一種實時自組網波形TDMA幀結構與跳頻抗干擾設計

柏春雷 張文學

【摘要】? ? 本文對美軍WNW波形進行分析研究，參考其組網協議并針對其跳頻抗干擾薄弱處進行改進完善，提出了一種實時自組網波形數據鏈路層TDMA幀結構與跳頻抗干擾設計。

【關鍵詞】? ? 實時自組網? ? ?TDMA幀結構? ? 跳頻抗干擾

一、美軍WNW波形分析

美軍JTRS是美軍加快各層次網絡空間能力建設和發展創新網絡戰裝備，實現“戰術級網絡空間優勢”的重大舉措。JTRS主要目的是利用軟件無線電技術，聯合工業部門共同制定了統一、開放的體系結構標準（SCA），按照該標準研制一個具有開放體系結構和可靈活配置、可升級的戰術電臺系列。實現平臺與波形的松耦合，制定共用波形，實現體系裝備的持續演進。

JTRS按照優先發展寬帶網絡波形的原則，開發了寬帶網絡波形（WNW）、士兵電臺波形（SRW）、聯合機載網絡-戰術邊界波形（JAN-TE）、移動用戶目標系統波形（MUOS）等新波形。除上述新增波形外，JTRS還兼容了傳統的SINCGARS、EPLRS、Link-16、UHF SATCOM、HAVEQUICKⅠ/Ⅱ、HF等現有波形。覆蓋了機載、地面移動、固定站、海上通信和個人通信五個應用領域，美軍2021年現役波形69種，其中WNW波形在空間信號上最為典型。

為適應不同作戰環境的使用需求，WNW目前采用4種空間信號，如圖1所示，根據戰術環境的運行條件，空間信號可由人工進行模式轉換。波形的4種空間信號的信道帶寬都是可變的，根據不同信道情況和應用要求變換帶寬，以提高頻譜利用率和減少寬帶干擾的引入。

WNW波形是采用統一時隙分配協議USAP進行組網，如圖1，USAP是一種MAC層分布式TDMA時隙和信道分配協議。USAP將時隙分配機制和高層協議區分開來，并且設計了一種通過選擇時隙和協調不同層之間的交互作用的通用協議，適用于不同高層在鄰居間選擇時隙。

USAP每幀的第一個時隙分配給一個固定的節點用于發送控制分組，通過節點之間發送控制分組的交互，每個節點接收到一個新的發送控制分組包時都會對本地的時隙分配信息進行更新，并在下一個幀循環中對應的控制時隙發送更新后的發送控制分組包，這樣將本地時隙分配信息發送至兩跳范圍內鄰節點，而本節點也知道兩跳范圍內鄰節點的時隙占用情況，所以一個幀循環內每個節點都知道一幀中沒有分配的時隙和可以分配給自己的時隙，可以實現資源的高效利用。

二、一種實時自組網波形TDMA幀設計

本文參考WNW波形統一時隙分配協議USAP進行TDMA幀結構設計如圖所示：

三、一種實時自組網波形跳頻抗干擾設計

3.1跳結構

跳頻模式的基本參數如下：

（1）跳頻速率：2000 跳/s

（2）符號率：2.133M、4.267M、8.533Msps

（3）前保護開銷：20 us

（4）后保護開銷：50 us

（5）有效駐留時間：430 us

跳頻子幀的時間及射頻、數據結構分別見下面的三個圖。

跳頻子幀內各字段的內容、長度定義如下，

保護字段1用于功放及射頻切換，不發射信號，時長20us;

AGC字段在接收機中用于調節電路增益，同時兼做PN字段的循環前綴CP1，時長30us;

導頻字段為雙PN結構，采用ZC序列，每段30us，兩段的內容完全相同。導頻字段的作用：估計幀頭位置及時延值，估計頻偏值、信噪比、信道的頻響曲線。CP2是循環后綴。在接收機中進行FFT/IFFT變換時，不包含CP1、CP2字段。

