基于異步時(shí)鐘序列的分布式認(rèn)知跳頻算法

劉杰 龔廣偉 辜方林 李倫輝

摘 要：為了解決傳統(tǒng)跳頻算法對動(dòng)態(tài)、復(fù)雜電磁干擾環(huán)境適應(yīng)能力不足的難題，以及克服現(xiàn)有跳頻算法在分布式通信環(huán)境下對公共控制信道和統(tǒng)一時(shí)鐘源的依賴，提出了一種基于異步時(shí)鐘序列的分布式認(rèn)知跳頻算法。該算法通過建立認(rèn)知跳頻通信系統(tǒng)模型，分析其通信過程中面臨的關(guān)鍵問題，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于分布式跳頻通信環(huán)境的異步時(shí)鐘結(jié)構(gòu)序列?；谠撔蛄械姆植际秸J(rèn)知跳頻算法不依賴于任何公共控制信道和統(tǒng)一時(shí)鐘源，能夠在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下達(dá)到高效抗干擾通信的效果。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，針對典型的窄帶、寬帶噪聲干擾、部分頻段干擾以及隨機(jī)干擾，所提算法的抗干擾性能均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的跳頻通信算法以及現(xiàn)有的公用控制信道認(rèn)知跳頻算法。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知跳頻；抗干擾；分布式；異步時(shí)鐘序列

中圖分類號：TP393?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號：1001-3695（2024）01-036-0231-06

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2023.04.0224

Distributed cognitive frequency hopping algorithm based on asynchronous clock sequence

Abstract：Aiming at the problem that traditional frequency hopping communication has insufficient adaptability to dynamic and complex electromagnetic interference environment，and in order to overcome the dependence of existing frequency hopping algorithms on common control channels and a unified clock source in distributed communication environment，this paper proposed a distributed cognitive frequency hopping algorithm based on an asymmetric clock sequence.This algorithm established a cognitive frequency hopping communication system model，analyzed the key problems in its communication process，and designed an asynchronous clock structure sequence for distributed frequency hopping communication environment.The distributed cognitive frequency hopping algorithm based on this sequence did not rely on any common control channel and unified clock source，and could achieve the effect of efficient communication anti-interference in complex electromagnetic interference environment.The experimental results show that the anti-interference performance of this algorithm is significantly better than the traditional frequency hopping communication algorithm and the existing common control channel cognitive frequency hopping algorithm for typical narrowband，broadband noise interference，partial frequency band interference and random interference.

Key words：cognitive frequency hopping；anti-interference；distributed；asynchronous clock sequence

0 引言

跳頻通信是目前無線通信系統(tǒng)中提升可靠性的一種有效手段，具備抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)［1，2］。但是，隨著用頻設(shè)備海量增加導(dǎo)致頻譜日益復(fù)雜，跳頻系統(tǒng)在面對復(fù)雜多樣的電磁干擾環(huán)境時(shí)以下兩方面的問題越來越突出：a）傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)存在盲跳缺陷，由于傳統(tǒng)跳頻在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間采用事先約定的跳頻圖案進(jìn)行跳頻通信，所以即使跳頻頻點(diǎn)存在干擾也不能及時(shí)地進(jìn)行干擾規(guī)避，導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化［3］；b）傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)受時(shí)鐘同步系統(tǒng)制約嚴(yán)重，在時(shí)鐘同步性能遭到干擾破壞的情況下，系統(tǒng)的跳頻頻點(diǎn)容易發(fā)生碰撞。上述問題嚴(yán)重制約了跳頻系統(tǒng)在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下抗干擾能力的提升［4］。認(rèn)知跳頻系統(tǒng)是高效解決復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下無線通信系統(tǒng)可靠傳輸?shù)挠行侄危?］。它的核心思想是：通信節(jié)點(diǎn)通過認(rèn)知周圍的電磁環(huán)境，自主地根據(jù)認(rèn)知結(jié)果決策頻點(diǎn)進(jìn)行通信，動(dòng)態(tài)控制節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)干擾規(guī)避以最大化地利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行通信，被認(rèn)為是解決傳統(tǒng)跳頻通信面臨困境的有效途徑之一［6，7］。但是，認(rèn)知跳頻系統(tǒng)在實(shí)際的抗干擾通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中面臨著以下挑戰(zhàn)：a）在干擾發(fā)生變化時(shí)，跳頻通信系統(tǒng)的目的節(jié)點(diǎn)不能及時(shí)、準(zhǔn)確地將當(dāng)前自己面臨的干擾信息反饋給源節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致源節(jié)點(diǎn)丟失與目的節(jié)點(diǎn)的跳頻同步，即存在信息不對稱問題［8］；b）節(jié)點(diǎn)間分布式組網(wǎng)和時(shí)鐘異步是實(shí)現(xiàn)跳頻通信系統(tǒng)魯棒性的關(guān)鍵，而這要求源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)基于自身的決策信息達(dá)成快速頻點(diǎn)匯聚［9］。因此如何在源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)相互工作頻點(diǎn)確定但未知的條件下高效、可靠建立連接是研究認(rèn)知跳頻系統(tǒng)抗干擾系統(tǒng)中需要解決的核心問題，也是本文的重點(diǎn)工作。

