序列移相跳頻組網分析與設計?

張世杰，全厚德，崔佩璋

序列移相跳頻組網分析與設計?

張世杰，全厚德，崔佩璋

（軍械工程學院光學與電子工程系，石家莊050003）

為了提高跳頻網絡的通信效率，提出了利用同一跳頻序列的相位差異實現跳頻組網的方案。首先，以m序列為例分析了跳頻序列移相的原理和實現方法；然后，將管理通道和數據通道相分離進行序列移相跳頻組網設計和網絡協議規劃，給出了跳頻序列的移相值優化方案。該方案具有網絡管理靈活方便、通信效率高、抗干擾能力強等特點。仿真結果表明，序列移相跳頻組網的網間干擾與異步組網相比有較大幅度改善。

跳頻組網；序列移相；頻率碰撞；網間干擾

1 引言

隨著跳頻通信在軍事通信領域的廣泛應用，如何對跳頻電臺和頻率資源進行有效組織管理，進一步提高跳頻通信網絡的抗干擾能力和頻譜利用率，最終實現用戶間的高效通信成為一個重要的課題。

目前，鏈路級的跳頻通信技術已比較成熟，而跳頻組網的研究相對較少，主要集中在同步組網和異步組網的性能分析和改善上，尚未提出新的跳頻組網方法，如文獻［1］提出了一種跳頻頻率表動態正交的異步組網方式，提高了異步組網的組網效率；文獻［2］給出了一種基于無線自組織網絡的同步組網方案；文獻［3］采用兩種方法分析了同步組網、異步組網的頻率碰撞，為網間干擾研究提供了參考。跳頻組網研究雖然取得了一定進展，但仍然存在同步組網實現難度大、異步組網效率低等問題。本文提出一種新的跳頻組網方案，該方案具有建網速度快、網絡管理靈活、用戶間相互干擾較小等優點，具有一定參考價值。

2 常規跳頻組網方式

跳頻通信裝備的組網主要包括頻分組網和碼分組網兩大類。實際應用中，通常將頻分組網和碼分組網結合使用，以充分利用頻譜資源，提高網絡的抗偵察干擾能力［4］。碼分組網又可以按照是否具有統一的時間基準分為同步組網和異步組網。

同步組網時，跳頻網絡具有統一的時間基準，要求各網電臺的跳頻技術體制（同步算法、跳速、數據速率、調制解調、信道編碼、跳頻圖案算法等）、跳頻密鑰和頻率表等要素相同［5］。在嚴格同步的情況下，通過合理的跳頻序列設計，可以實現各跳頻網的正交。嚴格同步是指各網的每一跳的起跳時刻和頻率駐留時間相同，起跳點在各跳頻序列的同相移點，并且要求在跳頻通信過程中嚴格維持這種同步關系。當某一網絡由于時鐘漂移而產生相移偏差時，勢必會造成網間干擾，網絡的同步維持必須依靠高精度時鐘信息的頻繁交換完成，實現難度較大。實際應用中通常要求本網的主臺與上級網的任一電臺是同一車的車載電臺時，才能實現同步組網，使用受到限制。

異步組網時，網內各網跳頻參數應一致，而網與網間密鑰、網號不同，沒有跳頻時序約束關系。異步組網最突出的優點是組織使用方便、戰術運用靈活，因此成為目前最常用的組網方式。異步網缺點是網與網間存在頻率碰撞問題。同一跳頻頻率表上的跳頻網絡，一般使用同一跳頻序列族，網絡分配不同的跳頻序列。跳頻序列由網號標示，作為其網絡地址。由于各網之間存在頻率碰撞，組網數量較少，約為跳頻頻率數的1／3，組網效率不及同步組網方式。因此，在高密度組織異步跳頻通信網時，要求有足夠的頻率資源。在頻率資源日趨緊張的現代戰場，該缺點嚴重制約了異步組網的戰術運用。