信息字段y1傳輸控制信息或者用戶信息，采用PSK調制，長240us。其循環前綴、循環后綴分別是CP2、CP4。

信息字段y2長60us，原理與y1類似。其循環前綴、循環后綴分別是CP4、CP6。

CP3、CP5分別是y1、y2內的隱含字段，與CP2、CP4配合，使其成為循環前綴。

CP6與保護字段2一起，總長52.5us，在接收機中留做信號延遲到達時的緩沖區，確保可采集到“AGC-CP5”數據段。

圖中箭頭所指的是復制、填充CP字段時的數據源頭及目的地。

CP長度的選定取決于信道的時延擴展范圍，該數據可由信道參數估計模塊提供;在工程應用中也可由信號的帶寬來粗略確定CP的長度。在窄帶模式下，單跳通信距離為幾公里到數十公里，根據信道建模仿真結果及以往的試驗數據，CP范圍在3～20us以內。這里將CP的默認長度設為18.75us，允許各條路徑之間最大有5.6公里的傳播路程差，符合絕大多數信道場景;同時也允許根據信道參數靈活的調整CP長度，以保證可靠性與傳輸效率的平衡。對于寬帶模式，其通信距離較短，將CP設為5us左右，最大路程差為1.5公里，尾保護時間也相應縮短。

基于這種考慮，實例化如下6種基本典型傳輸方案樣例。由于各關鍵字段都受到循環前綴、循環后綴的嚴密保護，這種數據格式能夠適用于各種典型的復雜信道環境，保證良好的接收性能。

3.2跳頻同步設計

3.2.1相關參數

跳速

跳速為2000跳/秒。

TOD長度

采用48bit的數值對TOD計數。

采用TOD同步法，跳速為2000跳/秒，則跳周期為0.5ms，跳頻序列100年不重復。100年時間長度的TOD值為0x5BC826A6000，共43bits，則參與頻率字運算的TOD位數也要43bits，為編程方便，設計中可按48bits長度對TOD計數，跳頻序列的循環遠長于100年。

同步允許時差

跳頻同步算法允許收發雙方時差按5分鐘設計，即收發雙方Δt≤|±5min|。

TOD空中傳輸分組

一跳完成跳頻同步數據傳輸，用6個頻點輪流各發送1次。

5分鐘對應的TOD值為0x927C0，共20bit需要在空口傳輸，對應TOD數據的bit19-bit0。

系統的信道帶寬、調制和編碼方式，以及跳周期長度，可保證在1跳內完成20bitsTOD數據的傳輸。

圖7? ? 同步跳插入位置示意圖

偽隨機碼發生器（PRG）

偽隨機序列發生器多項式為：

G（X）=x63+x33+x2+1

圖8? ? 跳頻頻率計算過程示意圖

操作過程：

1）將64位跳頻密鑰和計算頻率且含頻率fsn TOD的字段（低位補0，共64bit）進行按位異或邏輯運算，作為寫入PRG的初始輸入數據;

2）寫入PRG運轉次數的值，該值一般用步驟1）的后兩個字節相乘的結果，如果該值小于64，則再加64;

3）PRG運算結束后，讀出低8bit，進行非線性變換，在與跳頻網號相加，取低6位。

跳頻密鑰

因信息安全需要，跳頻參數通過外部加注參數的方式影響頻率的偽隨機結果。

跳頻網號

為使在同一張頻率表中，多個子網可正交組網，設置該參數，用于頻率偏移，達到正交。

3.2.2同步跳頻率算法

同步跳發送內容格式：

同步跳頻點的計算方法如下圖9過程所示。

一般情況下，提前2跳開始頻率計算，因偽隨機發生器一般部署在FPGA，這樣可減少CPU對FPGA讀寫等待時間。

比如，要計算第N跳的頻率，則：

1）在第N-2跳完成上圖中左邊虛框內的工作，并將異或結果寫入到PRG，啟動PRG;

2）在N-1跳完成右邊虛框內的工作，并將頻表內的索引值所對應的實際頻率值寫入到頻合控制單元;

3）在第N跳剛開始的位置，頻合將按預先設置的頻率值工作。

3.2.3數據跳頻率算法

數據跳頻率的計算過程如下圖10。

數據跳頻率計算過程同同步跳頻率計算，只是使用了TOD的全部字段。

3.2.4跳頻同步搜索

結合同步跳插入位置情況，在同步搜索階段，只需計算同步頻率，fsn從1到6依次計算6個同步頻率，同步頻率的計算方法同上節所述，只是每個同步頻率需要持續6×32+1跳，即比6個幀周期還要多1跳。

當接收方在第M跳的頻點上檢測到CP、PN，且信息字段經校驗正確后，生成一個臨時的TOD變量tempTod，其低20bit（bit19-bit0）直接使用接收到的20bit TOD值，并完成：

1）將接收信息字段中的發方fsn_t與本方計算第M跳頻率對應的fsn_r（考慮上圖中的處理時延情況，fsn_r的值是變化的，為以示區分，用bak_fsn來表示）可把一般在進行比較：

