基于附加頻移的跳頻同步組網(wǎng)設(shè)計(jì)與分析?

李思奇??，全厚德，崔佩璋（軍械工程學(xué)院信息工程系，石家莊050003）

基于附加頻移的跳頻同步組網(wǎng)設(shè)計(jì)與分析?

李思奇??，全厚德，崔佩璋
（軍械工程學(xué)院信息工程系，石家莊050003）

為了提高跳頻同步組網(wǎng)的頻點(diǎn)利用率，提出了一種基于附加頻移的跳頻同步組網(wǎng)方案。首先，給出了基于附加頻移跳頻通信的基本模型和收發(fā)雙方的實(shí)現(xiàn)方案；然后，基于該跳頻通信模型，給出了同步組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該方案在整個(gè)工作頻段內(nèi)能夠使用所有可用頻點(diǎn)進(jìn)行同步組網(wǎng)，提高了頻點(diǎn)利用率。分析結(jié)果表明，在相同子網(wǎng)數(shù)下，該方案較常規(guī)跳頻同步組網(wǎng)還具有更小的碰撞概率和比特差錯(cuò)率，同時(shí)該方案還增加了敵方的偵察分選難度和干擾難度。

跳頻同步組網(wǎng)；附加頻移；頻點(diǎn)利用率；碰撞概率

1 引言

跳頻同步組網(wǎng)是指各網(wǎng)在統(tǒng)一的時(shí)鐘下使用同一個(gè)跳頻頻表進(jìn)行同步跳頻，各網(wǎng)的跳頻技術(shù)體制（含同步算法、跳速、數(shù)據(jù)速率、信道編碼、跳頻圖案算法等）相同［1］。同步組網(wǎng)具有組網(wǎng)效率高、反偵察性能好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在建網(wǎng)過程復(fù)雜和整體抗阻塞干擾能力差等缺點(diǎn)［2］。

目前，對(duì)于跳頻組網(wǎng)的研究主要還是集中在常規(guī)跳頻組網(wǎng)的性能分析和改進(jìn)上，如文獻(xiàn)［3－5］從跳頻序列的構(gòu)造和選擇上給出了多址組網(wǎng)的性能分析，文獻(xiàn)［6］從提高組網(wǎng)效率上提出了頻表動(dòng)態(tài)正交的組網(wǎng)方式。另外，文獻(xiàn)［7］在基于差分跳頻的基礎(chǔ)上，對(duì)其組網(wǎng)方式和組網(wǎng)性能進(jìn)行了分析。

由于跳頻頻表內(nèi)的頻率數(shù)目有限，在整個(gè)工作頻段內(nèi)，常規(guī)跳頻同步組網(wǎng)的頻點(diǎn)利用率低，造成了頻率資源的浪費(fèi)。本文提出基于附加頻移的跳頻同步組網(wǎng)方法，旨在提高工作頻段內(nèi)的頻點(diǎn)利用率。

基于附加頻移跳頻通信的基本模型，給出了其同步組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過對(duì)頻率碰撞概率、比特差錯(cuò)率和頻點(diǎn)利用率的仿真計(jì)算，分析了其同步組網(wǎng)性能。最后還提出了基于附加頻移跳頻同步組網(wǎng)的優(yōu)化方案。

2 基于附加頻移的跳頻通信模型

2.1 基本原理

設(shè)跳頻工作頻段帶寬為W，將工作頻段均分成P個(gè)跳頻區(qū)間，各區(qū)間可進(jìn)行正交劃分，也可以設(shè)為頻段重疊，每個(gè)區(qū)間內(nèi)有q個(gè)頻點(diǎn)。設(shè)最小信道間隔為Δfm，以各跳頻區(qū)間正交劃分為例，則有

分別用兩個(gè)跳頻序列Su和Sv控制P個(gè)跳頻區(qū)間的偽隨機(jī)跳變和q個(gè)頻點(diǎn)的偽隨機(jī)跳變，這里稱Su為主序列，Sv為附加序列。最后通過Su控制的頻率fi（i＝0，1，2，…，P－1）和Sv控制的頻率k×Δfm（k＝0，1，2，…，q）的疊加，形成最后的射頻頻點(diǎn)fi＋k×Δfm?；诟郊宇l移的跳頻通信的頻點(diǎn)生成方案如圖1所示。

