一种基于半双工射频跳频通讯协议的通信方法及系统

技术领域

本发明涉及半双工射频跳频通讯技术领域，具体为一种基于半双工射频跳频通讯协议的通信方法及系统。

背景技术

半双工通信是指通信设备在同一时间内只能发送或接收信息，而不能同时进行发送和接收。这种通信模式类似于对讲机，其中一方必须等待另一方完成通信才能回复；射频跳频是指在通信过程中，设备周期性地切换使用不同的射频信道来传输数据。通过频繁跳跃信道，可以减少单一信道上的干扰和噪声影响，提高通信的稳定性和可靠性。

在无线通信领域，信号干扰和噪声是不可避免的因素，它们对通信质量产生严重影响。此外，不同信道的质量波动也对通信性能造成挑战。在实际应用中，恶劣天气和外部干扰等因素会导致通信信道质量的不稳定性。为了保障稳定可靠的通信，需要一种自适应方法来动态选择最佳通信信道，同时充分考虑外部干扰和天气条件的影响。然而，现有技术往往未充分考虑干扰和恶劣天气变化对通信环境的影响，从而限制了通信系统在复杂环境下的性能表现。因此，有必要提出一种基于半双工射频跳频通讯协议的通信方法及系统，以解决这些挑战，实现在不稳定和干扰环境下稳定通信的目标。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于半双工射频跳频通讯协议的通信方法及系统，首先通过实时采集通信环境中的干扰和噪声数据，包括来自外部环境的各种干扰信号，以及天气条件等因素。通过对这些数据的计算评估，获得了干扰系数grx和外部噪声系数，从而能够更准确地衡量通信环境的复杂性和影响，借助多个参数，包括信号强度、信噪比、误码率和信道带宽的综合权衡，该方法计算出了各个射频信道的质量系数，从而对通信链路进行了全面的评估。这种综合评估能够更好地反映不同信道的实际通信状况，为信道切换提供了科学依据，通过将干扰系数grx和信道质量系数xdz进行相关联并计算相关联系数，该方法能够量化不同信道质量和干扰之间的影响程度。从中选取影响最小的信道质量作为切换优先级，有效地降低了通信中断和信号弱化的可能性。在恶劣天气条件下，通信系统能够根据外部天气数据进行动态调整，持续优化信道质量评估和信道切换策略。这使得通信系统在不同的环境中都能保持较高的稳定性和性能表现。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于半双工射频跳频通讯协议的通信方法，包括以下步骤，

实时采集通信环境中其他信号干扰和噪声，获得干扰数据；

对干扰数据进行计算评估，获得干扰系数grx；

实时采集不同射频信道的通信链路数据和信号强度，获得通信数据；

对若干个候选射频信道的通信数据进行计算评估，获得每个信道质量系数xdz；

所述信道质量系数xdz通过以下公式进行获得：

式中：S表示为射频信道的信号强度值，信号强度值是接收到的信号的功率水平，设置以dBm为单位；N表示为射频信道的信噪比值，即信号与背景噪声之间的比例；E表示射频信道传输过程中发生的比特错误率；B表示为射频信道的能够支持的最大数据传输速率，即信道带宽；F表示为射频信道的多径衰落值；O表示为射频信道的频谱占用度；D表示为射频信道的传输延迟值；其中，α、β、γ、δ是S、N、E、B相对应的权重值，用于权衡不同参数的系数，由用户调整设置；

将干扰系数grx与若干个信道质量系数xdz进行相关联，获得相关联系数R，依据相关联系数R，评估若干个信道质量系数xdz中影响最小的信道质量系数xdz，优先作为切换优先级，当前射频通道信号低于预设阈值时，智能优先调频至最佳信道质量系数xdz的当前射频信道中进行使用。