目前，國內(nèi)外基于認(rèn)知跳頻涌現(xiàn)出了很多研究熱點(diǎn)［10～15］，這些研究熱點(diǎn)主要以信道交匯和智能決策為主要方向，并且大多假設(shè)通信節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻都能夠基于認(rèn)知結(jié)果建立可靠的通信鏈路，但實(shí)際通信過程中通信節(jié)點(diǎn)如果要實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信，則需要涉及具體的信道接入算法，而穩(wěn)定的信道接入是實(shí)現(xiàn)可靠通信的前提［10］。目前，認(rèn)知跳頻方面的研究普遍忽略了信道接入的問題，在研究認(rèn)知跳頻的信道交匯時(shí)，如Ring-Walk策略［11］、Jump-Stay策略［13］以及多天線的 AMRR交匯策略［15］，研究者們都假設(shè)存在理想中的公共控制信道能夠消除節(jié)點(diǎn)間信息不對稱所帶來的影響，而實(shí)際中的公共控制信道存在易被干擾、控制信道流量飽和等問題。此外，文獻(xiàn)［16，17］雖然采用了信道接入算法進(jìn)行認(rèn)知跳頻的組網(wǎng)優(yōu)化研究，但都基于最簡單的時(shí)隙ALOHA協(xié)議作為基本接入方式用來減少信道沖突，然而S-ALOHA機(jī)制存在自適應(yīng)能力差、要求時(shí)槽邊界對齊等缺陷，未考慮異步時(shí)鐘下的抗干擾通信效果。在認(rèn)知跳頻同步方面，目前國內(nèi)外主流算法主要分為三類：a）參考時(shí)鐘法（傳統(tǒng)跳頻方式），該方法要求全網(wǎng)擁有統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行收發(fā)頻點(diǎn)對準(zhǔn)；b）獨(dú)立信道法，該方法要求系統(tǒng)具備單獨(dú)的信道傳輸同步信息；c）同步字頭法，該方法根據(jù)發(fā)端認(rèn)知將同步信息放在同步字頭中，要求收端進(jìn)行解析，因此在收發(fā)頻點(diǎn)信息不對稱的情況下同步字頭將難以捕獲［18，19］。

本文通過采用認(rèn)知跳頻技術(shù)克服傳統(tǒng)跳頻通信面臨的困境，在充分考慮分布式組網(wǎng)環(huán)境下存在收發(fā)頻點(diǎn)信息不對稱以及異步時(shí)鐘限制等因素的基礎(chǔ)上，通過建立認(rèn)知跳頻抗干擾通信的系統(tǒng)模型，分析組網(wǎng)通信過程中出現(xiàn)的關(guān)鍵問題，構(gòu)建了一種基于異步時(shí)鐘序列的認(rèn)知跳頻算法。該算法基于異步時(shí)鐘序列（屬于同步字頭算法，但充分考慮收發(fā)頻點(diǎn)信息不對稱情況進(jìn)行設(shè)計(jì)），不依賴于任何公共控制信道，且相鄰認(rèn)知節(jié)點(diǎn)無須了解彼此的跳頻序列信息，實(shí)現(xiàn)了異步時(shí)鐘下的跳頻接入，且接入時(shí)延小、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，在實(shí)現(xiàn)主動(dòng)規(guī)避干擾的前提下最大化地利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行通信。

1 系統(tǒng)模型

1.1 場景描述

如圖1所示區(qū)域中存在N個(gè)節(jié)點(diǎn)采用跳頻的方式進(jìn)行組網(wǎng)通信，系統(tǒng)通過跳頻圖案的方式組織節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跳頻，其中每個(gè)跳頻圖案包含M個(gè)可跳頻點(diǎn)形成跳頻頻率集F{f1，f2，…，fM}、S個(gè)可跳時(shí)隙Ti形成跳頻時(shí)幀。

由圖1可知，跳頻通信系統(tǒng)是以跳頻時(shí)隙為基本時(shí)間單元、跳頻集合中的頻點(diǎn)為基本頻率單元的動(dòng)態(tài)通信系統(tǒng)，其通過時(shí)間、頻率域動(dòng)態(tài)變化的方式達(dá)到抗干擾通信的目的。由于其時(shí)間、頻率域的動(dòng)態(tài)特性，所以跳頻通信系統(tǒng)在通信過程需要解決以下兩個(gè)方面的核心關(guān)鍵問題：

a）跳頻頻率集合的確定。在傳統(tǒng)跳頻方式中通過隨機(jī)或約定的方式形成跳頻頻率集，在認(rèn)知跳頻方式中通過認(rèn)知決策出跳頻頻率集。

b）跳頻頻點(diǎn)的同步（源、目的節(jié)點(diǎn)在基本時(shí)間單元上進(jìn)行跳頻頻點(diǎn)對準(zhǔn)）。傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)通過全網(wǎng)同步時(shí)鐘源以及指定跳頻圖案進(jìn)行頻點(diǎn)同步，現(xiàn)有認(rèn)知跳頻系統(tǒng)一般通過全網(wǎng)同步時(shí)鐘源以及公共控制信道進(jìn)行認(rèn)知跳頻頻點(diǎn)同步。

