JTIDS的頻譜使用效率分析

王 強 王 魁

(1.中國船舶集團有限公司第八研究院,江蘇 揚州 225101;2.解放軍92692部隊,廣東 湛江 524000)

0 引言

聯合戰術信息分發系統(JTIDS)是一種區域級綜合戰術信息分發系統,主要為美軍各兵種提供大容量、抗干擾、保密的數據信息分發,如圖1所示。

圖1 JTIDS系統網絡圖

JTIDS使用了時分多址(TDMA)通信體系結構,能同時支持大約20個網絡工作,網內成員多達數百個,并可通過中繼實現超視距數據傳輸。JTIDS 系統工作在L 頻段,傳輸速率為28.8～238 kbps,JTIDS信號采用跳時、跳頻加擴頻的抗干擾通信體制,跳頻速率達76 900次/s,具有良好的抗干擾保密通信能力。表1列出了JTIDS的基本工作參數。

表1 _JTIDS系統的基本工作參數

1 JTIDS通信體系結構與消息結構

1.1 通信模式和網絡體系

JTIDS可設置3種通信模式,在一個JTIDS網絡中的所有成員用戶必須采用同一種通信模式。

(1)模式1:這是JTIDS 系統的常用工作模式,支持跳頻,發送加密信息,具備多網同時工作能力。

(2) 模式2:只支持定頻單網工作,工作頻率為969 MHz,發送加密信息。

(3) 模式4:只支持定頻單網工作,工作頻率為969 MHz,發送非加密信息。

1.2 TDMA 通信體系結構

JTIDS 系統采用TDMA 通信體系結構,將1天24 h劃分為112.5個時元,每個時元12.8 min,劃分為64幀,每幀12 s,被分為1 536個時隙,每個時隙7.812 5 ms,每個時元總共有98 304個時隙,98 304個時隙又被分為A、B、C 共3組,每組包含32 768(2×3)個時隙。JTIDS 系統按需給成員端機分配工作時隙,時元、時幀和時隙劃分見圖2。

圖2 JTIDS時分多址通信體系結構

1.3 時隙詳細結構

JTIDS 時隙采取射頻脈沖串發射方式,如圖3所示。1個時隙一般分為起始段、傳送段和保護段。其中起始段和保護段共占4.458 5 ms,不發射信號,傳送段占3.354 ms,發射射頻脈沖串,可傳送對應129個字符的脈沖串。由于JTIDS主要工作模式下的作用距離為300 n mile(550 km),只要保護段不小于2 ms,就可以保證本時隙信號在下一個時隙信號來臨之前到達所有成員用戶。因此,起始段在2.458 5 ms內隨機抖動。時隙結構一般由抖動、粗同步、精同步、報頭、數據與傳輸保護段六大部分組成。

圖3 時隙詳細結構圖

1.4 脈沖字符格式

JTIDS數據鏈的射頻發射信號是脈沖串的形式,JTIDS中設計有2種脈沖字符格式:一種是每個脈沖所載信息不相同,稱為單脈沖字符;另外一種是相鄰的2個脈沖所載信息完全相同,只是其載波頻率不同,接收機只要收到2個脈沖中的一個,就能檢測出所含的數據,稱為雙脈沖字符。在多徑效應和存在外部干擾的情況下,雙脈沖字符能大大提高正確檢測信息數據的概率,只是信息傳輸速率只有單脈沖字符的一半。

一個單脈沖字符的持續時間為13μs,前6.4μs為載波調制,即為偽隨機序列,共32個碼片,每個碼片寬度為0.2μs,32 個碼片通過循環碼移位鍵控(CCSK)映射為5 bit信息,后6.6μs為等待間隔時間,如圖4所示。

圖4 JTIDS 信號的脈沖格式

1.5 消息封裝結構

JTIDS 系統為支持多種脈沖字符格式、不同的抗干擾性能和信息傳輸速率需求,設計了5種不同的消息封裝結構(也稱數據包格式),分別是標準雙脈沖消息封裝(STDP)、2倍壓縮單脈沖消息封裝(P2SP)、2倍壓縮雙脈沖消息封裝(P2DP)、4倍壓縮單脈沖消息封裝(P4SP)以及往返定時詢問與應答封裝。圖5介紹了JTIDS 系統產生的4種主要不同數據包格式。

圖5 JTIDS數據包封裝格式

具有時間抖動和脈沖冗余的封裝格式自然有更強的抗干擾能力,所以標準雙脈沖封裝STDP 結構抗干擾能力最強,P2SP 與P2DP 結構次之,P4SP結構抗干擾能力最差。美國海軍實際使用時就優先使用STDP 結構,以消除多徑效應、平臺機動和各種干擾帶來的不利影響。

