基于TDMA的自組網(wǎng)系統(tǒng)跳頻同步研究

孟旭東

摘要：自組織網(wǎng)絡動態(tài)的分布形式以及無中心節(jié)點的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)特性使得跳頻的頻率同步成為其核心問題之一。本文主要討論完成跳頻同步的前提條件，介紹了幾種常見的跳頻同步方法，并提出了一種基于同步字頭法的頻率同步方法，詳細介紹了其特殊幀結(jié)構(gòu)及同步序列的選取，并完成了該方法同步性能的仿真，該方法可適應于自組網(wǎng)傳輸系統(tǒng)，具有抗阻塞式干擾能力且同步可靠性高。

關鍵詞：跳頻同步；TDMA；自組網(wǎng)

中圖分類號：TN911文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）16-55-5

0引言

跳頻通信系統(tǒng)是載波頻率按照一定的跳頻圖案在相對較寬的頻率范圍內(nèi)隨機跳變的通信收發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)的抗干擾能力強、保密性好、頻譜利用率高，并且具有抗多徑、抗衰落的性能。

通信的首要問題是搜索和消除收發(fā)端頻率和時間差。組網(wǎng)是在通信的基礎上，解決全網(wǎng)頻率和時間差。跳頻同步是頻率和時間的同步，保證發(fā)射機和接收機兩端在同一時間范圍內(nèi)的載波一致性，及其兩端頻率跳變規(guī)律的一致性。

自組織網(wǎng)由于其系統(tǒng)動態(tài)的分布形式以及無中心節(jié)點的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)特性，跳頻同步是組網(wǎng)通信的關鍵和難點。跳頻同步的設計還與移動速度、通信距離以及抗干擾要求等密切相關。

1同步條件

通信系統(tǒng)實現(xiàn)接收跳頻信號的前提條件是，收發(fā)雙方必須實現(xiàn)跳頻同步，即跳頻發(fā)射機與跳頻接收機在同一相對時間使用相同的頻率。

跳頻同步的內(nèi)容包括：

①全網(wǎng)跳頻頻率集相同；

②全網(wǎng)跳頻圖案相同；

③全網(wǎng)跳變的起始時間一定范圍內(nèi)相同，即時間基準相同。

為保證跳頻通信的保密性，跳頻圖案在不同的時隙不應該重復，而應該做偽隨機變化，跳頻圖案偽隨機跳變的周期越長，則敵方破譯難度越大?；跁r間（Time of Day，TOD）信息控制的跳頻圖案不僅具有良好的偽隨機特性，而且能保證子網(wǎng)中所有節(jié)點具有一致的跳頻圖案。

基本思想是采用小m序列和TOD信息聯(lián)合控制偽隨機碼的狀態(tài)，并由偽隨機碼的狀態(tài)映射到相應的跳頻頻率點上。跳頻同步流程如圖1所示。

跳頻同步性能的好壞對于跳頻通信系統(tǒng)性能有極大的影響，跳頻同步性能要求：自動、快速、可靠、抗干擾性好、同步信號的隱蔽性（抗偵察性能）、失步后能迅速恢復同步。

2同步方法

目前，跳頻同步技術方法主要包括：外同步法、自同步法以及多元組合法。

2.1外同步法

外同步法是指不單純依賴于通信系統(tǒng)本身，借助外界條件而實現(xiàn)跳頻同步的方法，常見的是參考時鐘法。

參考時鐘法是指用高精度時鐘（GPS/北斗等）作為全網(wǎng)的參考時鐘，所有網(wǎng)內(nèi)節(jié)點照此來調(diào)整本節(jié)點的時間基準，完成時間同步。全網(wǎng)預知頻率集與跳頻系列，從而發(fā)射機和接收機都基于同樣的時間基準進行跳頻信號的發(fā)送和解調(diào)。該辦法具有實現(xiàn)簡單、同步快的特點，但對時基的精度和穩(wěn)定度要求極高，且違背了自主織網(wǎng)通信理念，對外部時鐘極度依賴，抗打擊能力差。

2.2自同步法

自同步法相對于外同步而言，僅通過通信系統(tǒng)本身完成跳頻的同步，在電磁環(huán)境極其復雜的戰(zhàn)場上，過于依賴外部條件會導致系統(tǒng)的生存能力下降。自同步的過程一般需要先完成頻率同步，再通過接收到的有效信息完成時間同步。