优选的，采集通信环境中来自外部环境的噪声，包括自然环境的大气噪声、电磁干扰和其他设备的无线信号、蓝牙设备、无线通信系统干扰信号；

采集当前通信环境的天气条件，包括降雨量、风力值、温湿度值和气压值；

将以上数据进行计算获得外部噪声系数wbZ、信号强度系数Xh、无线信号干扰系数Wxgr和天气条件系数Tqx。

优选的，所述外部噪声系数wbZ、信号强度系数Xh、无线信号干扰系数Wxgr和天气条件系数Tqx通过以下公式进行计算：

式中，dqzs表示为自然大气噪声指数值；dcgr表示为电磁干扰指数值；qisb表示为其他设备干扰值，通过采集对应数据后映射到[0,1]范围内的数值，表示噪声影响程度；A1、A2、A3是用于权衡dqzs、dcgr和qisb不同类型噪声影响的系数权重值，由用户调整设置；

S表示为射频信道的信号强度值；PP表示为射频信道的平均信号强度值；A4和

wxxh表示为无线信号干扰指数，Lx表示为蓝牙信号干扰指数；A5和

jkl表示为实时降雨量指数，FL表示为实时风力指数，wsd表示为实时温湿度指数，qy表示实时起气压指数，A6、A7、A8、A9是用于权衡不同天气条件影响的系数值，由用户调整设置；降雨量指数jkl、风力指数FL、温湿度指数wsd和气压指数qy是通过采集相应的天气数据后映射到[0,1]范围内的数值，表示天气条件对通信影响程度。

优选的，所述干扰系数grx通过以下公式进行计算：

式中，w1、w2、w3和w4表示为外部噪声系数wbZ、信号强度系数Xh、无线信号干扰系数Wxgr和天气条件系数Tqx的权重系数值，其中，

优选的，将干扰系数grx与若干个信道质量系数xdz进行相关联，获得相关联系数R，所述相关联系数R通过以下公式计算获取：

式中，n表示信道的数量，xdz_i是第i个信道的信道质量系数，wixdz_i是用于权衡不同信道质量的系数值，

优选的，对所有信道的相关联系数R进行排序，选择影响最小的信道质量系数xdz作为切换的优先级；

持续监测当前射频通道信号S，并与预设阈值进行对比，判断是否低于预设阈值，即当前信道信号较弱；

当监测到当前射频通道信号S低于预设阈值时，智能地切换至之前计算得到的最佳信道质量系数xdz的当前射频信道中。

优选的，在切换频繁的过程中，选择24小时或48小时内定期更新信道质量系数xdz评估，干扰系数grx和相关联系数R计算，以适应通信环境的变化。

优选的，判断恶劣天气采用对天气条件系数Tqx和恶劣天气阈值进行比较，若天气条件系数Tqx中的降雨量指数jkl、风力指数FL、温湿度指数wsd和气压指数qy任意一项超过恶劣天气阈值，则判断为恶劣天气；

判断为恶劣天气后，设置每小时进行对切换频谱进行更新一次，每小时对信道质量系数xdz重新评估、干扰系数grx和相关联系数R计算，以适应通信环境的恶劣天气变化。

一种基于半双工射频跳频通讯协议的通信系统，包括干扰数据采集模块、通信数据采集模块、信道质量系数xdz计算模块、干扰系数grx计算模块、相关联系数计算模块、信道切换优先级排序模块、实时信号监测模块、信道切换控制模块、周期性更新模块和恶劣天气判断与更新模块；

干扰数据采集模块用于实时采集通信环境中的其他信号干扰和噪声数据：

通信数据采集模块用于实时采集不同射频信道的通信链路数据和信号强度；

信道质量系数计算模块用于计算信道质量系数xdz，综合考虑信号强度、信噪比、误码率、信道带宽、多径衰落、频谱占用度和传输延迟；

干扰系数grx计算模块用于将外部噪声系数wbZ、信号强度系数Xh、无线信号干扰系数Wxgr和天气条件系数Tqx进行计算，得到干扰系数grx；

相关联系数R计算模块用于将干扰系数grx与各个信道质量系数xdz进行相关联，获得相关联系数R；

信道切换优先级排序模块用于对所有信道的相关联系数R进行排序，选择影响最小的信道质量系数xdz作为切换的优先级用于对所有信道的相关联系数R进行排序，选择影响最小的信道质量系数xdz作为切换的优先级；

