基于粗同步跳頻規(guī)律的時(shí)隙頭提取技術(shù)

董石磊，李　悅，劉志榮

(1.中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽(yáng) 471003；

2.中電電子進(jìn)出口總公司，北京 100036)

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基于粗同步跳頻規(guī)律的時(shí)隙頭提取技術(shù)

董石磊1，李悅2，劉志榮2

(1.中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽(yáng) 471003；

2.中電電子進(jìn)出口總公司，北京 100036)

摘要：戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中，時(shí)分多址接入(Time Division Multiple Access,TDMA)技術(shù)具有良好的抗截獲和抗干擾能力，組網(wǎng)靈活，因此得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)偵察TDMA系統(tǒng)時(shí)需要確定時(shí)隙頭位置(即時(shí)隙首脈沖到達(dá)時(shí)間)的問(wèn)題，在對(duì)TDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和時(shí)隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研究時(shí)隙結(jié)構(gòu)中粗同步部分32個(gè)脈沖存在的固有跳頻規(guī)律，通過(guò)仿真分析提出了基于該跳頻規(guī)律的時(shí)隙頭提取方法，在脈沖丟失概率較高的情況下對(duì)該方法進(jìn)行了蒙特卡羅仿真測(cè)試，仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性，從而為后續(xù)的時(shí)隙分析奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：TDMA；跳頻圖案；模板匹配；時(shí)隙頭

0引言

TDMA體制數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)通常具有一套基于時(shí)間分配的接入體制，與其他體制相比，TDMA效率更高，支持的功能更強(qiáng)大，是目前各國(guó)數(shù)據(jù)鏈裝備研究的重點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景。

TDMA體制數(shù)據(jù)鏈將時(shí)間軸劃分為若干個(gè)時(shí)元，每個(gè)時(shí)元?jiǎng)澐譃槿舾蓚€(gè)時(shí)幀，每個(gè)時(shí)幀劃分為若干個(gè)時(shí)隙。時(shí)隙是TDMA網(wǎng)絡(luò)中最基本的時(shí)間單位，將這些時(shí)間單位分配給每一個(gè)參與的系統(tǒng)終端以實(shí)現(xiàn)特定功能[1]。

對(duì)基于時(shí)隙分配的TDMA系統(tǒng)終端進(jìn)行偵察處理，準(zhǔn)確提取出時(shí)隙頭至關(guān)重要，它是進(jìn)行后續(xù)時(shí)隙序列分選實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)時(shí)隙分離的基礎(chǔ)，目前對(duì)該問(wèn)題還未見(jiàn)有相關(guān)報(bào)道。本文基于時(shí)隙結(jié)構(gòu)中粗同步跳頻的規(guī)律，研究滿足復(fù)雜電磁環(huán)境下的時(shí)隙頭提取算法，在脈沖丟失概率較高時(shí)，采用模板匹配的方法來(lái)提高算法的魯棒性，保證時(shí)隙頭提取的準(zhǔn)確性。

1TDMA系統(tǒng)

1.1　TDMA結(jié)構(gòu)

TDMA體制數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)將每24個(gè)小時(shí)分割為112.5個(gè)信號(hào)周期，每個(gè)信號(hào)周期持續(xù)時(shí)間為12.8 min，稱為一個(gè)時(shí)元。一個(gè)時(shí)元可進(jìn)一步分為98 304個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙持續(xù)時(shí)間為7.812 5 ms。時(shí)隙是聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)中最基本的時(shí)間單位。將這些時(shí)間單位分配給每一個(gè)參與的系統(tǒng)終端以實(shí)現(xiàn)特定功能[1-3]。

在一個(gè)時(shí)元中，時(shí)隙被依次編入3個(gè)時(shí)隙組，即A組、B組、C組，并且以重復(fù)循環(huán)方式交替出現(xiàn)。例如，A0、B0、C0，隨后是A1、B1、C1直到A32767、B32767、C32767。這樣每個(gè)時(shí)元中的每一個(gè)時(shí)隙均有確切的命名，對(duì)所有時(shí)元該序列都是重復(fù)出現(xiàn)的，如圖1所示。

圖1　時(shí)分多址結(jié)構(gòu)

1.2　時(shí)隙結(jié)構(gòu)