同步方法主要包括同步字頭法、特征自同步法等。同步字頭法是在通信建立前先傳送攜帶有同步信息的數(shù)據(jù)幀，即同步字頭，接收端利用收到的同步信息實現(xiàn)同步。同步字頭中包含完成頻率同步的全部或部分信息，接收機依照同步信息實現(xiàn)跳頻同步。特征自同步法是指通過發(fā)射機發(fā)送的信息序列中隱含同步信息，接收機將該同步信息提取出來，從而實現(xiàn)跳頻同步的方法。采用特征自同步法不需要發(fā)射同步碼字，可達到無信息功率損失。特征自同步法可根據(jù)相關原理直接從接收信號中提取同步信息，在節(jié)省頻率資源和信號功率方面具有優(yōu)點，但是信息序列中所能隱含的同步信息非常有限，受惡劣環(huán)境影響較大。此方法只適用于簡單跳頻序列的跳頻系統(tǒng)，且同步建立的時間較長。因此，目前高速跳頻系統(tǒng)通常采用同步字頭法。

建立采用同步字頭法的跳頻通信系統(tǒng)中，為了接收完整的同步信息，可采取多種措施，包括快跳慢跳法、搜索停止法和并行接收法等。

快跳慢跳法是在系統(tǒng)跳頻同步之前，某一端采用區(qū)別于正常跳頻周期進行跳頻，設采用（>1的整數(shù)）倍于正常周期，保證同步信息能夠完整接收并解析，完成同步。

搜索停止法首先將本地碼與接收到的跳頻信號進行匹配濾波運算[1]，然后在檢測時間內(nèi)，判定運算結(jié)果是否超過門限值（門限可設定絕對值與能量值相結(jié)合），若沒有，則表示沒有跳頻同步，繼續(xù)按照跳頻序列發(fā)生器進行跳頻工作。一定時間調(diào)整序列發(fā)生器時鐘，如此往復，直到檢測時間內(nèi)，本地碼與接收跳頻信號的匹配運算結(jié)果超過門限值，停止跳頻工作，直至收完本次跳頻突發(fā)幀，解析跳頻同步信息，完成同步。

并行搜索算法于1981年由Polydoros等[2]提出，其具體工作原理是，對應于多個頻點，接收機具有對應數(shù)量的多路并聯(lián)的匹配濾波器，對發(fā)射機的跳頻信號與接收機信號相關運算的結(jié)果進行檢測，結(jié)果大于門限的那一路頻點即為捕獲到的發(fā)射機頻率，從而實現(xiàn)跳頻同步。由此可見，該算法需要的硬件成本較高，與頻點數(shù)量成正比例關系，頻點越多則硬件成本越高。

3自組網(wǎng)系統(tǒng)同步

針對自組網(wǎng)通信系統(tǒng)，本文基于同步字頭法介紹一種改進的組網(wǎng)跳頻同步方法，該方法能夠完成在低信噪比下同步信號的識別，且具有較強的抗阻塞式干擾能力。

3.1同步字頭法幀同步

格雷互補序列相關器只需要個乘法器、個加法器和個減法器，實現(xiàn)算法簡單，節(jié)省硬件資源，在通信和雷達領域應用廣泛。

針對跳頻系統(tǒng)，利用格雷互補對設計的突發(fā)幀的幀結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

利用4段重復序列，設計前導匹配濾波器，其由7階GHGS匹配濾波器、延時差分以及PreambleC匹配濾波器三部分組成，如圖5所示。

對Preamble分別做差分匹配濾波，差分間隔128個符號，GHGS7匹配濾波器對7階（128長度）的GHGS序列進行匹配濾波，得到匹配濾波結(jié)果。過匹配濾波器后的結(jié)果如圖6所示。

對匹配濾波結(jié)果做間隔個符號的延遲自相關。自相關之后的結(jié)果如圖7和圖8所示。

利用Preamble C匹配濾波器對相關信號能量進行收集，Preamble C匹配濾波器時域如圖9所示。

經(jīng)過濾波后，輸出結(jié)果如圖10所示。

3.2信號識別與確認

以上同步字頭法，其高峰值特點即使在多徑條件下，效果依然很好。下一步需要對信號進行識別與確認：第1步，根據(jù)前導匹配濾波后結(jié)果與預設的門限值閾值進行比較，并且采取相應措施防止峰值位置的誤判；第2步，計算當前接收信號能量，當滑動前導匹配濾波器輸出結(jié)果大于當前POWER（信號能量×系數(shù)）信號能量時，鎖定并識別信號，完成信號確認。

3.3快慢跳法

簇頭節(jié)點周期性發(fā)送同步信號，該簇頭節(jié)點一跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點具備入網(wǎng)和跳頻通信的能力。為保證抗干擾能力，同步信號需要在多個頻點上發(fā)送，為正常頻率集子集。簇頭節(jié)點以較低的跳頻周期發(fā)送同步信號，其他節(jié)點以正常跳速度偵聽同步信號，簇頭節(jié)點和其他節(jié)點預先知道跳頻圖案。

