設備數就會突然增加到超過通訊協議允許的最大容限，其結果是導致WIFI通信阻塞或者癱瘓，這時無論是可移動局域網絡還是地面固定局域網絡都無法建立起有效通訊。
[0004]例如，我國高速列車上已逐步地開通了 WIFI服務，甚至在飛機上也逐步地提供了WIFI服務。在這些服務中，列車上的接入點(可移動的路由節點)和飛機上的接入點(可移動的路由節點)以及接入這些接入點的移動設備在工作信道是一樣的，并跟隨列車和飛機一起移動。當列車或飛機進站或者途徑一些具有WIFI系統的場所時，難免與站內或者途徑區域內現有的WIFI系統在頻率上發生沖突，從而產生相互的干擾。目前的基本解決辦法是:固定WIFI系統工作信道，讓它成為專門頻段，但這樣做有明顯的缺點，因為WIFI工作的頻段是自由頻段并沒有規定某個頻道只能專門使用，不可能做到保留。另外一個辦法是控制移動WIFI的通訊范圍，即限制WIFI系統的通訊距離。限制通訊距離這大概是目前最好的解決辦法，然而這只是在一定程度上解決問題。隨著未來移動設備的增加，接入點遍布各地，像汽車等這種大眾化交通工具也逐漸配置了 WIFI系統，一個汽車車隊可能要組建局域網一起移動并相互通訊，近年也有報道將在公交汽車上開通WIFI服務，顯然在日益復雜的通訊形勢下，固定頻道和限制通訊距離范圍的解決辦法就顯得非常困難。
【發明內容】
[0005]針對上述技術問題，本發明提供一種跳頻式WIFI系統，以避免局域組網系統在集群整體移動通訊模式下遭遇本地固定網時的相互干擾。本發明能實現WIFI系統的跨信道跳頻，解決頻率沖突的問題。
[0006]為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是:一種跳頻式WIFI系統，其包括一用于接收和發送無線信號的射頻前端和一用于對信號進行調制與解調的WIFI信號處理單元，其特征在于:所述跳頻式WIFI系統還包括一跳頻單元以及一跳頻同步單元，所述跳頻單元包括第一混頻器、第二混頻器和射頻信號源；所述跳頻同步單元包括功率分配器、功率合成器、同步信息收發器、跳頻同步控制器以及本地時間基準；所述射頻前端的低噪聲放大器LAN經第一混頻器與功率分配器的輸入端連接，所述功率分配器的輸出端分為兩路，其中第一路與所述WIFI信號處理單元的輸入端連接，第二路與所述同步信號收發器的輸入端連接；所述跳頻同步控制器與所述WIFI信號處理單元雙向連接，所述WIFI信號處理單元的輸出端與所述功率合成器的一個輸入端連接，所述跳頻同步控制器的一個輸出端經所述同步信息收發器與功率合成器的另一個輸入端連接，所述功率合成器的輸出端經所述第二混頻器與射頻前端的功率放大器PA的輸入端連接，所述跳頻同步控制器的兩個輸出端經所述頻率合成器分別與所述第一混頻器、第二混頻器的一個輸入端連接；所述本地時間基準為跳頻同步控制器提供時鐘。
[0007]所述射頻前端包括一用于接收信號且與所述第一混頻器信號輸入端連接的低噪聲放大器LAN，以及一用于發送信號且與所述第二混頻器連接信號輸出端的功率放大器PA0
[0008]所述WIFI信號處理單元上設有有線通信接口。
[0009]所述跳頻同步單元還包括北斗接收機，所述北斗接收機與跳頻同步控制器雙向連接。
[0010]所述頻率合成器包括直接數字式頻率合成器DDS和鎖相環式頻率合成器PLL。
[0011]本發明由于采用以上技術方案，其達到的技術效果為:1、具有常規WIFI的功能，又具有常規WIFI不能實現的跨信道，寬廣頻率范圍跳頻功能。本系統不修改基本WIFI通信協議，結構上是在原有的WIFI系統中增加跳頻單元和跳頻同步單元實現。因此，能兼容常規WIFI，具有常規WIFI系統的功能。由于具有跨信道跳頻功能，本發明可實現局域組網系統整體移動時自動選擇當地空閑信道的能力，避免頻道使用沖突。當多個整體移動的系統相遇時，還可利用北斗系統的定位功能實現依據地理位置信息規避不同集群系統相遇同時搶占空閑信道的可能，使WIFI移動通信組網更加合理、有序。2、本發明實現的局域組網系統具有獨立性和整體性，易于通信控制與新功能開發。系統采用接入點控制接入設備的工作信道，使組網設備具有獨立性和局域整體性，因而更加適合局域組網和移動通訊，在開發更新型組網功能方面也具有較大潛力。