周期統計型TDMA動態頻率選擇算法

劉宏偉，羅衛兵，李德梅，鄭垚睿

(1．武警工程大學，陜西 西安 710086; 2．武警內蒙古總隊，內蒙古 呼和浩特 014000)

周期統計型TDMA動態頻率選擇算法

劉宏偉1，羅衛兵1，李德梅2，鄭垚睿1

(1．武警工程大學，陜西 西安 710086; 2．武警內蒙古總隊，內蒙古 呼和浩特 014000)

時分多址接入(TDMA)技術是利用時間的正交性實現信道共享，網內各個站點按照時隙方式工作，不存在發生碰撞和相互競爭問題，具有很強的抗干擾能力。但在復雜電磁環境下，由于定頻通信模式的限制，其抗干擾性能下降明顯，針對這一問題，提出一種周期統計的TDMA動態頻率選擇(DFS)算法，給出了算法處理過程，并進行了理論分析及實驗。結果表明，在復雜電磁環境下，算法可以增強TDMA網絡的抗干擾能力，提高系統吞吐量。

TDMA；抗干擾；動態頻率選擇；周期統計

0 引言

時分多址接入(Time Divide Multiple Access，TDMA)技術具有較強的抗干擾能力［1］，然而，在復雜電磁環境下，不同通信設備之間互相干擾嚴重，導致背景噪聲加劇，TDMA的抗干擾性能明顯下降，實際通信效果受到嚴重制約。廣泛應用在IEEE 802．11［2］和HiperLAN［3］等無線網絡中的DFS算法，可以自適應地調整頻率躲避干擾，是一種提高抗干擾性能的有效方法。文獻［4－6］中通過頻率判決方法的改進進一步優化了動態頻率選擇算法，但僅僅局限于發現干擾，躲避干擾，并沒有針對系統整體性能進行優化。文獻［7］中利用經典算法實現了系統整體性能，但是其算法復雜度高，對基站系統運算資源要求較高，系統損耗較大。復雜電磁環境下，干擾是隨機變化的，節點的移動性，每時每刻的測量值都不同，但是其期望值以及方差變化不大［8］。

1 周期統計的DFS算法工作原理

描述算法過程前首先定義頻道質量Q(f)來表征信道f的受干擾程度。測試和理論分析表明自身干擾的大小與移動終端的地理位置、相鄰同頻AP重疊區內終端的數量以及整個系統所加載的業務量大小都有關系，所以干擾值是個隨機變量，Q(f)也是個隨機變量。系統單位時間內的丟包數量以及系統時延能夠直接反映頻道質量，因此提出一種以平均丟包率和時延作為標準的頻道質量判決方法，CPE在測試階段連續發送測試包，AP通過統計測試階段測試包的平均丟包率和時延來判決測試頻道的質量，則頻率f對于CPE的信道質量Q(f)公式可表示為:

式中，f為測試頻率;p0是測量周期內發包總數;p是測量周期內丟包總數;c是丟包率門限值;t0表示信道空閑狀態下接收包的時延門限值;t是測量周期內接收到的包的平均時延;當Q(f)=1時，頻道f定義為好頻率，加入好頻率集合集合fg;當Q(f)=0時，頻道f被定義為壞頻率，加入壞頻率集合fb;實際應用中c和t0受不同業務類型影響，Q(f)值實際上反映了跳頻周期內，頻道f是否能夠保證CPE實現相應業務類型數據的高速可靠傳輸。

周期統計型TDMA動態頻率選擇算法按照時間順序可分為4個階段:初始化階段、測試階段、運行階段和調整階段。各階段具體過程如下:

①初始化階段:網絡內CPE向AP發送入網請求，接入點AP根據節點CPE的入網請求，關聯相關CPE并記錄所有已入網節點信息;AP以廣播的形式向所有關聯CPE發送測試請求幀，CPE收到測試請求幀后，進入測試階段;

②測試階段:AP及CPE掃描所有可用信道，根據頻道質量判決機制對可用頻道進行分類，形成初始好頻率集合fg和初始壞頻率集合fb，CPE形成測試報告，以測試報告幀形式向AP發送頻道質量信息，AP根據各CPE測試報告及自己測量結果，隨即選擇使用好頻率集合fg中頻道f，進入運行階段;

③運行階段:CPE向AP發送數據發送請求幀，AP根據各CPE數據傳輸請求開始輪訓調度，網絡間隔Tdfs時長進行一次頻率變換，變換周期內，每Tdfs/m時長利用DFS幀向所有CPE發送信道切換聲明信息元素，CPE只要在頻率變換之前收到通告信息，就會在下一個跳頻時刻按照預告頻率表進行頻率變換;