在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)，聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)終端既可被設(shè)定為發(fā)送狀態(tài)也可被設(shè)定為接收狀態(tài)。因此，每個(gè)時(shí)隙都是一次傳輸時(shí)間。一個(gè)時(shí)隙由若干個(gè)部分組成，這些分量按先后順序排列：抖動(dòng)、粗同步、精同步、報(bào)頭、消息、傳播保護(hù)[4-7]，如圖2所示。

圖2　時(shí)隙結(jié)構(gòu)

時(shí)隙開(kāi)始時(shí)的那段延時(shí)或靜寂時(shí)間稱為抖動(dòng)。在此期間不發(fā)送脈沖。每個(gè)時(shí)隙間的偽隨機(jī)抖動(dòng)檔次是互不相同的，這種偽隨機(jī)方式可通過(guò)傳輸保密變量來(lái)確定。抖動(dòng)有益于信號(hào)的抗干擾性，因?yàn)樗沟酶蓴_機(jī)很難確定何時(shí)發(fā)射干擾信號(hào)。

抖動(dòng)之后的兩組預(yù)定脈沖碼元包也稱作粗同步和精同步。接收機(jī)利用這些模式可以識(shí)別信號(hào)并與信號(hào)同步。隨后是報(bào)文傳送部分，在這些脈沖中包含報(bào)頭與數(shù)據(jù)信息。時(shí)隙的末端是一段保護(hù)期，在此期間可進(jìn)行信號(hào)傳播。

因此，在時(shí)隙的粗同步、精同步、報(bào)頭和消息中一系列碼元被加密到載有信息的脈沖中再發(fā)射出去。抖動(dòng)和傳播保護(hù)部分屬于靜寂時(shí)間，在此期間不發(fā)射脈沖。

2時(shí)隙頭提取關(guān)鍵技術(shù)

2.1　時(shí)隙粗同步跳頻規(guī)律

每個(gè)時(shí)隙的起始脈沖即為粗同步的首脈沖，粗同步包含16個(gè)雙脈沖符號(hào)，使正在接收的單元實(shí)現(xiàn)與發(fā)射信號(hào)的粗同步。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，不同時(shí)隙的粗同步跳頻圖案是不同的。在同一個(gè)時(shí)隙中，不同網(wǎng)絡(luò)的粗同步跳頻圖案也不同。跳頻圖案一般由網(wǎng)絡(luò)號(hào)和傳輸加密變量來(lái)決定。雖然粗同步跳頻圖案不同時(shí)隙各不相同，但是粗同步的跳頻方式存在一定的規(guī)律性，即通常在頻率集中隨機(jī)選取8個(gè)頻點(diǎn)，在粗同步的32個(gè)脈沖中基于一定規(guī)律在這8個(gè)頻點(diǎn)中復(fù)用，如圖3所示。

圖3　粗同步跳頻規(guī)律

2.2　跳頻規(guī)律模板匹配法

以上述粗同步跳頻規(guī)律為例，可對(duì)8個(gè)復(fù)用的頻點(diǎn)基于脈沖重復(fù)間隔建立如下模板：

在脈沖丟失率較大時(shí)，還可擴(kuò)展到第2組8個(gè)頻點(diǎn)建立如下模板：

由上述模板可見(jiàn)，f1和f2、f3和f4、f5和f6、f7和f8模板內(nèi)容相同，因此單純判斷一個(gè)頻點(diǎn)滿足上述模板要求還不能確定出時(shí)隙頭的位置。若要準(zhǔn)確確定出時(shí)隙頭的位置，必須有諸如f1和f4、f2和f3等奇數(shù)間隔的頻點(diǎn)同時(shí)滿足模板要求。通常是將前16個(gè)脈沖重復(fù)間隔內(nèi)的所有脈沖全部進(jìn)行判斷，通過(guò)奇數(shù)間隔的頻點(diǎn)確定出時(shí)隙頭位置，并對(duì)這些位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，剔除個(gè)別頻點(diǎn)誤判引入的錯(cuò)誤結(jié)果，以峰值作為準(zhǔn)確的時(shí)隙頭位置。算法流程如圖4所示。

在上述算法中，值得說(shuō)明的是，若在同一時(shí)隙內(nèi)存在多個(gè)目標(biāo)的脈沖序列，需要根據(jù)脈沖重復(fù)間隔首先進(jìn)行脈沖分選，分離出不同目標(biāo)的脈沖序列再進(jìn)行后續(xù)時(shí)隙頭提取處理。

