基于概率映射的短波自適應跳頻方法

殷文龍， 陳浩楠， 沈 良， 程云鵬， 王金剛

（解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007）

0 引言

短波信道質量較差，原因主要是一方面來自電離層的多徑傳輸，另一方面來自其他用戶的干擾[1]。信號在短波頻段中可靠傳輸，需要一個躲避干擾機制來支持。跳頻技術作為一種常用的擴頻技術，能夠有效地提高用戶之間的通信[1]質量。

跳頻通信的概念出現以后，為提高跳頻系統的抗干擾能力，人們一直在追求跳頻處理增益。然而，由于跳頻通信抗阻塞干擾的門限效應，使得僅僅依靠提高跳頻處理增益難以解決抗阻塞干擾問題[2]。自適應跳頻技術是進一步提高抗阻塞干擾能力的重要途徑。自適應跳頻技術在傳統跳頻機制中引入了鏈路質量分析，可提高通信的可靠性和抗干擾能力，并且在無干擾或弱干擾的跳頻信道上可以長時間保持優質的通信,克服了盲跳頻[3]的弱點。

短波自適應跳頻技術有效的提高了短波通信系統的抗干擾和抗截獲性能，提高了信息吞吐量。對于掌握戰場信息有著重要的研究意義。文章提出了在短波通信中有概率的進行選頻跳頻的思想，有效地降低了在復雜信道環境下信息傳輸的誤碼率，增強了系統的抗干擾能力。

1 系統模型

自適應跳頻通常分為3種類型，文章工作基于第3種類型，即在跳頻通信過程中，自動進行頻譜分析，自適應地改變跳頻圖案，以提高通信系統的抗干擾性能并盡可能增加系統的隱蔽性[4]。

系統模型如圖1所示，通信雙方在通信前約定好跳變頻率集以及跳頻圖案。通信過程中,監測信道將各個載波頻點上的信噪比發送到接收方。接收方按照一定得算法處理這些信噪比，生成一個概率分布函數。具體實施辦法將在下一節詳細介紹。生成的函數在允許接收方發送數據時反饋到發送方。發送方確認反饋信息正確接收后，回復一個確認信息。此時發送方和接收方同時更新頻率集或跳頻圖案。

圖1 系統模型

2 自適應跳頻算法

傳統自適應跳頻算法是將壞頻點從頻率集中剔除或者用備用頻率表中選取一個質量較好的頻點替代它。文章提出的算法利用信噪比檢測反饋到發送方，發送方依照質量越好的頻點選擇概率大，質量差的頻點選擇概率小的原則進行跳頻通信。具體算法如下述。

2.1 頻率集不變

當信道只經歷瑞利衰落和熱噪聲時，算法一考慮在通信過程中保留所有的頻點，當某一頻點被選中時檢測信道就可以對其進行信噪比估計進而反饋回去，這樣就沒有必要分配其他的時隙來重新評估那些從頻率集中剔除的頻點。具體流程如下：①信噪比檢測：跳頻通信過程中，監測信道對每一個信道的信噪比進行實時檢測，并告之接收方。接收方將記錄下頻率集中所有頻點的信噪比。②信道映射：接收方利用記錄下的信噪比，生成一個概率分布函數，該函數決定發送方頻點選取的概率；③下一跳頻點的選擇：收發兩方根據相同的概率分布函數同步選取下一跳的頻點。

信道映射定義了信噪比映射產生概率分布函數的步驟。文章中假設頻率集中信道總數為32，用i表示每一個信道號。如果文章定義 SNR _dec( i)為信道i上檢測出的信噪比，信道映射就可以表示為：

f0首先簡單的將信噪比映射成一個概率分布函數。

其中α為調整因子，隨著α的變化跳頻系統也會有不同的性能表現。α越低，每個信道使用的概率就越接近；α越高，信道質量的差異給信道使用概率帶來的影響就越明顯。在下一節仿真分析中將會具體體現出來。