实时信号监测模块用于持续监测当前射频通道信号强度S，并与预设阈值进行对比，判断信号是否低于预设阈值；

信道切换控制模块用于在信号弱于预设阈值时，根据优先级选择切换至最佳信道质量系数xdz的当前射频信道中；

周期性更新模块用于定期更新信道质量评估、干扰系数grx计算和相关联系数R计算，以适应通信环境的变化；

恶劣天气判断与更新模块用于根据天气条件系数Tqx和恶劣天气阈值进行比较，判断是否为恶劣天气，若判断为恶劣天气，设置每小时更新信道信息一次，以适应恶劣天气环境变化。

（三）有益效果

本发明提供了一种基于半双工射频跳频通讯协议的通信方法及系统。具备以下有益效果：

（1）该通信系统基于半双工射频跳频通讯协议，通过综合考虑信号强度、信噪比、误码率、信道带宽、多径衰落、频谱占用度和传输延迟等参数，计算每个候选信道的质量系数xdz。结合干扰系数grx和相关联系数R，系统能够实时自适应地选择最佳通信信道，从而优化通信性能，提高数据传输速率，降低通信中断风险。

（2）通过实时采集和评估外部噪声和信号干扰数据，以及计算干扰系数grx，系统能够准确地量化干扰和噪声对通信的影响。在信道选择过程中，系统优先选择受干扰较小的信道，从而有效抑制干扰和噪声，提高通信的可靠性和稳定性。

（3）通过监测天气条件系数Tqx，系统能够判断是否为恶劣天气，并相应地更新信道信息。在恶劣天气下，系统会自动切换至最佳信道质量系数xdz的通信信道，以适应恶劣环境变化。这有助于在恶劣天气条件下保持稳定通信连接，提高通信的连续性和鲁棒性。

（4）该系统定期更新信道质量评估、干扰系数grx计算和相关联系数计算，以适应通信环境的变化。这种周期性更新能够捕捉到通信环境的波动，保持信道选择的准确性和稳定性。同时，定期更新还有助于减少能量消耗，延长通信设备的电池寿命。

附图说明

图1为本发明一种基于半双工射频跳频通讯协议的通信系统框图流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

半双工通信是指通信设备在同一时间内只能发送或接收信息，而不能同时进行发送和接收。这种通信模式类似于对讲机，其中一方必须等待另一方完成通信才能回复；射频跳频是指在通信过程中，设备周期性地切换使用不同的射频信道来传输数据。通过频繁跳跃信道，可以减少单一信道上的干扰和噪声影响，提高通信的稳定性和可靠性。

在无线通信领域，信号干扰和噪声是不可避免的因素，它们对通信质量产生严重影响。此外，不同信道的质量波动也对通信性能造成挑战。在实际应用中，恶劣天气和外部干扰等因素会导致通信信道质量的不稳定性。为了保障稳定可靠的通信，需要一种自适应方法来动态选择最佳通信信道，同时充分考虑外部干扰和天气条件的影响。然而，现有技术往往未充分考虑干扰和恶劣天气变化对通信环境的影响，从而限制了通信系统在复杂环境下的性能表现。因此，有必要提出一种基于半双工射频跳频通讯协议的通信方法及系统，以解决这些挑战，实现在不稳定和干扰环境下稳定通信的目标。

实施例1

本发明提供一种基于半双工射频跳频通讯协议的通信方法，包括以下步骤，

实时采集通信环境中其他信号干扰和噪声，获得干扰数据；

对干扰数据进行计算评估，获得干扰系数grx；

实时采集不同射频信道的通信链路数据和信号强度，获得通信数据；

对若干个候选射频信道的通信数据进行计算评估，获得每个信道质量系数xdz；

所述信道质量系数xdz通过以下公式进行获得：

式中：S表示为射频信道的信号强度值，信号强度值是接收到的信号的功率水平，设置以dBm为单位；N表示为射频信道的信噪比值，即信号与背景噪声之间的比例；E表示射频信道传输过程中发生的比特错误率；B表示为射频信道的能够支持的最大数据传输速率，即信道带宽；F表示为射频信道的多径衰落值；O表示为射频信道的频谱占用度；D表示为射频信道的传输延迟值；其中，α、β、γ、δ是S、N、E、B相对应的权重值，用于权衡不同参数的系数，由用户调整设置；通过综合考虑信号强度、信噪比、误码率、信道带宽、多径衰落、频谱占用度和传输延迟等参数，并根据用户设置的权重值进行权衡，系统能够准确计算每个候选信道的质量系数xdz。这有助于选择性能更佳的信道，从而优化通信性能和数据传输速率。