④調整階段:初始階段之后，關聯CPE默認在跳頻間隔前進行頻道質量測試并向AP發送測試報告信息，AP收到測試報告信息后，更新fg和fb，AP從集合fg中選擇頻率f，進入運行階段。

2 算法性能分析

2.1 收斂性分析

算法的收斂性證明主要是指在存在干擾的情況下，頻率的周期性變化能否確保系統干擾收斂。雖然應用網絡環境不同，但是可以采取與文獻［9］類似的方法保證算法的收斂性。

2.2 吞吐量分析

考慮點對多點(PTMP)模式，一個基站AP，m個接入點CPE，N個備選頻率，i個干擾源。假設AP為TDD雙工工作方式，與CPE同頻，CPE與干擾源分布在半徑a的區域范圍內，均采用半雙工工作方式，發送功率相同。在跳頻間隔T時長內，發送分組的概率為p，接收分組的概率為1－p，如果節點(包括CPE及干擾源)在網絡覆蓋范圍內的分布位置服從泊松點過程，節點分布密度為λ，那么，根據泊松分布性質，在每個時隙寬度T0時間內發送分組的節點數目服從參數為pλ的泊松分布，因此，在T0時間內有k個節點發送分組的概率可以表示為:

則k個CPE發送數據的概率可以表示為:

k個干擾源產生干擾的概率可以表示為:

若對于第k個CPE，每個數據分組成功傳輸的概率為Qs(k)，信息傳輸速率為R，則單位時間內網絡成功發送數據分組的平均數量，即系統上下鏈路總吞吐量可以表示為:

假設無線傳輸環境為瑞利衰落信道，P0，PI均為隨機變量，那么其概率密度函數可表示為［10］:

則干擾功率的聯合密度函數可表示為:

由式(6)可得:

由式(7)、式(8)、式(9)可得，在每個跳頻間隔內發送分組的節點k，在干擾源數為i的情況下，分組被正確接收的平均概率ps(k)可以表示為在多維隨機變量Ep和Er上求ps(k)的期望:

代入式(5)可得，在跳頻間隔內存在i個干擾源的情況下，其系統吞吐量為:

引入DFS算法后，系統損耗為跳頻間隔內DFS通告及測量結果上報所占用的時隙，假設經過DFS測量后，則其系統吞吐量為:

式中，tm為跳頻間隔前CPE的信道質量測試時間，ntdfs表示跳頻間隔AP向CPE發送n次DFS幀的時間。

由式(13)可得以下結論:i個干擾點的情況下，通過降低干擾產生概率Gi(k)可以使系統吞吐量實現i次方的提升。

不同干擾情況下，算法存在最佳頻率變換周期使得系統吞吐量最優。頻率變換周期決定干擾檢測準確率和系統損耗，干擾點數量一定的情況下，隨著頻率變換周期的減小，系統損耗增大，干擾檢測準確率增大。頻率變換周期較小或者較大時，系統損耗或干擾檢測準確率都會制約系統吞吐量，只要選取合適的頻率變換周期就能實現系統吞吐量最優。

3 實驗與結果分析

實驗環境參考文獻［12］描述的硬件平臺，設置有1個AP，10個CPE，按照星型拓撲結構分布，5個干擾源，隨機放置。加入頻率選擇功能，設置調制方式為QPSK，帶寬為20 MHz，備選頻率數為10。網絡帶寬測試軟件采用IxChariot，測試指標為不同干擾源及頻率變換周期Tdfs下的系統的吞吐量。

跳頻間隔為500 ms時，不同干擾情況下本文算法與文獻［12］所提算法系統平均吞吐量對比如圖1所示，在理想情況下，算法產生系統損耗導致了吞吐量的降低，但是隨著干擾的增加，與未加入DFS算法的文獻［12］所提算法相比，系統的吞吐量有了明顯提高。這說明在干擾較強時，本文算法可以優化信道，實時避開干擾，提高系統性能。

圖1 不同干擾下吞吐量對比

干擾源數量為5時，不同跳頻間隔對吞吐量的影響如圖2所示，隨著跳頻間隔的增大，系統吞吐量先增大后減小，在300 ms時，系統吞吐量達到最優。實驗結果與上節理論分析結論相同，這說明算法系統損耗與抗干擾性能存在相互制約的關系，在干擾源數量一定的情況下，存在最佳頻率變換間隔使得系統吞吐量最優。