3 跳頻序列的相移實現

序列移相跳頻組網僅使用一個跳頻序列，利用跳頻序列的相位差異，同時建立多條跳頻通信鏈路。跳頻電臺使用的跳頻序列均經過嚴格設計具有良好的自相關性和較長的序列周期，以對抗跳頻通信的多徑干擾和提高同步性能。本文以基于m序列構造的跳頻序列為例，介紹序列移相的實現方法。

基于有限域GF（p）上的n級m序列發生器，以發生器的r個相鄰級控制頻率合成器，稱為L-G模型，原理如圖1所示［4］。

圖1中，a1，a2，…，an為乘法器的系數，-c1，-c2，…，-cn為初始密鑰。

取m序列中的r個連續元素，逐項與r位網號進行運算生成跳頻序列，其關系運算式為

m序列是在時鐘的推動下生成的，時鐘每向前推進一個單元，移位寄存器移出一位，即產生一個m序列元素，直至整個m序列產生。基于m序列LG模型構造跳頻序列時，r個連續的m序列元素相關運算后得到一個跳頻序列元素，并按照時鐘單元依次推進，最終pn-1個m序列元素生成pn-1個跳頻序列元素。由上可知，一個時鐘單元對應一個跳頻周期，本地時鐘延時（或前移）i個基本單元，對應將跳頻序列的生成時刻延時（或前移）i個相位，完成了跳頻序列的移相。跳頻序列移相原理如圖2所示。

跳頻序列的相移可以通過改變抽頭選取m序列中r個連續元素的時刻來實現，對應于跳頻通信系統，即通過改變跳頻電臺本地實時時間（Time of Day，TOD）實現相移。實時時間TOD在電臺操作面板上以“年月日時分秒”的方式顯示，在電臺內部以跳為單位控制跳頻序列的生成。綜上，改變TOD值可以改變頻率合成器的起跳點，按照新的規律生成跳變的載波頻率，實現對跳頻序列的移相。

4 組網過程

4.1 基本概念

序列移相跳頻組網的拓撲結構為網形，各節點處于同一等級，任意兩個節點可以直接建立通信鏈路，各通信鏈路使用同一跳頻序列的不同起跳點來避免相互間的干擾。序列移相跳頻網絡的拓撲結構示意如圖3所示。

網絡內每一個節點分配兩部電臺：管理電臺和數據電臺，兩部電臺協同工作完成跳頻通信。管理電臺之間互通管理信息，數據電臺之間互通數據信息。網內所有管理電臺保持時鐘同步，發送管理信息時，采用網呼形式，即將管理信息發給網內的所有節點，保證管理信息的時效性。數據電臺時鐘不需要維持時鐘同步，數據信息的發送根據具體需要采用網呼或選呼形式。

由于每部數據電臺在鏈路建立前均需要進行TOD調整，造成各數據電臺的TOD差異較大，而管理電臺的TOD始終保持一致，所以在確定鏈路起跳時刻時應以管理電臺的實時時間為準。鏈路的起跳時刻對應于管理電臺的TOD，起跳點對應于數據電臺的TOD。

管理信息主要有兩個作用：一是用于更新注冊表，每次通信鏈路建立或結束時，發送管理信息，標示網絡的運行狀態的改變；二是攜帶數據電臺的同步信息（主要為TOD值），完成數據電臺間的跳頻同步，格式見圖4。注冊表存儲于管理電臺內部，是管理信息的累積和更新，每次收到管理信息后，均更新注冊表信息。注冊表信息反映了當前網絡的運行狀態，包括正在工作的通信鏈路數，各鏈路的起跳時刻、起跳點、大約持續時間，處于跳頻通信狀態的節點等信息，為建立新的通信鏈路提供參考。