将干扰系数grx与若干个信道质量系数xdz进行相关联，获得相关联系数R，依据相关联系数R，评估若干个信道质量系数xdz中影响最小的信道质量系数xdz，优先作为切换优先级，当前射频通道信号低于预设阈值时，智能优先调频至最佳信道质量系数xdz的当前射频信道中进行使用；智能地选择最佳通信信道，减少了因频繁切换信道而产生的能量消耗，从而延长了通信设备的电池寿命。

本实施例中，通过实时采集、评估和关联干扰数据、信道质量数据以及天气条件数据，系统能够自适应地选择最佳通信信道。这样可以有效减轻信号干扰和噪声对通信的影响，同时在恶劣天气环境中保持较高的通信质量，从而提高通信的稳定性和可靠性。

该方法通过周期性更新信道质量评估和干扰系数grx计算，可以实时地适应不断变化的通信环境，包括天气变化和外部干扰波动。这有助于保持通信的稳定性和一致性，确保在各种复杂环境下都能实现高效通信。基于半双工射频跳频通讯协议的这种自适应通信方法及系统充分考虑了信号干扰、噪声、天气条件等多重因素，能够在复杂且动态变化的通信环境下提供稳定可靠的通信连接，从而显著提升了通信系统的性能和用户体验。

实施例2

本实施例是在实施例1中进行的解释说明，具体的，采集通信环境中来自外部环境的噪声，包括自然环境的大气噪声、电磁干扰和其他设备的无线信号、蓝牙设备、无线通信系统干扰信号；

采集当前通信环境的天气条件，包括降雨量、风力值、温湿度值和气压值；

将以上数据进行计算获得外部噪声系数wbZ、信号强度系数Xh、无线信号干扰系数Wxgr和天气条件系数Tqx。

本实施例中，通过采集不同类型的噪声和干扰源，以及多种天气条件数据，系统能够全面地了解当前通信环境的复杂性和多样性。这有助于更准确地评估通信质量的受限因素，并为后续的信道选择和优化提供更精确的依据；

通过实时采集外部噪声和天气条件数据，系统能够动态地感知和响应通信环境的变化。这使得通信系统可以随时适应新的干扰源或天气变化，从而保持通信的稳定性和可靠性；

外部噪声系数wbZ、信号强度系数Xh、无线信号干扰系数Wxgr和天气条件系数Tqx的计算，将不同的影响因素综合考虑在内，从而更全面地描述了通信环境的复杂性。这有助于更准确地评估通信质量，并选择性能最佳的通信信道。

实施例3，本实施例是在实施例2中进行的解释说明，具体的，所述外部噪声系数wbZ、信号强度系数Xh、无线信号干扰系数Wxgr和天气条件系数Tqx通过以下公式进行计算：

式中，dqzs表示为自然大气噪声指数值；dcgr表示为电磁干扰指数值；qisb表示为其他设备干扰值，通过采集对应数据后映射到[0,1]范围内的数值，表示噪声影响程度；A1、A2、A3是用于权衡dqzs、dcgr和qisb不同类型噪声影响的系数权重值，由用户调整设置；

S表示为射频信道的信号强度值；PP表示为射频信道的平均信号强度值；A4和

wxxh表示为无线信号干扰指数，Lx表示为蓝牙信号干扰指数；A5和

jkl表示为实时降雨量指数，FL表示为实时风力指数，wsd表示为实时温湿度指数，qy表示实时起气压指数，A6、A7、A8、A9是用于权衡不同天气条件影响的系数值，由用户调整设置；降雨量指数jkl、风力指数FL、温湿度指数wsd和气压指数qy是通过采集相应的天气数据后映射到[0,1]范围内的数值，表示天气条件对通信影响程度。