本章先從傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)、認(rèn)知跳頻系統(tǒng)的角度出發(fā)，分別建立各系統(tǒng)在通信過程中獲取跳頻頻率集以及跳頻頻點(diǎn)同步的跳頻模型。

1.2 傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)模型

如圖2所示區(qū)域中存在N個(gè)節(jié)點(diǎn)采用傳統(tǒng)跳頻的方式進(jìn)行組網(wǎng)通信，傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)通過約定的方式產(chǎn)生跳頻頻點(diǎn)以達(dá)到統(tǒng)計(jì)上通信抗干擾的目的，在此基礎(chǔ)上，其通過全網(wǎng)統(tǒng)一時(shí)鐘源，在通信源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間通過事先約定的跳頻圖案進(jìn)行跳頻通信。

如圖2所示，系統(tǒng)的跳頻圖案在包含M個(gè)可跳頻點(diǎn)的頻率集F{f1，f2，…，fM}、S個(gè)可跳時(shí)隙Ti時(shí)可形成的跳頻圖案數(shù)量Q為

Q∈Ms（1）

其中：第q組跳頻圖案中第t個(gè)時(shí)隙的頻點(diǎn)F（q，t）為

F（q，t）=Fun（qS+t）（2）

其中：q∈［1，Q］；t∈［1，S］；Fun（）為約定跳頻圖案產(chǎn)生方式且需滿足

0

由于跳頻圖案具有唯一性，所以對于式（2）存在任意整數(shù)q1！=q2且q1，q2∈［1，Q］，滿足

系統(tǒng)在采用傳統(tǒng)跳頻通信過程中通過在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間采用事先約定的跳頻圖案（即每個(gè)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的F（q，t）映射關(guān)系一致）進(jìn)行跳頻通信，其在當(dāng)前時(shí)隙時(shí)刻T獲取的跳頻圖案序號q為

其中：T0為基礎(chǔ)時(shí)隙時(shí)間長度。當(dāng)前時(shí)隙時(shí)刻T計(jì)算的跳頻時(shí)隙號t為

t=Mod（T，ST0）（6）

其中：Mod（）為取余函數(shù)。因此根據(jù)當(dāng)前時(shí)隙時(shí)刻T獲取節(jié)點(diǎn)發(fā)送接收頻點(diǎn)F*為

F*=F（q，t）（7）

傳統(tǒng)跳頻算法步驟如下：a）滿足式（3）（4）的情況下采用約定的式（2）產(chǎn)生跳頻圖案；b）獲取同步時(shí)鐘Ti；c）根據(jù)Ti計(jì)算當(dāng)前時(shí)間對應(yīng)的跳頻圖案序列q，如式（5）；d）根據(jù)Ti計(jì)算當(dāng)前跳頻圖案序列對應(yīng)的時(shí)隙t，如式（6）；e）根據(jù)q，t計(jì)算當(dāng)前的跳頻頻點(diǎn)F*，如式（7）；f）跳轉(zhuǎn)步驟b）繼續(xù)產(chǎn)生跳頻頻點(diǎn)。

1.3 認(rèn)知跳頻系統(tǒng)模型

認(rèn)知跳頻系統(tǒng)通過認(rèn)知周圍的電磁環(huán)境，自主地根據(jù)認(rèn)知結(jié)果決策頻點(diǎn)進(jìn)行通信，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)控制節(jié)點(diǎn)頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)干擾規(guī)避。如圖3所示區(qū)域中存在N個(gè)節(jié)點(diǎn)采用認(rèn)知跳頻的方式進(jìn)行組網(wǎng)通信。

與傳統(tǒng)跳頻類似地在具備全網(wǎng)同步時(shí)鐘的前提下，認(rèn)知跳頻也能夠通過約定的方式產(chǎn)生跳頻圖案，但其在跳頻前需要在包含M個(gè)可跳頻率集F{f1，f2，…，fM}的基礎(chǔ)上通過認(rèn)知的方式實(shí)時(shí)調(diào)整認(rèn)知可跳頻率集Fc{f1，f2，…，fMc }，其中認(rèn)知可跳頻率集Fc通過認(rèn)知頻譜環(huán)境、剔除出干擾頻點(diǎn)得到結(jié)果。

在Mc個(gè)認(rèn)知跳頻頻點(diǎn)、S個(gè)可跳時(shí)隙時(shí)可形成的跳頻圖案Fp，其中第q組跳頻圖案中第t個(gè)時(shí)隙的頻點(diǎn)Fp（q，t）為