1.6 消息和時隙類型

JTIDS 系統每個時隙所發射脈沖的總和叫做一條消息,JTIDS 系統發送2種類型的基本信息:一種是規范化信息,每一比特都有特定的含義,所以大量信息可以壓縮在很短的發送時間中;二是非規范化信息,即自由電文,自由電文的作用是傳輸面向符號的數據,如數字化語言或者電傳打印文本等,JTIDS 可以發射下述4種類型的消息:

(1)“0”類型(非編碼自由電文):這種消息未使用糾錯編碼,它適合與幾種數字設備相接,比如數字話音和電傳打字,優點是數據字符格式比較自由,缺點是抗干擾能力較弱。

(2)“1”類型(固定格式):這種類型的消息使用了糾錯檢錯碼,適合于做格式化信息交換,它是JTIDS 的常用格式,具有數據字符格式規范、抗干擾能力強等特點。

(3)“2”類型(RTT):只用于有源時間同步。

(4)“3”類型〔編碼自由電文〕:和0類型一樣,但使用了糾錯編碼。自由電文適用于傳送數字話音、ASCII 消息、傳真、電碼及其它高速數據。

因為“0”,“1”和“3”類型的消息均有STDP、P2SP、P2DP、P4SP 4種封裝結構,所以共形成了12種時隙封裝格式類型,如表2所示。

表2 12種時隙封裝格式

1.7 鏈路傳輸損耗模型

JTIDS 系統不同節點平臺之間的視距傳輸路除了具備自由空間傳輸損耗特性外,在實際使中還受到陰影效應、遠近效應、多徑效應和多普勒應等其他因素的影響,這些影響在分析計算時需以一定的考慮。鏈用效予

2 JTIDS 系統的抗干擾能力及誤碼率分析

2.1 抗干擾特點

JTIDS采用了RS 糾錯編碼、擴頻、跳頻、跳時、抖動、雙脈沖冗余等多種抗干擾方式,因此JTIDS數據鏈有非常強的抗干擾、抗偵察能力。

2.1.1 差錯控制技術

JTIDS 采用了4種不同的差錯控制編碼:(70,75)檢錯編碼、RS編碼、交織碼與雙脈沖字符編碼。采用(70,75)檢錯編碼可以使接收端檢測到大多數的傳輸錯誤,然后決定是否進行重傳。JTIDS 在RS解碼時采用了糾錯與糾刪2種模式,采用糾刪會使系統性能大幅度提高。如果為錯誤的符號個數,為刪除的符號個數,則對于數據段采用的RS(31,15)編碼,不采用糾刪模式時,它可以糾正的錯誤符號數=8;在采用糾刪模式時,它可以糾正任何滿足2+≤16的錯誤。JTIDS的數據段采用了31×3的字符交織,因此理論上可以糾正長為3×8個符號的突發錯誤。

2.1.2 擴頻及解擴技術

為了使系統具有較強的抗干擾能力,JTIDS采用了偽碼直序擴頻和快速脈間跳頻的混合擴頻方式。

JTIDS 采用基于循環移位的32進制直序擴頻,它的帶寬僅為傳統二進制擴頻系統的1/5,這使得它特別適合于頻譜寬度限定而又要求一定處理增益的場合。擴頻時,按照時隙的直擴偽碼序列圖案,每5 Bit信息去控制特定的32位偽碼循環移位,脈寬6.4μs,擴頻前的帶寬為0.78 MHz,擴頻后的帶寬增加到3.5 MHz。JTIDS 采用的這種直序擴頻方式,使信號的功率譜密度下降,提高了該系統抗連續波干擾、白噪聲干擾和欺騙干擾的能力。同時,這種方式也有助于減少網間干擾。

JTIDS 采用脈間跳頻的方式,從969～1 008 MHz(設置14個頻點),1 053～1 065 MHz(設置5個頻點)和1 113～1 206 MHz(設置32個頻點)中每隔3 MHz選1個頻點,共可得51個頻點。系統的工作頻點要在跳頻圖案的控制下從這51個頻點中選取,跳頻頻率間隔為3 MHz,同時要保證相鄰頻點間隔大于30 MHz。跳頻圖案集合中的任意2個跳頻圖案在所有相對時延下發生頻點重合的次數要盡可能少。