本实施例中，通过以上公式计算得到的外部噪声系数wbZ、信号强度系数Xh、无线信号干扰系数Wxgr和天气条件系数Tqx，为通信系统提供了更精准、全面的环境影响评估，从而增强了通信系统在复杂环境下的适应能力和稳定性。

实施例4，本实施例是在实施例1中进行的解释说明，具体的，所述干扰系数grx通过以下公式进行计算：

式中，w1、w2、w3和w4表示为外部噪声系数wbZ、信号强度系数Xh、无线信号干扰系数Wxgr和天气条件系数Tqx的权重系数值，其中，

本实施例中，干扰系数grx的计算结果可以为通信信道的选择提供重要参考。通过比较不同信道的干扰系数grx，系统可以选择干扰影响较小的信道作为优先通信信道。这有助于在复杂干扰环境下优化信道选择，提高通信的可靠性和性能。通过以上公式计算得到的干扰系数grx，使得通信系统能够更全面、灵活地评估和应对不同干扰因素的影响，从而提高了通信系统在干扰环境下的适应性和稳定性。

实施例5，本实施例是在实施例1中进行的解释说明，具体的，将干扰系数grx与若干个信道质量系数xdz进行相关联，获得相关联系数R，所述相关联系数R通过以下公式计算获取：

式中，n表示信道的数量，xdz_i是第i个信道的信道质量系数，wixdz_i是用于权衡不同信道质量的系数值，

本实施例中，相关联系数R的计算考虑了整体信道质量和干扰之间的综合影响，使得系统能够在全局范围内优化通信性能。通过综合考虑多个信道的质量和干扰情况，系统可以更好地平衡各种因素，从而提高整体通信系统的性能表现。

实施例6，本实施例是在实施例1中进行的解释说明，具体的，对所有信道的相关联系数R进行排序，选择影响最小的信道质量系数xdz作为切换的优先级；

持续监测当前射频通道信号S，并与预设阈值进行对比，判断是否低于预设阈值，即当前信道信号较弱；

当监测到当前射频通道信号S低于预设阈值时，智能地切换至之前计算得到的最佳信道质量系数xdz的当前射频信道中。

本实施例中，通过对所有信道的相关联系数R进行排序，系统能够识别出影响最小的信道质量系数xdz，即在当前通信环境中受到最少干扰和噪声影响的信道。这样的优先级排序确保了在切换时优先选择通信质量较好的信道，从而提高通信性能和稳定性。持续监测当前射频通道信号S并与预设阈值进行对比，使得系统能够实时感知当前信道的信号强度情况。当监测到当前信道信号较弱，低于预设阈值时，系统能够智能地根据之前计算得到的最佳信道质量系数xdz，自动切换至质量更优的信道，以确保通信的稳定性和可靠性。

示例，假设在一个城市中部署了一个基于半双工射频跳频通讯协议的无线通信系统，系统中包括多个射频信道可供选择。在某一时刻，系统通过上述描述的方法进行信道选择和切换。首先，系统实时采集通信环境中的信号干扰和噪声数据，计算得到干扰系数grx。

接着，系统实时采集不同射频信道的通信链路数据和信号强度，计算得到各个信道的通信质量系数xdz。

使用外部噪声系数wbZ、信号强度系数Xh、无线信号干扰系数Wxgr和天气条件系数Tqx的计算公式，得到这些系数的具体值，用于后续的信道质量和干扰计算。

将干扰系数grx与各个信道质量系数xdz进行相关联，计算得到相关联系数R，综合考虑了信道质量和干扰的影响。

对所有信道的相关联系数R进行排序，选择影响最小的信道质量系数xdz作为切换的优先级。

持续监测当前射频通道信号强度S，并与预设阈值进行对比，判断是否低于预设阈值，即当前信道信号较弱。

当监测到当前信道信号S低于预设阈值时，系统会智能地切换至之前计算得到的最佳信道质量系数xdz的当前射频信道中。

通过以上步骤，系统能够在实时监测信号强度的基础上，根据干扰和信道质量情况自适应地选择最佳通信信道，以确保通信的稳定性和可靠性。当信道质量下降或受到干扰时，系统会迅速地切换至更优质的信道，从而保障通信的持续连接和高质量传输。