Fp（q，t）=Funp（qS+t）（8）

0＜Funp（x）≤Mc（9）

其中：Funp（）為認(rèn)知跳頻中約定跳頻圖案產(chǎn)生方式。式（8）同樣需滿足任意兩組跳頻圖案唯一性，即存在任意整數(shù)q1！=q2且q1，q2∈［1，Q］，滿足

基于此，認(rèn)知跳頻算法步驟如下：a）通過認(rèn)知將干擾頻點(diǎn)剔除出可跳頻率集形成認(rèn)知可跳頻率集Fc，通過公共控制信道將Fc下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)；b）各節(jié)點(diǎn)通過式（8）產(chǎn)生跳頻圖案；c）獲取同步時(shí)鐘T；d）根據(jù)T計(jì)算當(dāng)前時(shí)間對應(yīng)的跳頻圖案序列q，如式（5）；e）根據(jù)T計(jì)算當(dāng)前跳頻圖案序列對應(yīng)的時(shí)隙t，如式（6）；f）根據(jù)q，t計(jì)算當(dāng)前的跳頻頻點(diǎn)F*，如式（7）；g）跳轉(zhuǎn)步驟a）繼續(xù)產(chǎn)生跳頻頻點(diǎn)。

2 異步時(shí)鐘序列認(rèn)知跳頻算法

本章在上文建立的認(rèn)知跳頻系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮分布式通信環(huán)境下存在的收發(fā)頻點(diǎn)信息不對稱、異步時(shí)鐘以及公共控制信道易被干擾等限制因素，提出一種適用于分布式通信環(huán)境下的異步時(shí)鐘序列認(rèn)知跳頻算法。該算法無須系統(tǒng)存在全網(wǎng)統(tǒng)一時(shí)鐘源和公共控制信道，只需通過認(rèn)知的方式實(shí)時(shí)決策出認(rèn)知可跳頻點(diǎn)，然后通過異步時(shí)鐘序列進(jìn)行跳頻頻點(diǎn)同步，從而達(dá)到分布式跳頻通信和實(shí)時(shí)認(rèn)知抗干擾的目的。

2.1 異步時(shí)鐘序列設(shè)計(jì)

異步時(shí)鐘序列是分布式認(rèn)知跳頻網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跳頻頻點(diǎn)同步的一種序列同步方式，其核心設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了解決異步時(shí)鐘狀態(tài)下分布式通信環(huán)境中存在的收發(fā)頻點(diǎn)信息不對稱的問題，其理論來源于OFDM系統(tǒng)的定時(shí)同步估計(jì)算法，在OFDM系統(tǒng)中通過定時(shí)同步估計(jì)的訓(xùn)練序列相關(guān)算法能夠消除收發(fā)端發(fā)送時(shí)刻不對稱導(dǎo)致的丟幀問題。本文則通過擴(kuò)展定時(shí)同步估計(jì)的訓(xùn)練序列到多個(gè)頻點(diǎn)，通過頻點(diǎn)掃描的方式捕獲異步時(shí)鐘序列頻點(diǎn)相關(guān)峰最大的值對應(yīng)的頻點(diǎn)，通過此種方式能夠消除通信過程中收發(fā)頻點(diǎn)信息不對稱的問題。設(shè)計(jì)的異步時(shí)鐘序列如圖4所示。當(dāng)跳頻過程中出現(xiàn)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)決策的跳頻頻點(diǎn)不一致時(shí)，通過在跳頻時(shí)隙之前增加異步時(shí)鐘序列的方式，能夠在異步時(shí)鐘的情況下進(jìn)行收發(fā)頻點(diǎn)的同步。

如圖4所示的異步時(shí)鐘序列結(jié)構(gòu)中，序列由M個(gè)序列Ym組成，代表M個(gè)頻點(diǎn)（其中F1對應(yīng)Y1，…，F(xiàn)M對應(yīng)YM），其中每個(gè)序列為W個(gè)采樣點(diǎn)的walsh序列Y：

Ym=［y1y2…yw］（11）

產(chǎn)生的M個(gè)序列之間滿足自相關(guān)很大互相關(guān)為0的特性，即滿足

在異步序列跳頻同步過程中，發(fā)送端以一定周期Tw以認(rèn)知決策的頻點(diǎn)Fs發(fā)送異步時(shí)鐘序列X1，其中X1重復(fù)2M次序列Ys，即發(fā)送端的異步時(shí)鐘序列X1為

X1（m）=［YmYm…Ym］ s∈［1，M］（14）

接收端在確定的頻率集內(nèi)進(jìn)行異步時(shí)鐘序列X2接收，且在每個(gè)頻點(diǎn)上的駐留時(shí)間是發(fā)送端跳頻同步序列時(shí)間的2倍，即2Tw，其中 X2重復(fù)2次M種序列。

X2=［Y1Y1Y2Y2…YMYM］（15）

由于接收端是一種以X2為周期進(jìn)行循環(huán)接收的狀態(tài)，令CYCw（X2，W·s）函數(shù)為：序列X循環(huán)移位W·s點(diǎn)且取序列的前w個(gè)采樣點(diǎn)，通過循環(huán)移位可以代表接收端在任意時(shí)刻接收到發(fā)送序列，由于序列Y滿足式（12）（13），所以必然存在

