周期統(tǒng)計(jì)型TDMA動(dòng)態(tài)頻率選擇算法

劉宏偉，羅衛(wèi)兵，李德梅，鄭垚睿

(1．武警工程大學(xué)，陜西 西安 710086; 2．武警內(nèi)蒙古總隊(duì)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 014000)

周期統(tǒng)計(jì)型TDMA動(dòng)態(tài)頻率選擇算法

劉宏偉1，羅衛(wèi)兵1，李德梅2，鄭垚睿1

(1．武警工程大學(xué)，陜西 西安 710086; 2．武警內(nèi)蒙古總隊(duì)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 014000)

時(shí)分多址接入(TDMA)技術(shù)是利用時(shí)間的正交性實(shí)現(xiàn)信道共享，網(wǎng)內(nèi)各個(gè)站點(diǎn)按照時(shí)隙方式工作，不存在發(fā)生碰撞和相互競(jìng)爭(zhēng)問題，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。但在復(fù)雜電磁環(huán)境下，由于定頻通信模式的限制，其抗干擾性能下降明顯，針對(duì)這一問題，提出一種周期統(tǒng)計(jì)的TDMA動(dòng)態(tài)頻率選擇(DFS)算法，給出了算法處理過程，并進(jìn)行了理論分析及實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在復(fù)雜電磁環(huán)境下，算法可以增強(qiáng)TDMA網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)吞吐量。

TDMA；抗干擾；動(dòng)態(tài)頻率選擇；周期統(tǒng)計(jì)

0 引言

時(shí)分多址接入(Time Divide Multiple Access，TDMA)技術(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾能力［1］，然而，在復(fù)雜電磁環(huán)境下，不同通信設(shè)備之間互相干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致背景噪聲加劇，TDMA的抗干擾性能明顯下降，實(shí)際通信效果受到嚴(yán)重制約。廣泛應(yīng)用在IEEE 802．11［2］和HiperLAN［3］等無線網(wǎng)絡(luò)中的DFS算法，可以自適應(yīng)地調(diào)整頻率躲避干擾，是一種提高抗干擾性能的有效方法。文獻(xiàn)［4－6］中通過頻率判決方法的改進(jìn)進(jìn)一步優(yōu)化了動(dòng)態(tài)頻率選擇算法，但僅僅局限于發(fā)現(xiàn)干擾，躲避干擾，并沒有針對(duì)系統(tǒng)整體性能進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)［7］中利用經(jīng)典算法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)整體性能，但是其算法復(fù)雜度高，對(duì)基站系統(tǒng)運(yùn)算資源要求較高，系統(tǒng)損耗較大。復(fù)雜電磁環(huán)境下，干擾是隨機(jī)變化的，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，每時(shí)每刻的測(cè)量值都不同，但是其期望值以及方差變化不大［8］。

1 周期統(tǒng)計(jì)的DFS算法工作原理

描述算法過程前首先定義頻道質(zhì)量Q(f)來表征信道f的受干擾程度。測(cè)試和理論分析表明自身干擾的大小與移動(dòng)終端的地理位置、相鄰?fù)lAP重疊區(qū)內(nèi)終端的數(shù)量以及整個(gè)系統(tǒng)所加載的業(yè)務(wù)量大小都有關(guān)系，所以干擾值是個(gè)隨機(jī)變量，Q(f)也是個(gè)隨機(jī)變量。系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)的丟包數(shù)量以及系統(tǒng)時(shí)延能夠直接反映頻道質(zhì)量，因此提出一種以平均丟包率和時(shí)延作為標(biāo)準(zhǔn)的頻道質(zhì)量判決方法，CPE在測(cè)試階段連續(xù)發(fā)送測(cè)試包，AP通過統(tǒng)計(jì)測(cè)試階段測(cè)試包的平均丟包率和時(shí)延來判決測(cè)試頻道的質(zhì)量，則頻率f對(duì)于CPE的信道質(zhì)量Q(f)公式可表示為:

式中，f為測(cè)試頻率;p0是測(cè)量周期內(nèi)發(fā)包總數(shù);p是測(cè)量周期內(nèi)丟包總數(shù);c是丟包率門限值;t0表示信道空閑狀態(tài)下接收包的時(shí)延門限值;t是測(cè)量周期內(nèi)接收到的包的平均時(shí)延;當(dāng)Q(f)=1時(shí)，頻道f定義為好頻率，加入好頻率集合集合fg;當(dāng)Q(f)=0時(shí)，頻道f被定義為壞頻率，加入壞頻率集合fb;實(shí)際應(yīng)用中c和t0受不同業(yè)務(wù)類型影響，Q(f)值實(shí)際上反映了跳頻周期內(nèi)，頻道f是否能夠保證CPE實(shí)現(xiàn)相應(yīng)業(yè)務(wù)類型數(shù)據(jù)的高速可靠傳輸。