2.2 實(shí)現(xiàn)方案

由基于附加頻移的跳頻通信的基本原理，收發(fā)雙方的實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。

如圖2所示，該原理圖是基于常規(guī)跳頻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)的，與常規(guī)跳頻通信系統(tǒng)不同的是射頻頻率的合成方案。TOD（Time of Day）和密鑰共同決定了主序列和附加序列的生成，主序列Su從各個(gè)跳頻區(qū)間取出頻率控制碼控制頻率合成器1在不同時(shí)隙輸出偽隨機(jī)跳變的區(qū)間起始頻率fi，附加序列Sv從附加頻移中取出頻率控制碼控制頻率合成器2在不同時(shí)隙輸出偽隨機(jī)跳變的附加頻率k×Δfm，兩頻率信號(hào)通過混頻器1和帶通濾波后可得到疊加的射頻頻率fi＋k×Δfm。

以超短波頻段（30～87.975MHz）為例，信道間隔Δfm為25 kHz，則可用頻點(diǎn)數(shù)約為2 320個(gè)。常規(guī)跳頻一次通信的頻點(diǎn)數(shù)通常為256個(gè)，而基于附加頻移的跳頻通信的可用頻點(diǎn)數(shù)則可達(dá)到2 320個(gè)。

3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于附加頻移的同步組網(wǎng)主要分為主從同步、互同步和外基準(zhǔn)同步［8］。主從同步和互同步的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

外基準(zhǔn)同步法是指專門的時(shí)間基準(zhǔn)部門發(fā)送的基準(zhǔn)頻率信號(hào)，如全球定位系統(tǒng)（GPS）和“北斗”定位系統(tǒng)等發(fā)送的導(dǎo)頻信號(hào)。

按照主從同步的方法，基于附加頻移的跳頻通信可以根據(jù)指揮和作戰(zhàn)單位的隸屬關(guān)系按照?qǐng)D4所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)通信。

在整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中，指揮臺(tái)處于所有跳頻網(wǎng)的指揮中心，負(fù)責(zé)廣播組網(wǎng)模式及分發(fā)組網(wǎng)協(xié)議，同時(shí)作為時(shí)鐘參考站，負(fù)責(zé)發(fā)送同步信息，其他各網(wǎng)電臺(tái)為普通站，用于接收主臺(tái)的同步信息，達(dá)到全網(wǎng)時(shí)鐘同步。

各群網(wǎng)可按照不同的跳頻主序列進(jìn)行劃分，則群網(wǎng)相當(dāng)于進(jìn)行碼分多址（CDMA）接入，各群網(wǎng)內(nèi)又按照不同的跳頻附加序列組成各子網(wǎng)，子網(wǎng)也等同于碼分多址（CDMA）接入。各子網(wǎng)內(nèi)的電臺(tái)數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行增減，子網(wǎng)內(nèi)的各電臺(tái)可按照時(shí)分多址（TDMA）接入或載波偵聽多址（CSMA）接入的方式，也可以按照附加序列移相［9］的方法進(jìn)行多用戶并行通信。兩種用戶的多址接入方式如圖5所示。

圖5 （b）中用戶多址接入的方式等同于增加了子網(wǎng)接入數(shù)，則以下分析主要針對(duì)圖5（a）中的用戶多址接入方式，且均以超短波頻段為例。

4 同步組網(wǎng)性能分析

4.1 頻率碰撞概率

假設(shè)基于附加頻移的跳頻通信同步網(wǎng)中共有N個(gè)子網(wǎng)，則由獨(dú)立碰撞模型可知［10］，設(shè)工作頻段內(nèi)共有q個(gè)頻點(diǎn)，則參考用戶的某個(gè)頻點(diǎn)與其他N－1個(gè)用戶當(dāng)前頻點(diǎn)碰撞的概率為

如果跳頻序列長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則在L個(gè)頻點(diǎn)中恰有i個(gè)頻率發(fā)生碰撞的概率為

由式（2）可知，在相同子網(wǎng)數(shù)的條件下，增大頻點(diǎn)數(shù)q能使碰撞概率Ph減小，則基于附加頻移同步組網(wǎng)和常規(guī)跳頻同步組網(wǎng)在相同子網(wǎng)數(shù)下的碰撞概率如圖6所示。

