動態(tài)正交的跳頻異步組網(wǎng)性能分析*

(總參第六十三研究所，南京 210007)

1 引 言

隨著通信電子進攻技術和裝備的不斷發(fā)展，通信電子防御面臨著嚴峻考驗。作為通信電子防御的主流裝備，跳頻通信裝備作戰(zhàn)效能發(fā)揮的問題逐漸被各方所重視。跳頻組網(wǎng)是跳頻通信裝備效能發(fā)揮的重要途徑，在國內外被普遍使用。目前，對于跳頻組網(wǎng)的研究主要集中在同步組網(wǎng)實現(xiàn)技術、異步組網(wǎng)智能技術等方面，這些技術的研究與實現(xiàn)并不能解決同步組網(wǎng)抗阻塞干擾能力差、跳頻異步組網(wǎng)效率低等固有的缺點。針對以上問題，本文首先分析了同步組網(wǎng)和異步組網(wǎng)的優(yōu)缺點，通過借鑒同步組網(wǎng)時頻率同步跳變的做法，提出在異步組網(wǎng)時各網(wǎng)跳頻頻率表同步變化，并且各網(wǎng)使用的頻率表始終正交，也就是跳頻頻率表動態(tài)正交的異步組網(wǎng)方式。在此基礎上，本文詳細分析了動態(tài)正交的異步組網(wǎng)方式在組網(wǎng)效率、抗阻塞干擾能力和反偵察能力等方面的優(yōu)勢，以及在時序要求、頻譜資源分配和戰(zhàn)場管控等方面存在的缺點。

2 跳頻組網(wǎng)的常用方式[1]

同步組網(wǎng)和異步組網(wǎng)是跳頻組網(wǎng)中最常用的兩種方式。所謂同步或者異步均是指跳頻網(wǎng)與網(wǎng)之間在射頻時序上的制約關系，不能將單獨的跳頻網(wǎng)歸結為同步組網(wǎng)或異步組網(wǎng)。

跳頻同步組網(wǎng)是各指跳頻網(wǎng)的每一起跳時刻相同，并且任一頻率駐留時刻的各跳頻網(wǎng)瞬時射頻頻率正交。根據(jù)以上定義，同步組網(wǎng)一般應以相同跳頻技術體制裝備為基礎，所有跳頻網(wǎng)絡必須工作在同一張?zhí)l頻率表上，并采用相同跳頻圖案算法。因此，由N個頻率點組成的跳頻頻率表以同步組網(wǎng)方式理論上可以組N個跳頻網(wǎng)。很明顯，同步組網(wǎng)效率很高，這也是同步組網(wǎng)方式最突出的優(yōu)點。同步組網(wǎng)的另一個優(yōu)點是使偵察方進行網(wǎng)絡分選困難，即難以確定頻率表中的某個頻率在當前時刻屬于哪個跳頻網(wǎng)[2]。同步組網(wǎng)主要有兩個缺點：一是由于同步組網(wǎng)對射頻時序的要求極高，因此組網(wǎng)運用困難；二是由于所有網(wǎng)絡均使用同一張?zhí)l頻率表，因此抗阻塞干擾能力差。

跳頻異步組網(wǎng)是指各跳頻網(wǎng)之間的跳頻時序、跳頻圖案、跳頻頻率表等方面沒有約束關系的組網(wǎng)方式。異步組網(wǎng)最突出的優(yōu)點是組織使用方便、戰(zhàn)術運用靈活，因此成為目前最常用的使用方式。根據(jù)作戰(zhàn)任務，合理組織異步跳頻通信網(wǎng)絡，可以提高跳頻通信網(wǎng)系的整體抗阻塞干擾能力和網(wǎng)絡安全性。異步組網(wǎng)的主要缺點是組網(wǎng)效率較低，特別是采用相同的頻率表組多個異步網(wǎng)并同時工作時，各異步網(wǎng)之間會出現(xiàn)頻率碰撞。理論上，其組網(wǎng)效率只有頻率點數(shù)量的1/3。因此，在高密度組織異步跳頻通信網(wǎng)時，要求有足夠的頻率資源。在頻率資源日趨緊張的現(xiàn)代戰(zhàn)場，該缺點嚴重制約了異步組網(wǎng)的戰(zhàn)術運用。另外，由于異步網(wǎng)的跳頻頻率表、跳頻圖案等都是相互獨立的，網(wǎng)絡特征與同步網(wǎng)相比更為明顯，因此給偵察方的偵察和分選提供了更大的可能。