圖4　時(shí)隙頭提取算法流程圖

2.3　時(shí)隙分區(qū)重復(fù)率計(jì)算

在聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)中，時(shí)隙是以時(shí)隙分區(qū)的形式分配給各個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端[8-10]。時(shí)隙分區(qū)由3種變量定義：一個(gè)時(shí)隙組(A、B或C)，一個(gè)起始數(shù)字或索引號(hào)(0~32 767)以及重復(fù)率。重復(fù)率表示在某個(gè)時(shí)隙分區(qū)中有多少個(gè)時(shí)隙。由于這些時(shí)隙是平均分布的，因此可知它們發(fā)生的次數(shù)[11,12]。若在時(shí)隙組A中的時(shí)隙總數(shù)是32 768或215，該組的時(shí)隙分布是每3個(gè)時(shí)隙間隔出現(xiàn)一次，可以用A-0-15表示，其重復(fù)率為15；若A組時(shí)隙數(shù)為一半時(shí)，即16 384或214，它們將每6個(gè)時(shí)隙出現(xiàn)一次，其重復(fù)率為14；若時(shí)隙數(shù)再為此數(shù)的一半，將每12個(gè)時(shí)隙出現(xiàn)一次，其重復(fù)率是13，通過(guò)時(shí)隙間隔來(lái)計(jì)算時(shí)隙分區(qū)的重復(fù)率公式如下：

(1)

式中，r表示重復(fù)率，I表示時(shí)隙間隔。因此，時(shí)隙間隔的準(zhǔn)確性對(duì)重復(fù)率的計(jì)算有直接影響，而時(shí)隙頭的檢測(cè)概率是決定時(shí)隙間隔的重要因素，若時(shí)隙頭丟失較多，在判斷時(shí)隙間隔時(shí)就會(huì)出現(xiàn)倍數(shù)的結(jié)果。

3算法適用性仿真

按照?qǐng)D2中的時(shí)隙結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)置時(shí)隙內(nèi)脈沖的參數(shù)，每個(gè)時(shí)隙的脈沖數(shù)量設(shè)定為258個(gè)，并以圖3中的跳頻規(guī)律來(lái)隨機(jī)設(shè)置時(shí)隙中粗同步的跳頻圖案。通過(guò)產(chǎn)生1 000組時(shí)隙的脈沖描述字?jǐn)?shù)據(jù)流，對(duì)不同脈沖丟失概率條件下的時(shí)隙頭檢測(cè)率進(jìn)行蒙特卡羅仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

由2.3節(jié)可知，時(shí)隙頭的檢測(cè)概率是影響時(shí)隙分區(qū)重復(fù)率計(jì)算準(zhǔn)確性的重要因素，因此在不同時(shí)隙頭檢測(cè)概率條件下，對(duì)重復(fù)率計(jì)算的準(zhǔn)確性進(jìn)行了蒙特卡羅仿真。為了能直接體現(xiàn)算法的適用性，以脈沖丟失率為仿真輸入條件，將時(shí)隙頭提取算法獲得的時(shí)隙頭序列在計(jì)算時(shí)隙之間的間隔后，利用式(1)來(lái)計(jì)算時(shí)隙分區(qū)的重復(fù)率，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，通過(guò)峰值來(lái)判斷計(jì)算的準(zhǔn)確性。通過(guò)該方式得到的仿真結(jié)果如圖6所示?？梢?jiàn)當(dāng)脈沖丟失概率在50%及其以下時(shí)，圖5所示的時(shí)隙頭檢測(cè)概率優(yōu)于48%，圖6中重復(fù)率計(jì)算的準(zhǔn)確率可達(dá)100%，以此驗(yàn)證了在脈沖丟失概率高達(dá)50%時(shí)，基于模板匹配的時(shí)隙頭提取算法是有效的，可完成時(shí)隙頭提取并準(zhǔn)確計(jì)算出時(shí)隙分區(qū)的重復(fù)率。

圖5　不同脈沖丟失概率下的時(shí)隙頭檢測(cè)概率

圖6　不同脈沖丟失概率下重復(fù)率計(jì)算準(zhǔn)確率

4結(jié)束語(yǔ)