3、拓展了 WIFI工作頻段，目前WIFI系統主要工作在2.4GHz和5GHz頻段，而本發明提供的跳頻式WIFI系統，可以在其它頻段工作，例如ISM自由頻段的315MHz、433MHz、915MHz頻段等，在頻譜資源非常有限的情況下，盡量提高頻譜資源的利用率可能是最有效和最實用的做法。4、提高了局域系統的信息保密性和區域頻譜使用效率。現有WIFI系統是基于固定信道的通信系統，一旦建立起網絡通信，頻率范圍就固定了，在物理連接上不具有保密性。本發明提供的跳頻式WIFI系統，可以跨信道跳頻。由于頻率可以實時改變，在局域通信時可以利用局域網自定義的跳頻圖譜工作，使網絡黑客難于直接利用和接入，在信息保密上更安全。本系統采用了北斗系統，利用北斗系統不斷提升的功能還能使本發明實現更先進的新型通信模式。例如，使用北斗系統的精確定位功能，可使每個局域網的工作頻率按地理位置坐標進行有效分配，WIFI資源不再是人為去調整各自的工作頻段，可節省大量人力物力。這種位置信息可以是平面上的，也可以是立體空間上的分配，比如高層建筑、山脈上的WIFI系統可以根據海報高度和水平坐標位置來劃分各自的工作頻段，使各接入點之間互不干擾，更加科學地分配頻譜資源。這也是對傳統平面蜂窩形式的工作頻率分配的一種創新。立體三維模式的頻譜資源規劃，比平面二維方式的規劃更全面、更科學。5、較低的實現成本，易于推廣和應用。本發明提供的跳頻式WIFI系統采用現行WIFI通訊體制結構，由于WIFI通訊已很完善、穩定、成本低廉，已得到了全球公認，加上我國大力推進北斗系統建設，其成本不斷降低，性能不斷提升。因此本發明的實現將更加容易，易于廣泛使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]下面結合附圖對本發明作進一步說明:
[0013]圖1是本發明的整體結構示意圖；
[0014]圖2是跳頻同步控制信號與WIFI信號的頻譜分布示意圖，圖2a是相鄰信道互相不重疊的狀態，圖2b是相鄰信道部分重疊的狀態；
[0015]圖3是局域組網工作過程示意圖。
【具體實施方式】
[0016]如圖1所示，本發明提供的一種跳頻式WIFI系統包括射頻前端1、順序連接射頻前端I的跳頻單元2、跳頻同步單元3和WIFI信號處理單元4。
[0017]其中，射頻前端I用于接收和發送無線信號，其包括用于接收無線信號的接收天線10，將接收到的無線信號進行放大處理的低噪聲放大器(LNA) 11，將無線信號進行功率放大的功率放大器(PA) 12，以及用于發送無線信號的發射天線13。
[0018]跳頻單元2包括連接低噪聲放大器11信號輸出端的混頻器20，混頻器20將經低噪聲放大器11輸出的信號變頻到一個固定頻率上，實現WIFI信號的接收，連接功率放大器12信號輸入端的混頻器21，混頻器21把WIFI輸出的固定頻率信號變換到跳頻頻率上并送至功率放大器12進行放大。混頻器20和混頻器21的信號輸入端均連接射頻信號源22，射頻信號源22接收來自跳頻同步控制器33的控制命令，當射頻信號源22頻率改變時，接收與發送的信號隨之改變。射頻信號源22包括包括DDS (Direct-Digital-Synthesizer，直接數字式頻率合成器)和PLUPhase-Locked-Loop，鎖相環)構成寬帶射頻信號產生源。
[0019]跳頻同步單元3包括連接混頻器20信號輸出端的功率分配器30，連接混頻器21信號輸入端的功率合成器31，連接功率分配器30的信號輸出端和功率合成器31的信號輸入端的同步信息收發器32，同步信息收發器32輸出的信號用于向其它同步信息接收器32發送同步控制信號。跳頻同步控制器33與本地時間基準34和北斗接收機35雙向連接，通過北斗授時信號矯正系統長時間工作帶來的時間偏差，通過本地時間基準34實現精準跳頻控制。
[0020]WIFI信號處理單元4包括用于對WIFI接收或發送的信號進行調制與解調的WIFI信號處理器40，WIFI信號處理器40同時連接功率分配器30的信號輸出端，功率合成器31的信號輸入端，以及跳頻同步控制器33的輸入和輸出端。WIFI信號處理器40還連接有線通訊接口 5。
[0021]下面詳細說明本發明的工作過程:
[0022]如圖1所示，接收信號時，來自天線的信號經低噪聲放大器11放大，經混頻器20變頻到接收頻率點上，然后通過功率分配器30將信號分配給WIFI信號處理器40和同步信息收發器32，由于WIFI信號的頻率與同步控制信息的工作頻率不同因而互不干擾，同步信息收發器32可以解析出跳頻同步信號并送給跳頻同步控制器33實現跳頻信息接收。WIFI信號同時被WIFI信號處理器40接收，實現WIFI信息的接收。
[0023]發射信號時，經WIFI信號處理器40處理的WIFI信號送給功率合成器31，功率合成器的另一路來自同步信息收發器32，功率合成后送至混頻器21變頻形成發射信號。與接收信號類似，WIFI信號和同步發射信號在頻率上不同，因此相互不干擾，所形成的混合信號經混頻器21變頻后形成發射信號在頻譜上互不重疊，最后由功率放大器PA放大后發射。此時，WIFI信號和同步控制信號一起發射出去。
[0024]跳頻同步控制器33是跳頻實現的關鍵，它接收來自同步信息收發器32、WIFI信號處理器40、本地時間基準34和北斗接收機35的信號。工作過程分為2種狀態:
[0025]1、同步狀態，這個狀態下跳頻同步控制器33處于組網狀態。此時，作為接入點的跳頻同步控制器33處于主機地位，并由它發出同步控制命令。處于接收設備的跳頻同步控制器33處于從機地位，接收來處于自主機的同步控制信息并緊跟主機執行跳頻命令，使本機的射頻信號源22緊跟主機頻率變化。
[0026]2、搜索狀態，處于此狀態的跳頻同步控制器33處于從機地位，屬于接入設備。由于跳頻WIFI工作時頻率是實時變化的，而剛啟動的設備還沒有接入這個組網，它無法知道當前時刻該局域網的工作頻率，因此它需要搜索組網信息。此時，跳頻同步控制器33根據北斗接收機35的授時信號和本地時間基準34的信號，并按照該局域網設置的跳頻圖譜去搜索接入點控制信息，即控制射頻信號源22的輸出頻率按該局域網設置的跳頻圖譜不斷嘗試去跟蹤接收，此時整個系統處于接收狀態不發射任何信號，因此不會導致無線干擾。一旦跟蹤成功就會解析出自接入點上處于主機地位的跳頻同步控制器33的控制命令，最終實現組網同步，完成由搜索狀態到同步狀態的過渡。當局域系統周邊沒有其它系統時，整個局域網絡按預先的跳頻圖譜工作，因此系統很快就能進入同步狀態。當局域網周邊有很多其它系統時，這個圖譜就可能被打亂，使得進入同步的時間就會變長，但由于WIFI系統的頻道數量不是很大，加上系統本身具有北斗系統輔助，因此它總是能在較短時間內找到需要接入的網絡。
[0027]如圖1所示，局域組網的整個系統在正常工作時頻率需要實時改變這個過程就是跳頻，跳頻會帶來頻譜擴散，進而產生干擾。WIFI信號處理器40與跳頻同步控制器33之間有控制信號相連，作用是完成跳頻協同。工作過程是WIFI信號處理器40每次組織發射和接收數據時都輸出控制信息給跳頻同步控制器33，跳頻同步控制器33根據這個信號實時給出跳頻決策協同跳頻時刻。這個設計可使跳頻引起的頻譜擴散影響減到最低，由于WIFI信號處理器40按照IEE802.11協議工作，收發數據包之間有足夠長的時間間隔，因此跳頻同步控制器33總是能根據本地時間基準34給出適當的控制決策選擇跳頻時刻點，從而降低跳頻干擾提高WIFI通信質量。
[0028]同步信息收發器32發出和接收的數據量很小，采用窄帶高斯濾波頻移鍵控GFSK調制傳輸可以節約發射帶寬，GFSK信號也是恒包絡調制信號，還可使發射器效率做到比較高，從而降低電源消耗。同步控制信號的頻率可以在兩個不重疊的WIFI頻道中間的保護間隔上實現。但由于WIFI信號的不重疊頻道數很少，2.4GHz頻段通常只有3個信道互不重疊，5.SGHz頻段通常只有5個信道互不重疊。因此大部分WIFI信號的頻道在鄰頻頻道上都是部分重疊的，這里可分為2種情況:
[0029]如圖2a所示，第N信道為移動局域網使用的信道。這里各個信道選擇的頻率互不重疊，同步控制信息頻率在這2個信道之間的空隙上實現。因此同步控制信息不會引起與鄰頻WIFI信號的沖突。
[0030]如圖2b所示，第N信道為移動局域網使用的信道，相鄰信道頻率部分重疊，此時同步控制信息頻率仍舊選擇在互不重疊的頻道之間。這種情況下，WIFI各頻道的信號之間以時分復用方式出現占用情況或者按WIFI協議以信道內的跳頻方式自動規避，因此跳頻同步信號與第N+1信道WIFI信號不會產生沖突。發生沖突的信道是整個第N信道，但同步信息在第N信道之外，因此同步信息仍舊能正常傳輸。由此可見，在上述2種情況下，由于同步信息與WIFI信息在接收與發送上的時間是一致的避免了與鄰頻WIFI信號的沖突，系統始終都能保障同步信息的正常通信。