由于異步組網(wǎng)對各網(wǎng)使用的頻率表沒有限制，出于戰(zhàn)術目的，在規(guī)劃跳頻頻率表時，有些頻率表之間是正交的(頻率表完全不同)，有些頻率表是非正交的(頻率表部分重疊)，而有些頻率表則完全相同。不同的規(guī)劃所產(chǎn)生的效果有很大差異，如在全頻段范圍內規(guī)劃幾張正交的頻率表，通信時可造成全頻段跳頻的效果，如將以上頻率表部分重疊，則還可造成多跳速的效果。

3 動態(tài)正交的跳頻異步組網(wǎng)性能分析

3.1 基本概念

如上文所述，在采用相同的頻率表組多個異步網(wǎng)并同時工作時，各異步網(wǎng)之間會出現(xiàn)頻率碰撞，因此組網(wǎng)數(shù)量受限，導致組網(wǎng)效率較低。為了盡可能提高異步組網(wǎng)效率，在戰(zhàn)術使用時最常用的方法是在可用頻率集內分成多個寬間隔子頻率表跳頻[3]。在可用頻率集固定的條件下，隨著子頻率表的增多，單張頻率表內的頻率點數(shù)量越少，每個跳頻網(wǎng)絡的個體特征趨于明顯，特別是在總的網(wǎng)絡數(shù)量有限的情況下，偵察方的偵察和分選相對更為容易[4]。

傳統(tǒng)跳頻通信裝備，如美國的SINCGARS-V、南非的A55H/B56H等，都是固定頻率表跳頻，即在通信過程中跳頻頻率表不改變。有些雖然具備頻率自適應功能，但仍可劃分為固定頻率表跳頻。

為提高異步組網(wǎng)的組網(wǎng)效率，同時提高跳頻網(wǎng)絡的反偵察性能，本文提出一種動態(tài)正交變換頻率表的異步組網(wǎng)方法，即在通信前將可用頻率集按網(wǎng)絡數(shù)量分成多個寬間隔正交的子頻率表，在跳頻通信過程中，按預定的約束關系動態(tài)地為各跳頻網(wǎng)絡生成頻率表，這些頻率表仍是可用頻率集的子集，并滿足寬間隔、正交的要求。

3.2 優(yōu)點

(1)組網(wǎng)效率高于常規(guī)異步組網(wǎng)

根據(jù)可用頻率集，可以用兩種方式來組織子頻率表，一種是常規(guī)異步組網(wǎng)使用的非正交組網(wǎng)方式，另一種是動態(tài)正交異步組網(wǎng)所使用的正交組網(wǎng)方式。假設每張頻率表上的組網(wǎng)數(shù)目是相同的，那么動態(tài)正交異步組網(wǎng)時的網(wǎng)間碰撞概率為

(1)

式中，N為單張頻率表中的頻率點數(shù)，M為單張頻率表上的組網(wǎng)數(shù)目。

常規(guī)異步組網(wǎng)的網(wǎng)間碰撞概率為

(2)

式中，l為復用的頻率點數(shù)。

在可用頻率集中，頻率點數(shù)為2 048，單張頻率表中頻率點數(shù)為256，總的組網(wǎng)數(shù)目為48的情況下，可以計算出動態(tài)正交異步組網(wǎng)的網(wǎng)間碰撞概率為0.194。圖1給出了在上述情況下使用常規(guī)異步組網(wǎng)方式時網(wǎng)間碰撞概率隨復用頻率點數(shù)的變化曲線，為方便計算，我們假設m是連續(xù)的。從圖1可以看出，不論復用的頻率點如何變化，常規(guī)異步組網(wǎng)的網(wǎng)間碰撞概率均大于動態(tài)正交異步組網(wǎng)的網(wǎng)間碰撞概率，因而對于動態(tài)正交組網(wǎng)而言，一張頻率表上可以組更多的網(wǎng)，其組網(wǎng)效率要高于常規(guī)異步組網(wǎng)。