周期統(tǒng)計(jì)型TDMA動(dòng)態(tài)頻率選擇算法按照時(shí)間順序可分為4個(gè)階段:初始化階段、測(cè)試階段、運(yùn)行階段和調(diào)整階段。各階段具體過程如下:

①初始化階段:網(wǎng)絡(luò)內(nèi)CPE向AP發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，接入點(diǎn)AP根據(jù)節(jié)點(diǎn)CPE的入網(wǎng)請(qǐng)求，關(guān)聯(lián)相關(guān)CPE并記錄所有已入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息;AP以廣播的形式向所有關(guān)聯(lián)CPE發(fā)送測(cè)試請(qǐng)求幀，CPE收到測(cè)試請(qǐng)求幀后，進(jìn)入測(cè)試階段;

②測(cè)試階段:AP及CPE掃描所有可用信道，根據(jù)頻道質(zhì)量判決機(jī)制對(duì)可用頻道進(jìn)行分類，形成初始好頻率集合fg和初始?jí)念l率集合fb，CPE形成測(cè)試報(bào)告，以測(cè)試報(bào)告幀形式向AP發(fā)送頻道質(zhì)量信息，AP根據(jù)各CPE測(cè)試報(bào)告及自己測(cè)量結(jié)果，隨即選擇使用好頻率集合fg中頻道f，進(jìn)入運(yùn)行階段;

③運(yùn)行階段:CPE向AP發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求幀，AP根據(jù)各CPE數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求開始輪訓(xùn)調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)間隔Tdfs時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行一次頻率變換，變換周期內(nèi)，每Tdfs/m時(shí)長(zhǎng)利用DFS幀向所有CPE發(fā)送信道切換聲明信息元素，CPE只要在頻率變換之前收到通告信息，就會(huì)在下一個(gè)跳頻時(shí)刻按照預(yù)告頻率表進(jìn)行頻率變換;

④調(diào)整階段:初始階段之后，關(guān)聯(lián)CPE默認(rèn)在跳頻間隔前進(jìn)行頻道質(zhì)量測(cè)試并向AP發(fā)送測(cè)試報(bào)告信息，AP收到測(cè)試報(bào)告信息后，更新fg和fb，AP從集合fg中選擇頻率f，進(jìn)入運(yùn)行階段。

2 算法性能分析

2.1 收斂性分析

算法的收斂性證明主要是指在存在干擾的情況下，頻率的周期性變化能否確保系統(tǒng)干擾收斂。雖然應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不同，但是可以采取與文獻(xiàn)［9］類似的方法保證算法的收斂性。

2.2 吞吐量分析

考慮點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(PTMP)模式，一個(gè)基站AP，m個(gè)接入點(diǎn)CPE，N個(gè)備選頻率，i個(gè)干擾源。假設(shè)AP為TDD雙工工作方式，與CPE同頻，CPE與干擾源分布在半徑a的區(qū)域范圍內(nèi)，均采用半雙工工作方式，發(fā)送功率相同。在跳頻間隔T時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，發(fā)送分組的概率為p，接收分組的概率為1－p，如果節(jié)點(diǎn)(包括CPE及干擾源)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的分布位置服從泊松點(diǎn)過程，節(jié)點(diǎn)分布密度為λ，那么，根據(jù)泊松分布性質(zhì)，在每個(gè)時(shí)隙寬度T0時(shí)間內(nèi)發(fā)送分組的節(jié)點(diǎn)數(shù)目服從參數(shù)為pλ的泊松分布，因此，在T0時(shí)間內(nèi)有k個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組的概率可以表示為:

則k個(gè)CPE發(fā)送數(shù)據(jù)的概率可以表示為:

k個(gè)干擾源產(chǎn)生干擾的概率可以表示為:

若對(duì)于第k個(gè)CPE，每個(gè)數(shù)據(jù)分組成功傳輸?shù)母怕蕿镼s(k)，信息傳輸速率為R，則單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)成功發(fā)送數(shù)據(jù)分組的平均數(shù)量，即系統(tǒng)上下鏈路總吞吐量可以表示為:

假設(shè)無線傳輸環(huán)境為瑞利衰落信道，P0，PI均為隨機(jī)變量，那么其概率密度函數(shù)可表示為［10］:

則干擾功率的聯(lián)合密度函數(shù)可表示為:

由式(6)可得:

由式(7)、式(8)、式(9)可得，在每個(gè)跳頻間隔內(nèi)發(fā)送分組的節(jié)點(diǎn)k，在干擾源數(shù)為i的情況下，分組被正確接收的平均概率ps(k)可以表示為在多維隨機(jī)變量Ep和Er上求ps(k)的期望:

代入式(5)可得，在跳頻間隔內(nèi)存在i個(gè)干擾源的情況下，其系統(tǒng)吞吐量為:

引入DFS算法后，系統(tǒng)損耗為跳頻間隔內(nèi)DFS通告及測(cè)量結(jié)果上報(bào)所占用的時(shí)隙，假設(shè)經(jīng)過DFS測(cè)量后，則其系統(tǒng)吞吐量為:

式中，tm為跳頻間隔前CPE的信道質(zhì)量測(cè)試時(shí)間，ntdfs表示跳頻間隔AP向CPE發(fā)送n次DFS幀的時(shí)間。

由式(13)可得以下結(jié)論:i個(gè)干擾點(diǎn)的情況下，通過降低干擾產(chǎn)生概率Gi(k)可以使系統(tǒng)吞吐量實(shí)現(xiàn)i次方的提升。

不同干擾情況下，算法存在最佳頻率變換周期使得系統(tǒng)吞吐量最優(yōu)。頻率變換周期決定干擾檢測(cè)準(zhǔn)確率和系統(tǒng)損耗，干擾點(diǎn)數(shù)量一定的情況下，隨著頻率變換周期的減小，系統(tǒng)損耗增大，干擾檢測(cè)準(zhǔn)確率增大。頻率變換周期較小或者較大時(shí)，系統(tǒng)損耗或干擾檢測(cè)準(zhǔn)確率都會(huì)制約系統(tǒng)吞吐量，只要選取合適的頻率變換周期就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最優(yōu)。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)環(huán)境參考文獻(xiàn)［12］描述的硬件平臺(tái)，設(shè)置有1個(gè)AP，10個(gè)CPE，按照星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布，5個(gè)干擾源，隨機(jī)放置。加入頻率選擇功能，設(shè)置調(diào)制方式為QPSK，帶寬為20 MHz，備選頻率數(shù)為10。網(wǎng)絡(luò)帶寬測(cè)試軟件采用IxChariot，測(cè)試指標(biāo)為不同干擾源及頻率變換周期Tdfs下的系統(tǒng)的吞吐量。

跳頻間隔為500 ms時(shí)，不同干擾情況下本文算法與文獻(xiàn)［12］所提算法系統(tǒng)平均吞吐量對(duì)比如圖1所示，在理想情況下，算法產(chǎn)生系統(tǒng)損耗導(dǎo)致了吞吐量的降低，但是隨著干擾的增加，與未加入DFS算法的文獻(xiàn)［12］所提算法相比，系統(tǒng)的吞吐量有了明顯提高。這說明在干擾較強(qiáng)時(shí)，本文算法可以優(yōu)化信道，實(shí)時(shí)避開干擾，提高系統(tǒng)性能。

圖1 不同干擾下吞吐量對(duì)比

干擾源數(shù)量為5時(shí)，不同跳頻間隔對(duì)吞吐量的影響如圖2所示，隨著跳頻間隔的增大，系統(tǒng)吞吐量先增大后減小，在300 ms時(shí)，系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最優(yōu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上節(jié)理論分析結(jié)論相同，這說明算法系統(tǒng)損耗與抗干擾性能存在相互制約的關(guān)系，在干擾源數(shù)量一定的情況下，存在最佳頻率變換間隔使得系統(tǒng)吞吐量最優(yōu)。

圖2 不同跳頻間隔吞吐量對(duì)比

4 結(jié)束語

本文提出的周期統(tǒng)計(jì)的DFS算法，通過發(fā)送測(cè)試包的方式進(jìn)行周期性的信道質(zhì)量估計(jì)，可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)受干擾頻點(diǎn)，躲避干擾，增強(qiáng)TDMA網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾能力，提高系統(tǒng)吞吐量。相比傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)頻率算法，本文算法可以實(shí)現(xiàn)類似慢跳頻的功能，提高了網(wǎng)絡(luò)的保密安全性能。跳頻技術(shù)作為目前軍事通信抗干擾的主要手段之一［13］，雖然也能夠?qū)崿F(xiàn)抗干擾以及保密功能，但是系統(tǒng)損耗嚴(yán)重。本文算法在實(shí)現(xiàn)抗干擾的前提下，提高了系統(tǒng)保密性能，可以應(yīng)用于軍事抗干擾通信中。實(shí)驗(yàn)分析表明，在不同的電磁干擾環(huán)境下，可以通過優(yōu)化算法中頻率變換間隔這一參數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最優(yōu)。