f1函數中把f0得到的每一個數據加上Pmin，乘上因子(1 -M×Pmin)就構成了一個新的概率分布函數。

f2函數對f1得到的數據做最后的調整，削減所有大于Pmax的概率值，將超出Pmax多余的部分平均加到其他的概率值上。這樣整個映射過程就完成了。

2.2 跳頻圖案不變

算法二以不改變跳頻圖案為基礎。當信道遇到強干擾或者強衰落時，信息傳輸極有可能丟失。因此該信道會從頻率集中剔除，但信道號依然保留。當某跳到達該信道號時，發送方從頻率集中其他較好的頻點中按照上文提出的信道映射方法選擇頻點傳輸信息。

3 仿真分析

基于上文提出的系統模型和跳頻算法，本節給出了系統的仿真分析。

文章設定頻率集信道總數 Nh= 32，信號編碼方式采用的是級聯碼[6-7]：（2，1，7）卷積碼作為內碼和（7，3）RS碼作為外碼，數據經過BPSK調制經過瑞利衰落信道。仿真流程框圖如圖2所示。

圖2 仿真流程

圖3表示的是算法一的性能分析，Q表示當前信道環境的阻塞程度，當信息在信道中傳輸時誤碼率低于某一門限值，文章則定義該信道阻塞。仿真中，調整因子α分別取0.5，1，4，在不同的取值下，跳頻系統所表現的性能也有很大的差異，如圖3所示，算法一下的跳頻系統性能較盲跳頻有所提高，并且隨著α值的提高，質量好的信道被選擇的概率越來越高，質量差的信道選擇的概率基本上維持在最低選擇概率附近，系統對信道質量轉變更敏感。

圖3 算法一性能仿真

圖 4(a)和圖 4(b)分別表示，當調整因子α=0.5和α=4時，頻率集中每個信道使用的次數，2張圖對比中可以很明顯的看出，隨著α值的調整，好壞信道選擇差異越明顯。

圖4 α取不同的值時，頻率使用情況

圖5所示為算法二下的性能分析。圖中橫坐標J表示信道受干擾程度，即表示頻率集中被干擾頻率數的比例。文章中，分別對半雙工和全雙工2種環境下的自適應跳頻系統性能進行了仿真。在半雙工通信過程中，接收方只能在分配好的時隙里向發送方反饋信息；而全雙工允許接收方根據信道質量的變化實時反饋信息從而使得發送方可以做出及時調整。由圖可以看出，全雙工性能明顯比半雙工性能要好并高出一個數量級。

圖5 算法二性能仿真

4 結語

文章中提出了利用信噪比檢測，生成概率分布函數作為反饋信息實現自適應跳頻的方法，并且分別給出了無干擾和干擾下兩種情況下的仿真分析。仿真結果表明，文章中提出的算法能夠較為明顯的改善短波跳頻通信系統的通信質量。以上所有工作都是基于點對點傳輸的假設條件上。然而在短波通信組網時，多對點與點之間的傳輸會帶來頻率碰撞的問題，因而通信質量也會降低。在下一步工作中，將重點研究網絡環境下自適應跳頻方法以提高系統性能。

[1]ZANDER J.Adaptive Frequency Hopping in HF Communications[J]. Military Communications Conference, 1993,142(02):338-341.

[2]姚富強.通信抗干擾工程與實踐[M].北京：電子工業出版社，2008.

[3]俞世榮.自適應跳頻通信及其抗干擾性能[J].通信技術,1999(02):50-55.

[4]趙慧霞，許從方.短波自適應跳頻技術的研究[J].通信技術,2011,44(06):1-3.

[5]梅文華,王淑波,邱永紅,等.跳頻通信[M].北京:國防工業出版社,2005.

[6]STABELLINI L, SHI Lei, AL R A, et al.A New Probabilistic Approach for Adaptive Frequency Hopping[C].USA:IEEE,2009:13-16.

[7]MASSE M R, MICHAEL B.Adaptive Coding for Frequency-Hop Transmission over Fading Channels with Partial-Band Interference[J].IEEE Transactions on Communications,2011,59(03):854-862.