圖1 常規(guī)異步組網(wǎng)時不同頻率復用點數(shù)下的網(wǎng)間碰撞概率

下面分析采用寬間隔跳頻頻率表的情況。寬的頻率間隔使得影響通信效果的因素——鄰道干擾大大減少，不同頻率間隔條件下鄰道干擾對通信效果的影響如圖2所示。試驗表明，采用寬間隔頻率表可以使跳頻電臺異步組網(wǎng)效率從頻率點數(shù)的1/3提高到頻率點數(shù)的1/2[3]，接近于同步組網(wǎng)的實際組網(wǎng)效率。

圖2 不同頻率間隔條件下鄰道干擾對通信效果的影響示意圖

(2)反偵察性能接近于同步組網(wǎng)

隨著跳變的頻率點數(shù)量減少，網(wǎng)絡特征相對趨于明顯，偵察方相對更為容易進行偵察和分選，動態(tài)更換頻率表有效解決了這個問題。同步組網(wǎng)時，在每一跳時間段上，各網(wǎng)使用著不同的頻率；在動態(tài)正交組網(wǎng)時，在每一跳時間段上，各網(wǎng)也同樣使用著不同的頻率。區(qū)別在于：同步組網(wǎng)時，頻率在全頻率表內跳變；動態(tài)正交組網(wǎng)時，頻率在當前子頻率表內跳變，當子頻率表動態(tài)重新分配后，頻率更換跳變范圍。兩者區(qū)別如圖3所示，其中Δt時間后更換子頻率表。

圖3 同步組網(wǎng)和動態(tài)正交組網(wǎng)示意圖

(3)抗阻塞干擾能力強于同步組網(wǎng)

同步組網(wǎng)時，所有的跳頻網(wǎng)絡均使用相同的頻率資源，即同一張?zhí)l頻率表。干擾方在偵察到該頻率表的相關屬性后，即可根據(jù)三分之一干擾策略實施有效的阻塞干擾，此時，所有的網(wǎng)絡均會受到嚴重干擾。在使用相同頻率資源情況下，動態(tài)正交組網(wǎng)時，干擾方偵察到的頻率表相關屬性與同步組網(wǎng)時相似，根據(jù)三分之一干擾策略實施阻塞干擾后，一般情況下仍有部分網(wǎng)絡能正常工作，如圖4所示。

圖4 同步組網(wǎng)和動態(tài)正交組網(wǎng)受干擾后效果示意圖

由圖4可見，在相同干擾條件下，同步組網(wǎng)所有跳頻網(wǎng)絡均不能有效工作時，動態(tài)正交異步組網(wǎng)的部分網(wǎng)絡仍能正常工作。

3.3 缺點

(1)網(wǎng)間時序要求較常規(guī)異步組網(wǎng)高

對于常規(guī)異步組網(wǎng)，各網(wǎng)間無任何約束關系，組織實施相對容易，對通信裝備的要求也相對較低。動態(tài)正交異步組網(wǎng)時，各網(wǎng)按預定的約束關系動態(tài)地生成、更換子頻率表，這里的約束關系包含兩層意思，一是子頻率表的生成，二是子頻率表的更換。按動態(tài)正交的要求，各網(wǎng)應在相同時刻生成、更換頻率表，對時序有較高的要求，這就要求通信裝備有較高的時鐘精度，否則在各網(wǎng)同步變化跳頻頻率表時，會使各網(wǎng)間產(chǎn)生頻率碰撞。在當前時鐘技術條件下，各網(wǎng)間最多出現(xiàn)幾跳的碰撞，對通信的影響是可以接受的[5]。