從圖6可以看到，基于附加頻移的跳頻同步組網(wǎng)在相同的子網(wǎng)數(shù)下碰撞概率小于常規(guī)跳頻同步組網(wǎng)，這是因?yàn)榛诟郊宇l移的跳頻通信增大了可用頻率數(shù)。

4.2 比特差錯(cuò)率

設(shè)調(diào)制方式為FH／MFSK，采用非相干解調(diào)，則沒有發(fā)生頻率碰撞時(shí)的比特差錯(cuò)率為［11］

其中，l＝lb M，Eb為每比特的信號(hào)能量，N0為高斯白噪聲的單邊功率譜密度，如果在某一頻點(diǎn)上發(fā)生了碰撞，則可以假設(shè)由此造成在該頻率上的錯(cuò)誤概率為1／M，則總的比特差錯(cuò)率為

當(dāng)子網(wǎng)數(shù)N一定的條件下，假設(shè)頻率數(shù)目q非常大，則式（2）可近似為

將式（6）中Ph的表達(dá)式代入式（5）中，則比特差錯(cuò)率可寫為

設(shè)信噪比Eb／N0為12 dB，則子網(wǎng)數(shù)與比特差錯(cuò)率之間的關(guān)系如圖7所示。

由圖7可以看到，隨著子網(wǎng)數(shù)N的增加，兩種跳頻模式的比特差錯(cuò)率Pe均在增大，但是在同樣的調(diào)制模式下，基于附加頻移的同步組網(wǎng)比特差錯(cuò)率低于常規(guī)跳頻的比特差錯(cuò)率。另外，從圖中還可以看到，對(duì)于同種模式的跳頻同步組網(wǎng)，更高進(jìn)制的調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的比特差錯(cuò)率更小，則在相同的子網(wǎng)數(shù)下，還可以選擇更高進(jìn)制的FSK調(diào)制來減小同步組網(wǎng)的比特差錯(cuò)率。

4.3 頻點(diǎn)利用率

對(duì)于跳頻同步組網(wǎng)，頻點(diǎn)利用率η可定義為子網(wǎng)數(shù)N實(shí)際所用頻點(diǎn)數(shù)q占工作頻段總頻點(diǎn)數(shù)Q的百分比，則有

對(duì)于常規(guī)跳頻同步組網(wǎng)，頻點(diǎn)利用率為256／2320＝11.03%，對(duì)于相同的子網(wǎng)數(shù)N，基于附加頻移的跳頻同步組網(wǎng)頻點(diǎn)利用率可達(dá)到100%。

頻點(diǎn)利用率越高，說明頻率資源利用越充分，避免了頻譜資源的浪費(fèi)。從抗干擾的角度，頻點(diǎn)利用率越高，系統(tǒng)的抗阻塞干擾能力越強(qiáng)，特別是抗多頻以及梳狀干擾能力。

提高頻點(diǎn)利用率還有利于提高抗跟蹤干擾能力。一方面，提高頻點(diǎn)利用率，增大了敵方偵察分選的難度，使敵方難以確定通信網(wǎng)的干擾目標(biāo)和干擾頻率集；另一方面，還使得跟蹤干擾機(jī)需要更大的干擾帶寬和頻率集，增大了敵方的跟蹤干擾難度。

5 同步組網(wǎng)優(yōu)化

為了減小碰撞概率和增大抗干擾性能，可以對(duì)基于附加頻移的跳頻同步組網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要根據(jù)群網(wǎng)和子網(wǎng)的數(shù)量配置進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)不同的網(wǎng)系規(guī)劃，群網(wǎng)數(shù)量和各子網(wǎng)數(shù)量可以任意增減，則根據(jù)群網(wǎng)數(shù)和子網(wǎng)數(shù)的變化，工作頻段的跳頻區(qū)間的帶寬大小也應(yīng)該隨之改變，其變化關(guān)系如圖8所示。