即在任意情況下接收序列總能夠與發(fā)送序列進(jìn)行相關(guān)，從而在接收端可以采用式（17）獲取到發(fā)送端的認(rèn)知c決策頻點(diǎn)進(jìn)行接收，即在接收端只有在s與m相等時(shí)才能取得最大值，此時(shí)s為發(fā)送頻點(diǎn)序號。

2.2 認(rèn)知跳頻算法實(shí)現(xiàn)

上一節(jié)設(shè)計(jì)的異步時(shí)鐘序列能夠在分布式異步時(shí)鐘狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知跳頻同步，本節(jié)在節(jié)點(diǎn)能夠提供認(rèn)知跳頻同步的前提下進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)認(rèn)知跳頻算法，主要基于以下三個(gè)階段進(jìn)行認(rèn)知跳頻：a）生成認(rèn)知可跳頻率集Fc：發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)認(rèn)知實(shí)時(shí)調(diào)整認(rèn)知可跳頻率集Fc；b）決策最佳跳頻頻點(diǎn)Fc*，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在認(rèn)知可跳頻率集Fc中決策下一時(shí)隙時(shí)刻Ti+1的最佳跳頻頻點(diǎn)Fc*；c）跳頻同步，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)基于異步時(shí)鐘序列進(jìn)行跳頻頻點(diǎn)同步，并基于最佳跳頻頻點(diǎn)Fc*進(jìn)行發(fā)送接收。

階段a）中，認(rèn)知可跳頻率集決策過程是與跳頻發(fā)送接收過程并行的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程，在包含M個(gè)可跳頻率集F{f1，f2，…，fM}的基礎(chǔ)上通過認(rèn)知的方式實(shí)時(shí)調(diào)整認(rèn)知可跳頻率集Fc{f1，f2，…，fMc}：

Fc=CogntiveDecision（F）（18）

其中：CognitiveDecision（）為認(rèn)知決策函數(shù)，其根據(jù)實(shí)時(shí)認(rèn)知的頻率集數(shù)據(jù)生成可跳頻率集Fc。本文重點(diǎn)不在認(rèn)知頻點(diǎn)決策，因此在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中僅采用最基礎(chǔ)的能量檢測法進(jìn)行認(rèn)知頻點(diǎn)決策。

階段b）中決策頻點(diǎn)根據(jù)認(rèn)知的具體結(jié)果進(jìn)行跳頻頻點(diǎn)變化，Ti時(shí)刻更新跳頻頻率集Fc，其Ti+1時(shí)刻最佳跳頻頻點(diǎn)F*更新為

F*（Ti+1）=Fc（random（1，Mc））（19）

即最佳跳頻頻點(diǎn)F*都是從認(rèn)知結(jié)果Fc中隨機(jī)選取的，以此達(dá)到認(rèn)知抗干擾與隨機(jī)跳頻的目的。

階段c）則是如2.1節(jié)所述在最佳跳頻頻點(diǎn)F*發(fā)生改變時(shí)通過異步時(shí)鐘序列算法進(jìn)行跳頻同步，獲取發(fā)送頻點(diǎn)并通知接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跳頻接收。

基于上述三階段，具體的認(rèn)知跳頻算法步驟如下：

a）Ti時(shí)刻，發(fā)送節(jié)點(diǎn)采用式（18）決策出可跳頻率集Fc；

b）Ti時(shí)刻，發(fā)送節(jié)點(diǎn)采用式（19）決策出Ti+1時(shí)隙最佳跳頻頻點(diǎn)Fc；

c）Ti+1時(shí)刻，發(fā)送節(jié)點(diǎn)采用異步跳頻序列X1如式（14）進(jìn)行發(fā)送，并采用最佳跳頻頻點(diǎn)Fc*進(jìn)行跳頻發(fā)送；

d）Ti+1時(shí)刻，接收端以異步跳頻序列X2如式（15）進(jìn)行接收，采用如式（17）獲取接收頻點(diǎn)Fc*進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并更新發(fā)送端的Fc到接收端；

e）發(fā)送節(jié)點(diǎn)在Ti+2時(shí)隙重復(fù)步驟b）c）進(jìn)行跳頻，接收節(jié)點(diǎn)重復(fù)步驟d）進(jìn)行接收。

發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)采用上述算法進(jìn)行跳頻發(fā)送和接收，其Fc的更新不僅僅局限于本節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知通道進(jìn)行更新，也能接收全網(wǎng)中其他節(jié)點(diǎn)的信息幀進(jìn)行更新，從而達(dá)到全網(wǎng)認(rèn)知跳頻通信的目的。

3 性能分析

如圖5所示，從傳統(tǒng)跳頻、公共控制信道的認(rèn)知跳頻、異步時(shí)鐘序列認(rèn)知跳頻三種跳頻算法的時(shí)隙跳頻圖出發(fā)，分析各自的跳頻開銷以及抗干擾性能。