4.2 組網過程

設跳頻網絡內共有6個節點，在鏈路1正常跳頻通信的基礎上，利用序列移相方式建立鏈路2的主要過程如下：

（1）發射機（節點2）根據注冊表信息計算跳頻序列起跳點，使網內通信鏈路間干擾最小，根據起跳點更改數據電臺的TOD值，確定管理信息內容；

（2）發射機以網呼的形式發送管理信息，標示通信鏈路2建立；

（3）網絡內各節點均正確接收管理信息后，更新注冊表信息；

（4）接收機（節點3）收到管理信息后，修正TOD值，與發射機建立同步，并回復確認信息；

（5）發射機收到確認信息后，開始跳頻通信，數據電臺間開始互傳數據；

（6）通信完畢后，返回掃描狀態，并向網絡各節點發送管理信息，標示鏈路2通信結束；各節點收到管理信息后，再次更新注冊表信息。

數據電臺主要依靠同一節點的管理電臺接收管理信息，修正數據電臺TOD值，來實現與發射機同步。管理電臺的通信狀況將直接影響數據電臺的同步性能，進而影響整個網絡的通信狀態，所以管理電臺的高可靠性和管理信息的抗干擾性尤為重要，需要著重考慮。需要注意的是，網絡內管理電臺始終處于跳頻通信狀態，共享通信鏈路信息，使注冊表能夠及時更新，準確反映網絡狀態，為整體網絡規劃和建立新的通信鏈路提供支持。

4.3 移相位置優化

通信鏈路起跳點的選取主要有兩種方法，一是隨機選取，二是基于鏈路狀態分析得到起跳點。本節將介紹基于鏈路狀態分析得到起跳點的方法，使得移相位置較優，盡可能減少鏈路間干擾。

為更好逼近實際電臺通信性能，本方案參數設計如下：跳速500 hop／s，跳頻圖案生成算法如第3節所述，序列周期220-1，跳頻集數目256。

設定當前網絡共建立了兩條通信鏈路，鏈路的通信狀態如下：鏈路1的起跳點為跳頻序列的21#位置，起跳時刻為0 s，大約通信1 min；鏈路2的起跳點為跳頻序列的67#位置，起跳時刻為10 s，大約通信1 min。需要建立新的鏈路3，新鏈路的跳頻起跳時刻定為20 s，大約通信1 min。根據當前鏈路狀態選擇合理的鏈路起跳點，以使對正在通信的鏈路（鏈路1、2）干擾最小，計算示意如圖5所示。針對上述條件進行仿真分析，得到鏈路3的起跳點位置選取對在網鏈路的干擾程度，如圖6所示。

圖6給出了新的鏈路起跳點選取后，在鏈路重合時間段內與兩條鏈路頻點碰撞個數的總和，一定程度上反映了鏈路間的相互干擾程度。方案共研究了1 000個相移值，仿真結果顯示：相移值為744時，碰撞個數最小為121；相移值為542時，碰撞個數最大為235；平均碰撞個數為為174.9。故在新的鏈路建立時選擇合適的起跳點進行移相位置優化，能夠很大程度上減少鏈路間的相互干擾。

5 性能分析

（1）實現難度低于同步組網

序列移相跳頻組網的網絡同步只需實現管理電臺間的同步，無需網絡與網絡的同步，降低了對時鐘精度的要求；數據電臺的跳頻同步是通過管理電臺間互通同步信息實現的，采用基于TOD的同步方法，并且對于該方法研究已經比較成熟［6］，可以實現快速精準的跳頻同步。另一方面，由管理電臺統一管理網絡信息，能夠較清楚地了解網絡當前狀態，方便進行高效的資源管理、鏈路分配和擁塞控制等，使網絡的靈活性和抗毀性有較大提高。序列移相跳頻組網的實現難度與同步組網相比有較大改善，與異步組網的實現難度相當。

（2）組網效率高于異步組網

獨立參考模型在工程計算中應用較廣泛［2］，獨立碰撞模型下，異步組網時指定接收用戶的每一個跳頻碼與其他u個用戶的跳頻碼相碰撞的概率為

式中，q為頻點個數，u為用戶個數（鏈路數）。

根據仿真模型，進行異步組網頻率碰撞仿真（考慮由于相位差異引起的左、右碰撞），并與獨立碰撞模型的仿真結果進行比較。異步組網時，每個子網分配一個跳頻序列，子網內部的電臺通常采用TDMA的方式組織通信［6］，對組網效率的計算沒有影響，可以將一個子網視為一條鏈路。比較結果如圖7所示。