如圖8所示，當(dāng)群網(wǎng)數(shù)M較少、子網(wǎng)數(shù)N較多時(shí)，可將跳頻區(qū)間的帶寬設(shè)置得較大，則相應(yīng)的跳頻區(qū)間數(shù)P減少，每個(gè)區(qū)間內(nèi)的可用頻率數(shù)q增多。但是為了減小網(wǎng)間頻率碰撞概率，應(yīng)使得P≥M，即跳頻區(qū)間數(shù)應(yīng)大于或等于群網(wǎng)數(shù)。這樣設(shè)置的目的是在群網(wǎng)數(shù)一定的條件下，能夠增加子網(wǎng)容量而不會(huì)造成碰撞概率的增大，而且使得各子網(wǎng)能在整個(gè)工作頻段內(nèi)更加均勻的分布，增大敵方偵察分選的難度和干擾的難度。

當(dāng)群網(wǎng)數(shù)M較多，而子網(wǎng)數(shù)N較少時(shí)，可將跳頻區(qū)間的帶寬設(shè)置得較小，則相應(yīng)的跳頻區(qū)間數(shù)P增加，每個(gè)區(qū)間內(nèi)的可用頻率數(shù)q減少。這樣設(shè)置的目的是為了減小頻率碰撞概率。

6 結(jié)論

本文針對(duì)常規(guī)跳頻同步組網(wǎng)頻點(diǎn)利用率低的缺點(diǎn)提出了一種基于附加頻移的跳頻同步組網(wǎng)方案。通過分析可知，在相同的子網(wǎng)數(shù)下，基于附加頻移的跳頻同步組網(wǎng)具有更高的頻點(diǎn)利用率和更低的頻率碰撞概率和比特差錯(cuò)率。最后根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量配置對(duì)基于附加頻移的跳頻同步組網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步減小了碰撞概率和提高了抗干擾性能。

但應(yīng)注意到，基于附加頻移的跳頻同步組網(wǎng)在網(wǎng)間同步和電臺(tái)間的收發(fā)同步上較常規(guī)跳頻同步組網(wǎng)更復(fù)雜，而且存在較大的時(shí)間延遲，這也是今后重點(diǎn)研究和改進(jìn)的方向。

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LI Si-qi was born in Neijiang，Sichuan Province，in 1988.He received the B.S.degree froMSouthwest Jiaotong University in 2011.He is now a graduate student.His research concerns theory and technology of frequency hopping communications.

Email：lisiqi147＠126.com

全厚德（1963—），男，遼寧大連人，博士，教授，主要研究方向?yàn)榍閳?bào)指揮系統(tǒng)、通信設(shè)備性能測(cè)試；

QUAN Hou-de was born in Dalian，Liaoning Province，in 1963.He is now a professor with the Ph.D.degree.His research concerns information command systeMand test of communication equipment.

崔佩璋（1974—），男，山西長(zhǎng)治人，2005年獲工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。

CUI Pei-zhang was born in Changzhi，Shanxi Province，in 1974.He received the M.S.degree in 2005.He isnow a lecturer. His research concerns communication and information system.

Design and Analysis of Frequency-hopping Synchronization Networking Based on Additional Frequency Shift

LISi-qi，QUAN Hou-de，CUIPei-zhang
（Department of Information Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

To improve the frequency utilization of frequency-hopping（FH）synchronization networking，a scheme of FH synchronization networking based on additional frequency shift is proposed.First，themodel of FH communication based on additional frequency shiftand the implementation of transmitter and receiver sidesare presented. Then，based on this FH communicationmodel，network topology of synchronnization networking is provided.With this scheme，all the available frequencies in the operating band can be used for synchronization networking and the frequency utilization isalso improved.Furthermore，the analysis indicates that this scheme has lower hitprobability and bit error rate（BER）under the same networks compared with the conventional FH synchronization networking. Meanwhile，this scheme increases difficulties for hostile reconnaissance，sorting and jamming.

FH synchronization networking；additional frequency shift；frequency utilization；hit probability

date：2012－10－26；Revised date：2013－03－12

??通訊作者：lisiqi147＠126.coMCorresponding author：lisiqi147＠126.com

TN914.41

A

1001－893X（2013）06－0768－05

李思奇（1988－），男，四川內(nèi)江人，2011年于西南交通大學(xué)獲電子信息工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘l通信理論與技術(shù)；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.06.019

2012－10－26；

2013－03－12