窄帶抗干擾通信終端空口波形設計

倫立寶 康志杰 白清 李懷祿

（河北遠東通信系統工程有限公司 河北省石家莊市 050200）

隨著通信技術的發展，專網無線通信設備越來越多地被應用到軌道交通、公安、應急等行業。目前專網無線通信設備通常采用定頻通信方式，該通信方式的缺點是抗干擾能力差，易受到頻率干擾[1]。跳頻通信作為擴頻通信的一種，是在收發雙方約定的情況下不斷改變工作頻率而進行的通信。由于工作頻率的改變受偽隨機碼的控制，因此跳頻通信具有很強的抗截獲、抗竊聽及抗干擾能力。通過對窄帶通信終端進行抗干擾波形設計與實現，采用跳頻通信技術提高設備的抗干擾性能，從而為用戶提供穩定可靠的通信保障。

1 總體設計

窄帶抗干擾終端協議架構遵循通用的協議分層架構[2]，定義了三層架構模型，如圖1所示。協議的第一層是物理層，是協議的最底層。第二層是數據鏈路層，處理多個用戶共享媒介，在這一層協議被垂直分成兩部分，一個是用戶面，用于無尋址功能的業務信息傳輸，另一個是控制面，用于具有尋址功能的控制信令信息傳輸。第三層是呼叫控制層，位于控制面，用于呼叫控制，提供終端支持的業務。

2 空口協議

2.1 物理層

物理層采用TDMA幀結構，每個TDMA幀包含2個時隙，每個時隙30ms。其中一個時隙用于發射，另一個時隙用于接收，每個TDMA幀使用一個頻點。

2.2 數據鏈路層

跳頻通信需要跳頻的附加開銷，如頻率變換的調諧和相位鎖定時間。為了跳頻通信的同步建立及維持，還需要在用戶通信期間隱蔽的加插一些勤務信息，這些都將損失用戶信息的有效傳輸時間[3]。對用戶來說，信道應是透明的，特別是話音信息是連續不斷的，為了用戶話音信息不因傳輸時間損失而有所丟失，需要將跳頻信息插入嵌入式信令區域。

2.2.1 跳頻同步頭幀

為了指示跳頻通信的開始，需要在業務發射開始之前發送攜帶數據同步字的跳頻同步頭幀[4]。跳頻同步頭幀承載了一個跳頻同步信令（FHSS，frequency hopping synchronization signaling）的PDU，該PDU由72比特跳頻同步信息和24比特校驗和組成，如圖2所示。FHSS信令長度為72比特，由跳頻時刻FHT、跳頻序列狀態碼、TOD信息組成。時隙類型”PDU中的數據類型信息單元設為“跳頻同步頭幀”。

2.2.2 跳頻勤務幀

為了支持遲后進入[5]功能，FHSS信令也可承載在語音突發的嵌入區域中。如圖3所示， 72比特的FHSS信令經過FEC編碼和分片后，置于四個突發的嵌入區域中。這就意味著由六個突發組成的語音超幀可以由一個攜帶同步字的突發，四個承載FHSS的突發和一個空值填充嵌入式消息組成。嵌入式FHSS信令應承載于同一個語音超幀內，從語音超幀的第一個非同步突發的位置開始。承載FHSS信令的語音超幀通過勤務頻點發送。

圖1：協議架構

圖2：跳頻同步頭幀

2.3 呼叫控制層

2.3.1 TOD

本地實時時間TOD[6][8][9]由兩部分組成，共26bit，其中高位為TODH，用于控制同步頻率及跳頻圖案生成，以跳為單位；低位為TODL，用于控制跳頻計數，以分鐘為單位。TODL每分鐘計數1000次，每分鐘向TODH進位。

2.3.2 同步頻率

同步頻率分為初始同步頻率與勤務同步頻率，作為發送跳頻同步頭幀和攜帶跳頻同步信息的語音超幀的載波頻率。同步頻率由TODH結合同步頻率生成算法產生，并隨TODH每分鐘刷新一次。