圖2 不同跳頻間隔吞吐量對比

4 結束語

本文提出的周期統計的DFS算法，通過發送測試包的方式進行周期性的信道質量估計，可以及時的發現受干擾頻點，躲避干擾，增強TDMA網絡在復雜電磁環境下的抗干擾能力，提高系統吞吐量。相比傳統動態頻率算法，本文算法可以實現類似慢跳頻的功能，提高了網絡的保密安全性能。跳頻技術作為目前軍事通信抗干擾的主要手段之一［13］，雖然也能夠實現抗干擾以及保密功能，但是系統損耗嚴重。本文算法在實現抗干擾的前提下，提高了系統保密性能，可以應用于軍事抗干擾通信中。實驗分析表明，在不同的電磁干擾環境下，可以通過優化算法中頻率變換間隔這一參數實現系統吞吐量最優。

［1］王塬琨，毛玉泉，丁笑亮，等．一種基于優先級的TDMA動態時隙分配算法[J]．艦船電子工程，2009(11):83－86．

［2］Brian P C，Indra W，Jeong G K，et al．IEEE 802．11 wireless local area networks[J]．IEEE Communications Magazine，1997，35(9):116－126．

［3］ETSI TR 101 683 V1．1．1(2000－02)，Broadband Radio Access Networks(BRAN)，HiperLAN Type 2;System O-verview[S]．

［4］Jorg H，Gerd Z．Impact of decentralizedadaptive frequency allocation on the system performance of HIPERLAN/2［C］∥2000 IEEE 51stVehicular Technology Conference Proceedings，Tokyo，2000:895－900．

［5］許國軍，沈連豐，胡靜，等．小區域移動通信系統動態頻率選擇算法的研究[J]．電子學報，2003(10):1598－1600．

［6］姜靜，曾艷，孫長印，等．基于聯合優化的WLAN動態頻率選擇改進算法[J]．電訊技術．2013，53(7): 873－877．

［7］許國軍，沈連豐，宋鐵成，等．WLAN/WPAN環境中模擬退火動態頻率選擇算法的研究[J]．通信學報，2004，25(5):60－66．

［8］Christer J，Jonas N，Magnus M．EricssonRadio Systems AB，Adaptive Frequency Allocation of BCCH Frequencies In GSM［C］∥Proceeding 45th IEEE VTC，USA，1995 (1):107－111．

［9］許國軍，沈連豐．WLAN/WPAN系統中DFS算法參數對性能的影響[J]．東南大學學報:自然科學版，2004，03，34(2):143－147．

［10］Hou ting-chao，Victor L．Transmission Range Control in Multihop Packet Radio Networks[J]．IEEE Transactions on communications，1986，34(1):38－44．

［11］Elvino S S，John A S．Optimum Transmission Ranges in A Direct-Sequence Spread-Spectrum Multihop Packet Radio Network[J]．IEEE Journal On Selected Areas In Communications，1990，8(5):762－771．

［12］史明偉．基于IEEE 802．11硬件平臺的TDMA多址協議設計與實現[D]．西安:西安電子科技大學，2013．

［13］楊同茂．軍事通信抗干擾技術的發展現狀及趨勢[J]．通信技術，2014，7(47):707－712．

Dynamic Frequency Selection Algorithm Based on Cycle Statistics in TDMA

LIU Hong-wei1，LUO Wei-bing1，LI De-mei2，ZHENG Yao-rui1
(1．Department of Information Engineering，Engineering University of CAPF，Xi'an Shaanxi 710086，China; 2．Headquarters，Inner MongoliaUnit of CAPF，Huhhot Inner Mongolia 014000，China)

The Time Division Multiple Access(TDMA)network uses time orthogonality to achieve channel sharing and various nodes of network work in term of timeslot mode，so collision and competition do not exist．However，in the complex electromagnetic environment，the anti-jamming performance degradation of TMDA decreases obviously because of the limitation of fixed frequency communication mode．In view of this problem，a dynamic frequency selection algorithm based on cycle statistics in TDMA is put forward．The processing procedure of the algorithms is given，and the theoretical analysis and experiment are performed．The results show that the algorithm can enhance the anti-jamming capability of the TDMA network and improve the system throughput in the complex electromagnetic environment．

TDMA;anti-jamming;DFS;cycle statistics

TN919．4

A

1003－3114(2015)05－50－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.13

劉宏偉，羅衛兵，李德梅，等．周期統計型TDMA動態頻率選擇算法［J］．無線電通信技術，2015，41(5):50－52，63．

2015－05－06

國家自然科學基金項目(61309008)

劉宏偉(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向:軍事信息學。羅衛兵(1969—)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向:軍事信息學。