(2)頻譜資源再分配具有盲目性

同步組網(wǎng)時，各網(wǎng)使用完全相同的頻率表，即使受到嚴重干擾，也不存在頻率表的再分配問題。動態(tài)正交異步組網(wǎng)時，各網(wǎng)所使用的子頻率表在不停地更換，更換的規(guī)則是預先編制好的，因此具有盲目性。在實際通信過程中，干擾方所能施加的干擾頻段、干擾方向都有一定的限制，在人為更換子頻率表時，可以在一定程度上結合干擾的實際情況，從而獲得最佳子頻率表。如果不與實時頻譜管理設備相連接，動態(tài)正交異步組網(wǎng)不可能結合干擾頻段、干擾方向等數(shù)據(jù)得到最佳子頻率表。

(3)跳頻參數(shù)戰(zhàn)場管理難度增加

對于常規(guī)異步組網(wǎng)，只需單獨為各網(wǎng)編制跳頻參數(shù)，如存在指揮關系和互通要求，則需為相應網(wǎng)絡進行跳頻參數(shù)調整；動態(tài)正交異步組網(wǎng)時，需為所有網(wǎng)絡編制相同的可用頻率集、相同的時間、不同的子頻率表等，因此需要統(tǒng)一規(guī)劃，至少需要按統(tǒng)一的要求規(guī)劃。另外，在跳頻圖案的設計上，較常規(guī)跳頻圖案設計更為復雜，特別是考慮到網(wǎng)絡間存在互通要求時，動態(tài)生成的參數(shù)要能保證互通。

4 結束語

本文研究的動態(tài)正交跳頻異步組網(wǎng)，當跳變的頻率表頻率數(shù)為1時，即為同步組網(wǎng)；當跳變的時間間隔無限大時，即為常規(guī)異步組網(wǎng)，因此該組網(wǎng)方式是介于同步組網(wǎng)和異步組網(wǎng)中間的一種組網(wǎng)方式，雖然在技術實現(xiàn)難度上遠低于同步組網(wǎng)，卻可以同時具備兩者的優(yōu)點。該組網(wǎng)方式可以普遍應用于短波和超短波跳頻通信裝備，從而更好地發(fā)揮這些裝備的作戰(zhàn)效能。下一步的研究重點是如何確定頻率表跳變的時間間隔、頻率表的頻率數(shù)和跳頻圖案的生成算法。

參考文獻：

[1] 姚富強.軍事通信抗干擾及網(wǎng)系應用[M].北京：解放軍出版社,2004.

YAO Fu-qiang.Military Communications Anti-jamming and Network Application[M].Beijing:PLA Publishing House,2004. (in Chinese)

[2] 吳凡，姚富強，李玉生.跳頻網(wǎng)臺信號分選技術研究[J].通信對抗，2005(1)：11-14.

WU Fan,YAO Fu-qiang,LI Yu-sheng.The Research on the Distinguishing Technology of FH Network Signal[J].Communication Countermeasures,2005(1):11-14.(in Chinese)

[3] 毛虎榮，李永貴，李勇.超短波跳頻電臺高密度異步組網(wǎng)試驗與分析[C]//2005軍事通信抗干擾研討會論文集.成都：軍事通信抗干擾研討會組織委員會：1082-1085.

MAO Hu-rong,LI Yong-gui,LI Yong.A test and analysis of UHF FH radio dense Asynchronous network[C]//Proceedings of 2005 Military Communications Anti-Jamming Conference(MCAJC).Chengdu:2005 MCAJC Organizing Committee，2005:1082-1085. (in Chinese)

[4] 姚富強，信俊民，扈新林.跳頻通信有效反偵察組網(wǎng)數(shù)的確定[J].現(xiàn)代軍事通信，1995，3(3)：30-35.

YAO Fu-qiang,XIN Jun-ming,HU Xin-lin. Efficient decision method of the network number in frequency hopping communication[J].Journal of Modern Military Communications,1995,3(3):30-35.(in Chinese)

[5] 王清泉，姚富強.戰(zhàn)術跳頻電臺的組網(wǎng)運用及性能分析[J].通信技術與發(fā)展,1993(6)：39-42.

WANG Qing-quan,YAO Fu-qiang.Netting Application and Performance Analysis For Tactical Hopping Radios[J]. Communication Technology and Development,1993(6):39-42.(in Chinese)