圖 11? ?跳頻模塊與收發模塊之間接口關系

若bak_fsn=fsn_t，則tempTOD高位（bit47-bit20）直接第M跳頻點對應的TOD高位;

若bak_fsn>fsn_t，則tempTOD高位（bit47-bit20）使用第M跳頻點對應的TOD高位-（bak_fsn - fsn_t）;

若bak_fsn

2）為進一步驗證第M跳頻點的正確性，將使用tempTod臨時替代本地TOD計算下5個同步跳頻率（可多驗證幾個后續的同步跳頻率，因為如果存在干擾，只驗證一兩個頻點，有失偏頗）：

如果下幾個同步跳，大部分（5中取3）收到同步，則將tempTod拷貝為本地TOD;

如果后續幾個同步跳，大部分沒有收到，則拋棄tempTod值，繼續用本地TOD搜索。

3.2.5跳頻同步建立時間預計

根據TDMA幀設計，每32跳插入1個同步跳，使用6個頻點輪流發送同步TOD數據，用1個頻點保持（6×32+1）跳（0.5ms）=96.5ms;同步搜索也需要用6個頻點，遍歷一遍，耗時為6×96.5ms=579ms（約0.6秒）。

1）對于同步跳，各級節點都發同步;同時發送同步的各級節點在計算同步跳的頻率時，使用不同的fsn，根據節點層級，增加fsn偏移量，以最頂層fsn為參照基準，則第2層使用fsn+1，第3層使用fsn+2計算頻點，以此類推，第6層使用fsn+5。這樣的設計，在只有頂層單個節點時，可保證在579ms的時間內搜索到同步跳;在有多個層級節點發送同步情況下，可以成倍縮短同步建立時間。收到同步的節點，可根據同步數據的“同步質量”字段的指示，知道本節點同步到了哪一層節點、是否還需要本節點往下一層節點發送同步信息、發什么樣的同步質量碼。

2）對于數據跳，因各層子網內的節點在分配的數據時隙發送，所以不存在多節點同時發送的情況;如果確有多節點同時發送數據的情況，借鑒同步跳頻率的協調方式，通過對頻表內的索引加偏移量的方法解決。

3.2.6跳頻同步維持

進入同步狀態后，需要在每個同步跳的位置進行同步檢測，設置失步計數器，在一個同步接收跳如果收不到同步信息，則失步計數器的值加1，如果失步計數器的等于8（具體閾值可調整為更多或更少），則判斷本設備失步;如果收到1個，則失步計數器清零，表示未失步。

為降低虛警，在原有搜索機制的基礎上，增加場強檢測機制，接收端在確定外界信號超過接收門限的前提下，在開啟的搜索窗口中接收到相關碼，才確認為是可能的同步信息。（本波形已在跳結構中安排CP、PN等字段，用來進行頻率同步的相關驗證）。

四、跳頻軟件實現

跳頻軟件根據配置的主從模式、跳頻密鑰值、TOD值，完成跳頻頻點的計算，同步數據的發送準備，同步數據的接收，同步維持。

頻率表存放在主控單元或其它單元，跳頻單元提供計算后的頻率在頻表中的偏移量。

4.1跳頻軟件模塊與FPGA接口

表3。

4.2跳頻軟件模塊與系統控制軟件模塊接口

表4。

4.3跳任務處理模塊設計

跳任務處理模塊流程如下圖14。

參? 考? 文? 獻

[1] 2020 DoD Communication Waveform Inventory ，DISTRIBUTION STATEMENT A. Approved for public release. Distribution is unlimited （24 March 2021）.

[2] John E. Kleider， Steve Gifford， Keith Nolan， Derrick Hughes， Scott Chuprun. “Demonstrating Robust High Data Rate Capability on a Software Defined Radio Using Anti-Jam Wideband OFDM Waveforms”? ?MILCOM 2005，

[3] Joint Program Executive Office （JPEO） Joint Tactical Radio System （JTRS）. “Joint Tactical Radio System Network Enterprise Domain Test & Evaluation -Waveform Portability Guidelines”， ver 1.21， 28 December 2009

[4] Joint Program Executive Office （JPEO） Joint Tactical Radio System （JTRS）. “Software Communications Architecture Specification”， ver 4.0， 28 February 2012;

[5] Donald R. Stephens， Rich Anderson， Chalena Jimenez， Lane Anderson. “Joint Tactical Radio System -Waveform Porting”. IEEE， 2008;