3.1 跳頻開銷

如圖6所示，傳統(tǒng)跳頻方式由于通過采用GPS等外部時(shí)鐘源的方式進(jìn)行全網(wǎng)統(tǒng)一時(shí)鐘以及通過事先約定跳頻圖案的方式進(jìn)行跳頻，所以其跳頻開銷可以認(rèn)為幾乎為0；公共控制信道的認(rèn)知跳頻方式通過公共控制信道進(jìn)行全網(wǎng)時(shí)鐘同步以及認(rèn)知跳頻圖案同步，其跳頻開銷主要為時(shí)鐘同步與認(rèn)知跳頻圖案同步產(chǎn)生的開銷。本文所提的異步時(shí)鐘序列認(rèn)知跳頻算法由于無須全網(wǎng)統(tǒng)一時(shí)鐘源以及公共控制信道，其通過異步時(shí)鐘序列的方式進(jìn)行認(rèn)知跳頻同步，所以其開銷主要為引入的異步時(shí)鐘序列開銷，一般情況下異步時(shí)鐘序列長度在遠(yuǎn)小于跳頻幀長度時(shí)則已到達(dá)了較高跳頻同步精度要求，其跳頻開銷與跳頻幀長相比占比非常小。

3.2 抗干擾性能

如圖5所示，傳統(tǒng)跳頻方式通過隨機(jī)跳頻的方式達(dá)到統(tǒng)計(jì)上躲避干擾的目的，因此在單一頻點(diǎn)干擾的情況下其理論上被干擾的概率P1為

公共控制信道的認(rèn)知跳頻方式通過公共控制信道進(jìn)行認(rèn)知跳頻圖案同步，假設(shè)認(rèn)知跳頻圖案能夠及時(shí)下發(fā)且公共控制信道被干擾概率與跳頻頻點(diǎn)被干擾概率一致的情況下，其理論上被干擾只發(fā)生在公共控制信道被干擾的狀況下，即

異步時(shí)鐘序列認(rèn)知跳頻方式基于認(rèn)知決策進(jìn)行跳頻，其通過異步時(shí)鐘序列進(jìn)行跳頻同步，因此其被干擾的概率只有發(fā)生在當(dāng)前跳頻頻點(diǎn)被干擾且只能干擾到當(dāng)前時(shí)隙，其理論上被干擾的概率P3為

其中：Nr為干擾變化周期內(nèi)的跳頻時(shí)隙數(shù)。由式（20）～（22）可知，在Nr>1時(shí)，異步時(shí)鐘序列算法理論上較其他兩種跳頻算法具有更好的抗干擾性能。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 環(huán)境搭建

為了驗(yàn)證本文所提分布式認(rèn)知跳頻算法抗干擾組網(wǎng)通信的有效性，構(gòu)建了如圖6所示的完整軟、硬件測實(shí)驗(yàn)證環(huán)境，驗(yàn)證傳統(tǒng)跳頻、專用控制信道認(rèn)知跳頻以及異步時(shí)鐘序列認(rèn)知跳頻算法在不同干擾環(huán)境下的抗干擾能力。同時(shí)為了驗(yàn)證本文引入異步時(shí)鐘序列帶來一定程度上的跳頻開銷，在組網(wǎng)抗干擾能力中也會(huì)評估其帶來的影響，具體可以反映在4.2節(jié)中的分組投遞率指標(biāo)。

1）硬件環(huán)境 硬件環(huán)境包括7個(gè)射頻前端為1.35 GHz～1.50 GHz可調(diào)的軟件無線電通信平臺(tái)和1臺(tái)由Keysight N5182B模擬的軟件無線電干擾源，它們之間通過管理控制單元控制信道交換矩陣的連接關(guān)系實(shí)時(shí)生成各種干擾場景和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。不失一般性，假設(shè)全網(wǎng)工作的頻點(diǎn)集合為{1 350 MHz，1 360 MHz，1 365 MHz，…，1 445 MHz}等20組頻點(diǎn)。

2）軟件環(huán)境 以100 kHz信道帶寬的GMSK調(diào)制波形，每個(gè)符號4個(gè)采樣點(diǎn)，構(gòu)建跳頻波形，每一跳的持續(xù)時(shí)間Tw為1 ms，跳頻幀的結(jié)構(gòu)如圖7所示。傳統(tǒng)跳頻工作模式下，基于上述跳頻幀結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)最高1 000 hop/s。

4.2 組網(wǎng)通信抗干擾能力驗(yàn)證分析

指標(biāo)1：接入成功概率

信道接入是無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)通信的首要步驟，因此接入成功概率是組網(wǎng)通信能力的關(guān)鍵指標(biāo)。為了驗(yàn)證跳頻系統(tǒng)在組網(wǎng)階段的抗干擾能力，組網(wǎng)通信環(huán)境搭建完成后，在工作頻點(diǎn)被干擾不同占比/不同干擾模式下（窄帶、寬帶、梳狀、隨機(jī)）條件下，計(jì)算節(jié)點(diǎn)成功接入的概率。驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)共發(fā)送N0次接入網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，其中成功接入的次數(shù)Nsucces，計(jì)算成功接入的概率Psucces：