圖3：語音超幀

圖4：同步頻率產生流程

圖5：跳頻狀態控制

同步頻率生成及刷新流程圖如圖4所示。終端開機后，將系統時間信息轉化為TODH初值。然后將TODH輸入到同步頻率生成函數中，獲取3個同步頻率F1、F2、F3，其中勤務頻率默認使用F1。定時器超時后，TODH加1，重新計算3個同步頻率并刷新，這樣保證同步頻率能夠隨時間實時變化。

2.3.3 初始同步

圖6：跳頻發射流程

圖7：跳頻接收流程

初始同步[7]采用3個頻率交替發送或掃描。初始同步頻率個數的選擇是初始同步時間和抗干擾性衡量的結果，初始同步頻率個數越多，初始同步時間越長，抗干擾性越好，相反，初始同步頻率個數越少，初始同步時間越短，抗干擾性越差。

發射端以3個初始同步頻率交替發送跳頻同步頭幀，共發送12個。接收端以3個初始同步頻率循環慢掃描，每個頻率掃描時間為4個TDMA幀。

初始同步頻率由TODH控制，長度為m。預先設定一個m×n的隨機矩陣，用TODH與矩陣中每一列做運算。每次運算結果中若有奇數個1，則計為1，若有偶數個1，則計為0，得到一個長度為n的二進制數。然后將其轉換成十進制后取值范圍是0～2n-1，在頻率數目為2n個的頻率集上，利用上述算法獲得的值就可以對應唯一的同步頻率。3個初始同步頻率記為F1、F2、F3，他們與TODH的關系為：TODH→F1、TODH-1→F2、TODH-2→F3。每分鐘進行一個同步頻率替換，具體替換算法為：TODH每分鐘進位后計算出一個新的F1，然后用舊F1和舊F2分別替換為新F2和新F3。

2.3.4 勤務同步

勤務同步頻率采用1個頻率承載勤務超幀，勤務同步頻率采用當前TODH值通過上述初始同步頻率算法計算出的頻率F1。勤務同步有兩個作用，一是初始同步完成并建立呼叫后，接收終端需要接收發送方插入數據幀中的勤務信息來實現同步保持；二是實現組呼中未收到初始同步信息的終端遲后加入呼叫。勤務同步包含跳頻同步的全部信息，通過勤務超幀格式定時發送。

跳頻語音通話過程中，發送方定期將跳頻信令插入語音幀的嵌入式信令區，組成勤務超幀，遲后加入終端通過搜索勤務頻點來接收勤務超幀，通過解碼勤務幀中的跳頻同步信息完成跳頻同步。

3 控制邏輯設計

3.1 狀態控制

跳頻狀態轉移圖如圖5所示。

終端進入跳頻模式后，首先進入跳頻接收流程下的勤務掃描狀態。駐留在勤務頻點上搜索當前組下是否有業務正在傳輸，一定時間間隔內搜索到勤務超幀，則進入勤務同步狀態，若未搜索到勤務超幀，則進入慢搜索狀態等待。慢搜索狀態下，若接收并解析出同步頭幀，進入初始同步狀態。初始同步狀態和勤務同步狀態下建立呼叫并接收語音呼叫，呼叫結束后回到慢搜索狀態。

當按下PTT發射時，終端由跳頻接收轉到跳頻發射流程，發射完畢釋放PTT后，又回到跳頻接收流程。

3.2 跳頻發射流程

跳頻發射流程如圖6所示。終端按下PTT后，根據TODH計算出的同步頻率為載波，發送跳頻同步頭幀。為了平衡同步頻率的抗干擾性和同步時間，每次初始同步采用3個同步頻率，3個同步頻率交替發送同步頭幀，共發送12個同步頭幀。