实施例7，本实施例是在实施例1中进行的解释说明，具体的，在切换频繁的过程中，选择24小时或48小时内定期更新信道质量系数xdz评估，干扰系数grx和相关联系数R计算，以适应通信环境的变化。通过定期更新信道质量系数xdz评估、干扰系数grx和相关联系数R计算，系统能够在24小时或48小时内对通信环境进行周期性的评估和调整。这样的定期更新可以捕捉到通信环境的变化，包括干扰水平的变化、信道质量的波动等，从而保持信道选择的准确性和稳定性。

判断恶劣天气采用对天气条件系数Tqx和恶劣天气阈值进行比较，若天气条件系数Tqx中的降雨量指数jkl、风力指数FL、温湿度指数wsd和气压指数qy任意一项超过恶劣天气阈值，则判断为恶劣天气；

判断为恶劣天气后，设置每小时进行对切换频谱进行更新一次，每小时对信道质量系数xdz重新评估、干扰系数grx和相关联系数R计算，以适应通信环境的恶劣天气变化。通过在恶劣天气条件下进行自动切换至最佳信道，这个自动切换机制能够确保在恶劣天气条件下，系统能够及时地适应环境变化，选择最佳信道以保持稳定通信。系统能够在恶劣环境中保持稳定通信，从而提升用户体验，减少通信中断和数据丢失的情况；

本实施例中，通过在恶劣天气条件下自动切换至最佳信道，系统能够在恶劣环境中持续提供稳定的通信连接。这有助于提升用户的通信体验，减少通信中断和数据丢失的情况，确保通信的可靠性和连续性。通过定期的信道质量和干扰评估更新以及恶劣天气自动切换机制，本实施例能够在频繁切换和恶劣环境下维持稳定可靠的通信连接，从而显著提升通信系统的性能和用户体验。

一种基于半双工射频跳频通讯协议的通信系统，请参照图1，包括干扰数据采集模块、通信数据采集模块、信道质量系数xdz计算模块、干扰系数grx计算模块、相关联系数计算模块、信道切换优先级排序模块、实时信号监测模块、信道切换控制模块、周期性更新模块和恶劣天气判断与更新模块；

干扰数据采集模块用于实时采集通信环境中的其他信号干扰和噪声数据：

通信数据采集模块用于实时采集不同射频信道的通信链路数据和信号强度；用于对若干个候选射频信道的通信数据进行计算评估；

信道质量系数xdz计算模块用于计算信道质量系数xdz，综合考虑信号强度、信噪比、误码率、信道带宽、多径衰落、频谱占用度和传输延迟；

干扰系数grx计算模块用于将外部噪声系数wbZ、信号强度系数Xh、无线信号干扰系数Wxgr和天气条件系数Tqx进行计算，得到干扰系数grx；

相关联系数R计算模块用于将干扰系数grx与各个信道质量系数xdz进行相关联，获得相关联系数R；

信道切换优先级排序模块用于对所有信道的相关联系数R进行排序，选择影响最小的信道质量系数xdz作为切换的优先级用于对所有信道的相关联系数R进行排序，选择影响最小的信道质量系数xdz作为切换的优先级；

实时信号监测模块用于持续监测当前射频通道信号强度S，并与预设阈值进行对比，判断信号是否低于预设阈值；

信道切换控制模块用于在信号弱于预设阈值时，根据优先级选择切换至最佳信道质量系数xdz的当前射频信道中；

周期性更新模块用于定期更新信道质量评估、干扰系数grx计算和相关联系数计算，以适应通信环境的变化；

恶劣天气判断与更新模块用于根据天气条件系数Tqx和恶劣天气阈值进行比较，判断是否为恶劣天气，若判断为恶劣天气，设置每小时更新信道信息一次，以适应恶劣天气环境变化。

综合而言，该通信系统通过多个模块的协同作用，能够自适应地选择最佳信道，动态应对干扰和恶劣天气等环境变化，从而在复杂环境下提供稳定、可靠的通信连接，提升用户体验，降低通信中断和数据丢失的风险。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。