［1］王塬琨，毛玉泉，丁笑亮，等．一種基于優(yōu)先級(jí)的TDMA動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法[J]．艦船電子工程，2009(11):83－86．

［2］Brian P C，Indra W，Jeong G K，et al．IEEE 802．11 wireless local area networks[J]．IEEE Communications Magazine，1997，35(9):116－126．

［3］ETSI TR 101 683 V1．1．1(2000－02)，Broadband Radio Access Networks(BRAN)，HiperLAN Type 2;System O-verview[S]．

［4］Jorg H，Gerd Z．Impact of decentralizedadaptive frequency allocation on the system performance of HIPERLAN/2［C］∥2000 IEEE 51stVehicular Technology Conference Proceedings，Tokyo，2000:895－900．

［5］許國(guó)軍，沈連豐，胡靜，等．小區(qū)域移動(dòng)通信系統(tǒng)動(dòng)態(tài)頻率選擇算法的研究[J]．電子學(xué)報(bào)，2003(10):1598－1600．

［6］姜靜，曾艷，孫長(zhǎng)印，等．基于聯(lián)合優(yōu)化的WLAN動(dòng)態(tài)頻率選擇改進(jìn)算法[J]．電訊技術(shù)．2013，53(7): 873－877．

［7］許國(guó)軍，沈連豐，宋鐵成，等．WLAN/WPAN環(huán)境中模擬退火動(dòng)態(tài)頻率選擇算法的研究[J]．通信學(xué)報(bào)，2004，25(5):60－66．

［8］Christer J，Jonas N，Magnus M．EricssonRadio Systems AB，Adaptive Frequency Allocation of BCCH Frequencies In GSM［C］∥Proceeding 45th IEEE VTC，USA，1995 (1):107－111．

［9］許國(guó)軍，沈連豐．WLAN/WPAN系統(tǒng)中DFS算法參數(shù)對(duì)性能的影響[J]．東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，03，34(2):143－147．

［10］Hou ting-chao，Victor L．Transmission Range Control in Multihop Packet Radio Networks[J]．IEEE Transactions on communications，1986，34(1):38－44．

［11］Elvino S S，John A S．Optimum Transmission Ranges in A Direct-Sequence Spread-Spectrum Multihop Packet Radio Network[J]．IEEE Journal On Selected Areas In Communications，1990，8(5):762－771．

［12］史明偉．基于IEEE 802．11硬件平臺(tái)的TDMA多址協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．西安:西安電子科技大學(xué)，2013．

［13］楊同茂．軍事通信抗干擾技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J]．通信技術(shù)，2014，7(47):707－712．

Dynamic Frequency Selection Algorithm Based on Cycle Statistics in TDMA

LIU Hong-wei1，LUO Wei-bing1，LI De-mei2，ZHENG Yao-rui1
(1．Department of Information Engineering，Engineering University of CAPF，Xi'an Shaanxi 710086，China; 2．Headquarters，Inner MongoliaUnit of CAPF，Huhhot Inner Mongolia 014000，China)

The Time Division Multiple Access(TDMA)network uses time orthogonality to achieve channel sharing and various nodes of network work in term of timeslot mode，so collision and competition do not exist．However，in the complex electromagnetic environment，the anti-jamming performance degradation of TMDA decreases obviously because of the limitation of fixed frequency communication mode．In view of this problem，a dynamic frequency selection algorithm based on cycle statistics in TDMA is put forward．The processing procedure of the algorithms is given，and the theoretical analysis and experiment are performed．The results show that the algorithm can enhance the anti-jamming capability of the TDMA network and improve the system throughput in the complex electromagnetic environment．

TDMA;anti-jamming;DFS;cycle statistics

TN919．4

A

1003－3114(2015)05－50－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.13

劉宏偉，羅衛(wèi)兵，李德梅，等．周期統(tǒng)計(jì)型TDMA動(dòng)態(tài)頻率選擇算法［J］．無線電通信技術(shù)，2015，41(5):50－52，63．

2015－05－06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61309008)

劉宏偉(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向:軍事信息學(xué)。羅衛(wèi)兵(1969—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向:軍事信息學(xué)。