每一幀同步頭幀中都攜帶起跳標志，指示跳頻圖案開始起跳的時刻，幀格式中FHT根據發送同步頭幀個數計數，每一幀指示當前同步頭幀序號，根據該序號可以計算出后續待發送同步頭幀個數和起跳時刻。例如：若當前幀FHT參數為5，說明當前發送的是第5個同步幀，后續還有7個同步幀待發送，跳頻圖案起跳時刻為當前幀以后第8幀。當FHT計數到12時，意味著下一個TDMA幀需要起跳。跳頻圖案起跳后，按照計算出的序列狀態輸出頻率并連續發送語音LC頭幀和后續的語音幀。終端釋放呼叫后，返回接收慢掃描狀態。

語音業務中，為了實現同步保持和組呼遲后加入功能，需要在語音幀中定期插入勤務信息，并通過勤務頻點發送。勤務信息以語音超幀為單位，一個完整勤務信息分片插入語音幀的嵌入式信令區。

3.3 跳頻接收流程

跳頻接收流程如圖7所示。終端開機或轉組后，首先進入勤務掃描狀態，在勤務頻點上掃描有無當前組業務。在掃描時間內，如果搜索到勤務超幀，根據勤務超幀中跳頻信息同步跟跳，接收后續的標準語音超幀并通過解析嵌入式LC判斷是否加入呼叫。如果在勤務掃描時間內沒有搜索到勤務超幀，則轉到初始同步慢掃描狀態。

4 測試驗證及指標

4.1 測試驗證

4.1.1 性能指標測試

為了驗證方案的可行性，對跳頻終端進行了相關指標測試。終端在跳頻模式下，按照每個TDMA幀長進行頻率切換，切換時間間隔60ms，跳頻速率為跳頻速率為1000hop/min。TDMA幀之間預留2.5ms頻率切換時間能夠滿足切換頻率過程所需的穩定時間，保證了有效載荷的傳輸效率。

初始同步時間是從發起業務到收發終端建立起穩定的頻率同步所需時間，該時間決定業務建立的快慢，影響用戶的使用體驗。本設計初始同步所采用的跳頻同步頭幀法是通過掃描跳頻同步頭幀中的跳頻信息實現收發端同步，同步頭幀發送的個數決定了初始同步建立時間長短，同步頭幀個數越多，抗干擾性越強，初始同步時間越長，相反，同步頭幀個數越少，抗干擾能力越弱，初始同步時間越短，因此同步頭幀個數選擇需要衡量同步時間和抗干擾性能去確定，本方案選擇發送12個同步頭幀，理論同步時間最大為720ms，實測初始同步時間不超過800ms。

勤務同步時間是通過勤務頻率建立勤務同步所需時間，本方案勤務頻率發送間隔為5個語音超幀時間，每個勤務頻率保持一個語音超幀時間，因此理論勤務同步時間為2160ms，實測勤務同步時間不超過3000ms。

4.1.2 抗干擾性測試

為了驗證方案的抗干擾性能，對跳頻終端進行了抗干擾性測試。實驗選擇了兩組共4個終端。I組終端為具備抗干擾功能的終端，II組終端為普通終端。將兩組終端均工作在正常模式，選擇當前頻點為F1。終端進行呼叫業務，兩組終端均能夠正常接收和發送語音。開啟干擾源，對頻點F1進行干擾。此時兩組終端均無法正常進行語音業務。將I組終端進行模式切換，切換為跳頻模式，然后發起語音呼叫，I組兩個終端可以正常建立呼叫，語音收發正常。通過對比實現可以確定，跳頻終端切換到跳頻模式后，可以有效應對頻率干擾問題，保證了語音業務的正常進行。

5 結束語

本文針對窄帶抗干擾通信終端空口波形進行了總體設計，并且按照分層的軟件架構對物理層時隙控制、數據鏈路層的幀結構設計、呼叫控制層的同步方法等功能進行了設計及說明，然后對軟件控制邏輯的狀態控制、跳頻發射流程和跳頻接收流程進行了詳細描述。最后對空口波形設計方案進行了實驗驗證，得出了窄帶抗干擾通信終端空口波形的主要技術指標，驗證了該設計方案的可行性和抗干擾性能。