由圖7可知，異步組網時鏈路間的相互干擾較大，當碰撞率要求為0.1時，約能建立15個通信鏈路，表示可以允許15個異步子網絡同時工作。從兩條曲線的擬合度可以看出該仿真模型符合獨立碰撞模型，仿真結果具有一定的參考價值，仿真模型可以進一步使用。

應用該仿真模型對新方案的組網性能進行仿真驗證，圖8分別給出了移相位置隨機選取和移相位置優化處理兩種情況下的組網性能。橫坐標表示同時工作的鏈路個數，縱坐標表示跳速為500 hop／s的跳頻電臺工作1 min時其他鏈路對參考鏈路的碰撞率。

由圖8可見，序列移相跳頻組網的頻點碰撞率要比異步組網時的小很多，移相位置優化后組網性能更優。使用相同的頻譜資源，碰撞率相同的條件下，新方案可以容納更多的通信鏈路，組網效率較異步組網有一定的提高。

（3）抗跟蹤干擾性能較強

對跳頻通信的跟蹤干擾建立在有效分選跳頻網臺的基礎上，根據目標跳頻網的信號特征，引導干擾機發射頻率跳變的干擾信號實施跟蹤干擾。常規組網方式下，在網臺分選成功后敵方實施跟蹤干擾時，只能通過改變跳頻頻率表或跳頻密鑰的方式躲避干擾，影響通信效率。序列移相跳頻組網方式下的跳頻網在遭受到跟蹤干擾時，可以改變序列相位值建立新的跳頻通信鏈路，躲避跟蹤干擾。敵方想要繼續干擾則需要重新進行網臺分選，降低了跟蹤干擾對通信質量的影響。

6 總結

本文利用跳頻序列的良好自相關性實現跳頻組網，提出了管理信息與數據信息分離發送的方法，并進行序列移相跳頻組網的網絡規劃和組網過程設計，保證網絡高效運行，實現難度遠低于同步組網。仿真結果表明，新方案與異步組網相比具有較小的鏈路干擾，組網性能有較大提高。下一步的研究重點是通過對網絡資源的合理規劃，提高系統的抗干擾能力和管理信息的可靠性。

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LIU Wei.Reach on Synchronization Technology of Frequency-Hopping Radio［D］.Xi′an：Xidian University，2010.（in Chinese）

ZHANG Shi-jie was born in Puyang，Henan Province，in 1988. He received the B.S.degree from China University of Petroleum in 2010.He is now a graduate student.His research concerns the theory and technology of frequency hopping communications.

Email：zhangshijiede＠163.com

全厚德（1963—），男，遼寧大連人，博士，教授，主要研究方向為情報指揮系統、通信設備性能測試。

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

Design and Analysis of Sequence Phase-shifting Frequency-hopping Communication Network

ZHANG Shi-jie，QUAN Hou-de，CUI Pei-zhang
（Department of Optics and Electronic Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

To improve the efficiency of frequency-hopping（FH）communication network，FH-sequence phase -shifting is used to build FH communication network.First，the theory and method of sequence phase-shifting is analysed based on the m sequence.Second，the networking process and protocol are expounded in great detail while the system is divided into control channel and data flow channel.And a method is proposed to optimize the phase-shifting value.Such advantages as flexibility in network control，high efficiency and powerful anti-jamming performance are shown for the new designed network.The simulation results show that sequence phase-shifting FH communication network possesses a low inter-network interference compared with asynchronous network.

FH communication networking；sequence phase-shifting；frequency hit；inter-network interference

TN914.41

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.027

張世杰（1988—），男，河南濮陽人，2010年于中國石油大學（華東）獲工學學士學位，現為碩士研究生，主要研究方向為跳頻通信理論與技術；

1001-893X（2012）07-1178-05

2012-01-04；

2012-03-12