提出了一種基于時(shí)隙粗同步跳頻規(guī)律的時(shí)隙頭提取方法，該方法的主要思想是利用同頻脈沖之間的脈沖間隔生成模板，通過(guò)模板匹配的方法對(duì)時(shí)隙頭進(jìn)行確定。結(jié)合實(shí)際中對(duì)時(shí)隙脈沖的檢測(cè)概率，對(duì)該方法確定時(shí)隙頭的準(zhǔn)確性進(jìn)行了蒙特卡羅仿真，并通過(guò)對(duì)時(shí)隙分區(qū)重復(fù)率的計(jì)算來(lái)驗(yàn)證該方法的有效性。仿真結(jié)果表明在脈沖丟失概率為50%及其以下時(shí)，通過(guò)該算法可以得到準(zhǔn)確的時(shí)隙分區(qū)重復(fù)率，從而表明該算法適用于在復(fù)雜電磁環(huán)境下對(duì)TDMA系統(tǒng)的時(shí)隙處理，并且算法簡(jiǎn)單，易于在工程實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]梅文華,蔡善法.JTIDS/Link16數(shù)據(jù)鏈[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007:66-75.

[2]駱光明,楊 斌,邱致和，等.數(shù)據(jù)鏈:信息系統(tǒng)連接武器系統(tǒng)的捷徑[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008:54-87.

[3]孫繼銀,付光遠(yuǎn),車曉春，等.戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009:92-105.

[4]劉進(jìn)軍,傅振宇,李 濤，等.分布式TDMA網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙設(shè)計(jì)技術(shù)[J].移動(dòng)通信,2013(22):58-61.

[5]嚴(yán)忠,齊忠杰.動(dòng)態(tài)TDMA資源分配方法研究與實(shí)現(xiàn)[J].移動(dòng)通信,2010(6):41-44.

[6]許向陽(yáng),程文清.TDMA網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙同步技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2002,30(1):50-53.

[7]王寶康,陳強(qiáng).戰(zhàn)術(shù)TDMA網(wǎng)絡(luò)分析與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(23):21-26.

[8]商英俊,黃 偉,賈慧英.動(dòng)態(tài)TDMA接入?yún)f(xié)議仿真分析[J].無(wú)線電通信技術(shù),2011,37(3):23-25.

[9]齊忠杰,李春風(fēng),牛增新.一種拓?fù)渥赃m應(yīng)TDMA時(shí)幀同步方法[J].無(wú)線電工程,2010,40(9):4-6.

[10]崔佳巍,郝志安,齊忠杰，等.一種無(wú)線組網(wǎng)中的TDMA時(shí)隙調(diào)整協(xié)議[J].無(wú)線電通信技術(shù),2010,36(5):4-5.

[11]夏白樺,李洪業(yè),陶曉宇，等.時(shí)分多址數(shù)據(jù)鏈時(shí)隙分配方法及仿真分析[J].火力與指揮控制,2011,36(4):97-100.

[12]余超,李鳳霞.JTIDS的時(shí)隙分配技術(shù)研究[J].綜合電子信息技術(shù),2006,32(1):36-38.

Technology of Extracting Timeslot Header Based on Coarse
Synchronization Frequency Hopping Pattern

DONG Shi-lei1，Li Yue2，LIU Zhi-rong2

(1.Luoyang Electronic Equipment Test Center of China,Luoyang He’nan 471003,China;

2.China Electronic Import & Export Corporation,Beijing 100036,China)

Abstract：TDMA has wide application in tactical data links in virtue of its good anti-interception,anti-jamming and flexible networking capabilities.Each slot’s pulses can be divided into coarse synchronization,fine synchronization,header and message.By analyzing TDMA system structure and slot structure,the inherent frequency hopping pattern in thirty-two coarse synchronization pulses in timeslot structure.Based on simulation analysis,a timeslot header extraction method is put forward based on the frequency hopping pattern.This method is simulated and tested in the case of pulse lost.The simulation results show that this method is available and can lay a foundation for sequent timeslot analysis.

Key words：TDMA;frequency hopping pattern;template match;timeslot header

作者簡(jiǎn)介：董石磊(1985—)，男，工程師，主要研究方向：電子裝備試驗(yàn)。李悅(1978—)，男，工程師，主要研究方向：電子裝備研制。

收稿日期：2015-06-16

中圖分類號(hào)：TN911

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-3114(2016)01-43-3

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.11

引用格式：董石磊，李悅，劉志榮.基于粗同步跳頻規(guī)律的時(shí)隙頭提取技術(shù)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2016,42(1):43-45，50.