基本工作方式：

①以2000跳/秒的跳頻通信系統(tǒng)為例，將每個子網(wǎng)的簇頭節(jié)點作為時間基準節(jié)點。該節(jié)點發(fā)送同步信號，跳頻速度為250跳/秒，跳頻周期為4 ms，分別在8個頻點（頻率集子集）上發(fā)送同步信號。因此，每秒鐘需要消耗32 ms發(fā)送同步信號。

②子網(wǎng)中其他節(jié)點分為已入網(wǎng)節(jié)點和未入網(wǎng)節(jié)點。對于未入網(wǎng)節(jié)點，則在已知的8個頻點上持續(xù)偵聽網(wǎng)絡中的同步信號。跳頻速度為2 000跳/秒，跳頻周期為500 us。該從節(jié)點在4 ms內(nèi)能偵聽所有8個頻點信號。當簇節(jié)點發(fā)送同步信號時，該從節(jié)點能在32 ms內(nèi)能偵聽到所有8個頻點上的同步信號，即使網(wǎng)絡中部分頻點被干擾，該從節(jié)點依舊以很高的概率至少能偵聽到一個頻點上的同步信號（50%頻點被干擾時，所有8個頻點均被干擾的概率為0.39%）。從節(jié)點只要偵聽到一個同步信號，即可完成時間同步。

③對于已入網(wǎng)節(jié)點，大部分時隙需要用來發(fā)送或者接收信號，不能持續(xù)偵聽網(wǎng)絡中的同步信號。已入網(wǎng)節(jié)點完成了時間同步，因此獲得了子網(wǎng)中的時間基準信息，只需周期接收簇頭節(jié)點的同步信號，更新時間信息，防止時鐘漂移過大引起的時間信息不準確。

4結(jié)束語

本文自同步法中，快跳慢跳法采用發(fā)射端慢跳，接收端正常跳速，發(fā)送端發(fā)送信息量為倍接收端的重復，保證信息傳達的同時，兼具抗干擾能力；在多元組合法中應用獨立信道與步進搜索相結(jié)合的方法解決遲入網(wǎng)和跨網(wǎng)等問題。

隨著需求的多樣化，更高跳速、優(yōu)化的跳頻序列以及自適應跳頻同步等還可以進一步研究。此外，某些特殊系統(tǒng)還可充分利用多種方法進行組合，適配系統(tǒng)特殊需求。例如：

特殊系統(tǒng)①：外同步+自同步法

窄帶的通信系統(tǒng)中，由于傳輸有效信息有限，在進行時間同步時，不能完全地傳輸精確信息?？梢岳猛馔竭M行粗校準，如對表法等，把時間限定在某一誤差范圍，再傳輸誤差范圍的基準信息即可完成精確同步。

特殊系統(tǒng)②：并行搜索+步進搜索

超遠距離通信中，為了減少傳輸保護預留時間，可采用并行搜索與步進搜索相結(jié)合的辦法。假設時隙對齊，發(fā)射端在F1頻點傳送的信息，接收端已經(jīng)跳到F2頻點，可以通過并行的方式在通道2并行接收完成同步，可以提升同步效率、減少傳輸保護預留時間、減少握手冗余信息傳輸。

特殊系統(tǒng)③：獨立信道+步進搜索法

自適應跳頻通信系統(tǒng)中，根據(jù)信道狀態(tài)，利用頻譜感知技術，對頻率集進行更新，若已入網(wǎng)同步節(jié)點通過感知信息已經(jīng)切換了頻率集，此時遲入網(wǎng)節(jié)點未知新的頻率集而無法入網(wǎng)，可利用固定的或者無業(yè)務的空閑時隙切換到原來的頻率集進行遲入網(wǎng)的頻率同步。原來的頻率集為獨立信道，新的頻率集根據(jù)感知信息實時更新。

此方法還可用于跨網(wǎng)系統(tǒng)中，同步正交組網(wǎng)中所有的網(wǎng)都在統(tǒng)一的時鐘下使用同一個跳頻圖案進行同步跳頻，但每個網(wǎng)的頻率順序不同，因此在相同時刻不同網(wǎng)絡使用的頻率都不同，這樣在網(wǎng)間任一時隙均不會發(fā)生頻率的碰撞。各網(wǎng)都使用同一張頻率表（但頻率順序不同），理論上有多少個跳頻頻率就可組成多少個正交跳頻通信網(wǎng)。由于網(wǎng)間均為正交頻率，網(wǎng)間通信問題可采用獨立信道與步進搜索相結(jié)合的方法，跨網(wǎng)節(jié)點，固定或空閑時隙均可切換到網(wǎng)間其他的正交頻率集進行通信。

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