指標(biāo)2：分組投遞率

分組投遞率可以衡量節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)后具體的通信狀況，為了測試跳頻系統(tǒng)在組網(wǎng)過程中的抗干擾能力，同時(shí)也能一定程度上衡量系統(tǒng)的組網(wǎng)開銷（包括跳頻開銷），在組網(wǎng)通信驗(yàn)證環(huán)境搭建完成后，在工作頻點(diǎn)被干擾不同占比/不同干擾模式下（窄帶、寬帶、梳狀、隨機(jī)），計(jì)算節(jié)點(diǎn)的分組投遞的成功概率。驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)總共發(fā)送M0組數(shù)據(jù)，其中成功投遞的數(shù)據(jù)為Msucces，計(jì)算分組投遞率Psucces：

4.2.1 不同干擾占比的抗干擾能力測試

不同干擾占比的干擾信號屬于壓制式干擾中的部分頻帶干擾，其通過將干擾功率集中在特定頻帶上，可以是連續(xù)的也可以是不相鄰的，其干擾占比越大，說明被干擾的頻帶越寬，即可供跳頻系統(tǒng)傳輸?shù)念l點(diǎn)也越少，因此在不同干擾占比的測試環(huán)境下能夠衡量跳頻系統(tǒng)的抗干擾能力。

在驗(yàn)證過程中，通過采用10%、30%、60%、80%干擾占比時(shí)干擾信號對跳頻通信系統(tǒng)進(jìn)行干擾，經(jīng)過測試分別得到10%、30%、60%、80%不同干擾占比下傳統(tǒng)跳頻、公共控制信道認(rèn)知跳頻以及異步時(shí)鐘分布式認(rèn)知跳頻算法在干擾功率不斷加大時(shí)，接入成功概率、分組投遞率指標(biāo)下的抗干擾能力，分別如圖8、9所示。

圖8所示（其中縱軸為接入成功率、分組到達(dá)率，橫軸為干擾占整個(gè)跳頻帶寬的比例）為干擾占比10%、30%、60%、80%時(shí)，傳統(tǒng)跳頻、公共控制信道認(rèn)知跳頻以及異步時(shí)鐘分布式認(rèn)知跳頻算法在干擾功率不斷加大時(shí)接入成功概率、分組投遞率的對比圖。從圖中可以看出，在干擾功率比較小時(shí)（小于20 dBm），干擾對常規(guī)跳頻和認(rèn)知跳頻的影響都非常小，隨著干擾功率的增加到門限值以上，常規(guī)跳頻的接入成功概率與分組到達(dá)率出現(xiàn)急速下降，但隨著功率繼續(xù)增加，不再繼續(xù)下降，公共控制信道認(rèn)知跳頻在不規(guī)律的時(shí)刻存在接入成功概率與分組到達(dá)率的下降，而認(rèn)知跳頻的接入成功概率受干擾功率影響很小，其分別維持在95%、95%、92%、87%以上，分組到達(dá)率均維持在97%以上。究其原因是傳統(tǒng)跳頻采用隨機(jī)跳頻圖案進(jìn)行通信，即使有頻點(diǎn)被干擾也不能主動(dòng)規(guī)避，因此統(tǒng)計(jì)意義上存在部分接入和分組被干擾的可能性，公共控制信道跳頻則存在公共控制信道被干擾不能及時(shí)反饋的情況，而本文認(rèn)知跳頻采用認(rèn)知與協(xié)作反饋的方式，能夠最大限度地避開干擾，在認(rèn)知交互過程中能夠一直保持抗干擾交互傳輸?shù)哪康摹?/p>

如圖9所示，傳統(tǒng)跳頻隨著干擾占比的增加其抗干擾能力呈線性下降的趨勢，公共控制信道跳頻同樣存在公共控制信道被干擾而總體下降的趨勢，而本文所提的認(rèn)知跳頻算法受干擾占比的影響較小，只要信道中存在可供傳輸?shù)膯蝹€(gè)頻點(diǎn)通道，本文所提的認(rèn)知跳頻算法則能夠保持較高的接入成功概率與分組到達(dá)率。

4.2.2 不同干擾樣式的抗干擾能力測試

不同干擾樣式的干擾信號包括窄帶干擾、寬帶噪聲干擾以及隨機(jī)干擾，其中窄帶、梳狀干擾類似單音和多音干擾，將干擾功率集中在單個(gè)或多個(gè)頻點(diǎn)上；寬帶噪聲干擾利用隨機(jī)噪聲產(chǎn)生干擾信號，然后將其施加在整個(gè)跳頻頻帶內(nèi)，而隨機(jī)干擾以隨機(jī)的方式干擾頻帶中的單個(gè)或多個(gè)頻點(diǎn)，通過驗(yàn)證不同干擾樣式下系統(tǒng)的跳頻組網(wǎng)能力，能夠衡量跳頻系統(tǒng)在不同干擾環(huán)境下的抗干擾能力。