[0031]在跳頻同步方面，系統使用了北斗接收機35用以實現整個跳頻系統的時間同步，北斗系統使用國家授時中心的高精度時鐘，因此不會產生大刻度時間上的偏差。但是，衛星信號接收會受到環境條件的限制，可能在某個瞬時或者一段時間無法實時得到時鐘信號，這樣就會影響跳頻系統的同步建立。本地時間基準34可以不受衛星信號強弱和有無的影響，能一直工作，可以確保跳頻信息在短時間范圍上的可靠性。但是本地時間基準34是獨立的時鐘系統，運行長久后會出現時間漂移現象，進而導致同步偏移甚至無法建立同步。利用北斗授時的長時間無漂移特性去修訂系統大刻度時間基準，而在小刻度時間方面使用本地時間基準，相互彌補能確保跳頻同步系統的長時間精準可靠。隨著北斗系統性能的日益提升，本系統的同步性能也會得到逐步提升。
[0032]下面詳細介紹基于本發明的跳頻組網系統工作過程:
[0033]如圖1、圖3所示，具有跳頻能力的若干移動設備60與可移動的跳頻式WIFI系統61的節入點構成局域組網6，局域組網6中的每個移動設備60都能通過北斗接收機35接收北斗衛星的授時信號，因此可以消除設備自身時鐘引起的偏差。局域組網中的每一移動設備60均接收來自跳頻式WIFI系統61節入點的控制信息，實現跳頻信息的同步。整個局域組網6移動時，會遇到地面固定接入點，一旦偵測到有其它網絡存在，跳頻式WIFI系統61就自動搜索空閑信道，并讓整個局域組網的移動設備60同時跳頻到新的信道上，避開相互的干擾。
[0034]上述實施方式旨在舉例說明本發明可為本領域專業技術人員實現或使用，對上述實施方式進行修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，故本發明包括但不限于上述實施方式，任何符合本權利要求書或說明書描述，符合與本文所公開的原理和新穎性、創造性特點的方法、工藝、產品，均落入本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種跳頻式WIFI系統，其包括一用于接收和發送無線信號的射頻前端和一用于對信號進行調制與解調的WIFI信號處理單元，其特征在于:所述跳頻式WIFI系統還包括一跳頻單元以及一跳頻同步單元，所述跳頻單元包括第一混頻器、第二混頻器和射頻信號源；所述跳頻同步單元包括功率分配器、功率合成器、同步信息收發器、跳頻同步控制器以及本地時間基準；所述射頻前端的低噪聲放大器LAN經第一混頻器與功率分配器的輸入端連接，所述功率分配器的輸出端分為兩路，其中第一路與所述WIFI信號處理單元的輸入端連接，第二路與所述同步信號收發器的輸入端連接；所述跳頻同步控制器與所述WIFI信號處理單元雙向連接，所述WIFI信號處理單元的輸出端與所述功率合成器的一個輸入端連接，所述跳頻同步控制器的一個輸出端經所述同步信息收發器與功率合成器的另一個輸入端連接，所述功率合成器的輸出端經所述第二混頻器與射頻前端的功率放大器PA的輸入端連接，所述跳頻同步控制器的兩個輸出端經所述頻率合成器分別與所述第一混頻器、第二混頻器的一個輸入端連接；所述本地時間基準為跳頻同步控制器提供時鐘。
2.如權利要求1所述的跳頻式WIFI系統，其特征在于:所述射頻前端包括一用于接收信號且與所述第一混頻器信號輸入端連接的低噪聲放大器LAN，以及一用于發送信號且與所述第二混頻器連接信號輸出端的功率放大器PA。
3.如權利要求1所述的跳頻式WIFI系統，其特征在于:所述WIFI信號處理單元上設有有線通信接口。
4.如權利要求1所述的跳頻式WIFI系統，其特征在于:所述跳頻同步單元還包括北斗接收機，所述北斗接收機與跳頻同步控制器雙向連接。
5.如權利要求1-4中任意一項所述的跳頻式WIFI系統，其特征在于:所述頻率合成器包括直接數字式頻率合成器DDS和鎖相環式頻率合成器PLL。
【文檔編號】H04B1/713GK104485978SQ201410854313
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月31日 優先權日:2014年12月31日
【發明者】麥文, 王力豪, 仰石 申請人:四川師范大學