經(jīng)過驗(yàn)證分別得到窄帶、梳狀、寬帶噪聲、隨機(jī)等不同干擾樣式下傳統(tǒng)跳頻、專用控制信道認(rèn)知跳頻以及本文所提的異步時(shí)鐘序列認(rèn)知跳頻算法的接入成功概率、分組投遞率指標(biāo)下的抗干擾能力，分別如圖10所示。

如圖10所示，測試分別得到窄帶、寬帶噪聲、梳狀干擾樣式下常規(guī)跳頻系統(tǒng)與認(rèn)知跳頻系統(tǒng)接入成功概率、分組投遞率，從圖中可以看出，窄帶、梳狀干擾與4.2.1節(jié)中測試結(jié)果類似，即在固定干擾模式下隨著干擾頻點(diǎn)數(shù)增多，傳統(tǒng)跳頻的抗干擾能力呈線性下降的趨勢，專用控制信道跳頻受到干擾影響減少但也呈現(xiàn)下降的趨勢，而本文所提的認(rèn)知跳頻系統(tǒng)則受干擾頻點(diǎn)數(shù)影響較小，能將抗干擾能力維持在較高水平。寬帶噪聲干擾由于將干擾功率分布在整個(gè)頻帶，每個(gè)頻點(diǎn)的干擾功率降低，所以所有跳頻系統(tǒng)均受其影響較小。

如圖11所示，測試分別得到在隨機(jī)干擾（干擾20%頻點(diǎn)）變化周期為100倍、10倍、5倍、2倍、1倍時(shí)傳統(tǒng)跳頻、專用控制信道認(rèn)知跳頻以及本文所提的異步時(shí)鐘序列認(rèn)知跳頻算法在干擾功率為固定值時(shí)（50 dBm）的接入成功概率、分組投遞率。從圖中可以看出，傳統(tǒng)跳頻抗干擾能力受隨機(jī)干擾變化周期影響較小，但總體上抗干擾能力較弱，專用控制信道跳頻受隨機(jī)干擾變化周期影響也較小，但抗干擾能力優(yōu)于傳統(tǒng)跳頻，而本文跳頻算法在隨機(jī)干擾的變化周期較大時(shí)（大于10倍），其抗干擾能力完全優(yōu)于前兩者，而隨著變化周期變小即干擾變化加快，由于認(rèn)知跳頻系統(tǒng)的認(rèn)知與反饋跟不上干擾的變化周期，認(rèn)知跳頻系統(tǒng)抗干擾能力出現(xiàn)下降，但變化周期加快時(shí)認(rèn)知跳頻系統(tǒng)的頻點(diǎn)選擇則完全具有隨機(jī)性，所以可與傳統(tǒng)跳頻以及公共控制信道跳頻保持在相同水平。

綜上所述，經(jīng)過測試對比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)與專用控制信道跳頻系統(tǒng)在固定干擾模式下受干擾功率的影響較大而且隨著干擾頻點(diǎn)數(shù)增多其抗干擾能力呈線性下降趨勢，而在隨機(jī)干擾模式下則受隨機(jī)干擾變化周期影響較小。與之相比，本文異步時(shí)鐘序列認(rèn)知跳頻算法不僅在固定干擾模式下受干擾功率的影響較小，且?guī)缀醪皇芨蓴_占比的影響，信道中只要存在可供發(fā)送的頻點(diǎn)即可將系統(tǒng)的抗干擾能力維持在較高水平，雖然認(rèn)知跳頻系統(tǒng)在隨機(jī)干擾模式下其抗干擾能力隨著干擾的變化周期加快而有所降低，但在干擾快速變化的情況下依然能夠保持較優(yōu)的組網(wǎng)通信能力。

5 結(jié)束語

隨著通信對抗技術(shù)的發(fā)展，電磁環(huán)境日益惡劣，干擾手段日趨多樣，傳統(tǒng)的跳頻通信算法己無法完全滿足組網(wǎng)通信抗干擾的需求。本文提出了一種基于異步時(shí)鐘序列的分布式認(rèn)知跳頻算法，該算法無須額外的全網(wǎng)時(shí)鐘源與公共控制信道，通過對通信頻段進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測形成動(dòng)態(tài)的可用頻譜集合，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分布式異步時(shí)鐘序列跳頻通信。相比于傳統(tǒng)跳頻通信算法與現(xiàn)有的公共控制信道認(rèn)知跳頻算法，本文算法的抗干擾性能大大提高。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，針對典型的窄帶、寬帶噪聲干擾、部分頻段干擾以及隨機(jī)干擾，異步時(shí)鐘序列的分布式認(rèn)知跳頻算法的抗干擾性能均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)跳頻算法與公共控制信道認(rèn)知跳頻算法，尤其對于動(dòng)態(tài)周期較大的隨機(jī)干擾，其抗干擾能力能維持在與面對固定干擾時(shí)一致的較高水平。

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