2.2 JTIDS系統的誤碼率

誤碼率是指在實際通信中傳輸的出錯概率,也就是傳輸中出錯的位數()與傳輸的數據總位數()之比。它是衡量一個通信系統可靠性的重要指標。

為了定量評估各種JTIDS 波形傳輸的符號差錯概率,建立了JTIDS的傳輸鏈路模型,如圖6所示。由圖6可以看出,我們需要計算接收機輸出端最小頻移鍵控(MSK)解調、CCSK解擴和RS 解碼的差錯概率,才能最終計算出JTIDS系統誤碼率。

圖6 JTIDS的傳輸鏈路模型

2.2.1 MSK 解調誤碼率

式中:E /表示信噪比,E 為平均每個碼片的能量(設E 為平均每符號的能量,E 為平均每比特的能量,對于JTIDS則有E =5E =32E );表示JTIDS 波形脈沖字符格式,=1或2,分別代表單、雙脈沖字符格式。

JTIDS波形傳輸時采用了單脈沖字符格式或雙脈沖字符格式,當采用雙脈沖字符格式時,由于每個符號傳輸在2個不同的載波上,因此每個符號的平均能量為E =2E ,E 為每個脈沖的平均能量。

2.2.2 CCSK解擴誤碼率

對于CCSK 解擴,設事件表示CCSK 相關判決錯誤的誤符號率,事件表示經過MSK 解調后的誤碼片概率,P 表示CCSK 解擴后系統輸出的誤符號率,P 為JTIDS 波形經過MSK 解調的誤碼片概率。P 為MSK 解調后的CCSK數據碼中有個碼片錯誤的概率,為CCSK 編碼后的碼片數,為32。

由此得出經CCSK解擴后的誤符號率為:

式中:0≤≤32;條件概率{|=}表示經過MSK 解調后有個碼片錯誤的條件下又經過CCSK 相關解擴的誤符號率。

參考文獻[2]采用蒙特卡洛法,通過Matlab仿真得出在從0～32變化時,條件概率{|=}分別為:[0,0,0,0,0,0,0,0.001 5,0.020 662,0.113 12,0.362 4,0.712,0.934 4,0.995 6,0.999 9,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1]。

對元擴頻通信,誤比特率與誤符號率關系:

式中:P 為元擴頻通信解擴后的誤符號率。

由以上討論可得,JTIDS經過CCSK解擴后的系統誤比特率公式為:

2.2.3 RS 解碼誤碼率

RS解碼的誤碼率可用信道誤碼率表示:

式中:表示碼本能夠糾正的錯誤碼元的個數,每個比特組成1個碼元。

當一個由比特組成的符號出錯時,其中有個比特出錯的情況共有C 種,因此每個比特符號出錯的平均比特差錯概率為:

JTIDS進行信號傳輸時,數據段部分采用了(31,15)RS糾刪糾錯編碼。當此RS編碼僅用于糾錯時,能糾正8個以內的錯誤字符。將經CCSK 解擴的誤碼率公式(2)代入式(5),得出JTIDS 系統經RS 碼糾錯以后的誤符號概率近似為:

JTIDS經RS 碼糾錯后的平均誤比特概率為:

最終的誤碼率計算結果如圖7、圖8所示。

圖7 單脈沖形式下的JTIDS系統誤碼率

圖8 雙脈沖形式下的JTIDS系統誤碼率

3 JTIDS系統的頻譜使用效率分析

3.1 通信系統的頻譜使用效率

根據無線電系統頻譜使用和效率的定義——ITU-R SM.1046建議書,通信系統的頻譜利用效率可通過下式計算給出:

式中:為通信系統的頻譜利用效率;為該通信系統的效用;為該通信系統的頻譜利用因子。

3.2 JTIDS系統的效用

對于JTIDS系統,可以使用有效傳輸速率乘以信息傳輸的總距離來衡量其效用:

式中:為使用JTIDS系統得到的效用;為系統的有效傳輸速率;為信息傳輸的距離;S 為抗干擾補充因子,主要反映頻域和極化域特性。

通信裝備的接收基帶處理部分特性包括解碼、解調、解擴、解多址等因素的改善作用在后續禁用幾何空間的計算中體現。對于JTIDS 系統,S 主要包括頻率跳變因子S :

式中:B 為允許的頻率跳變占用范圍;B 為信號瞬時帶寬。

對于JTIDS系統,在跳頻狀態下,S =51×3/3.5=43.7,可得S =43.7;在定頻狀態下,S =S =1。

JTIDS的終端具有多種功率模式,常規模式峰值功率為200 W,中等模式峰值功率為25 W;低功率模式峰值功率為1 W;JTIDS的部分終端還配置有高功放組(HPA)(輸出功率1 000 W),實際使用時根據抗干擾要求決定是否需要加高功放組。

表3 不同模式下的發射功率和通訊作用距離

3.3 JTIDS系統的的頻譜利用因子

JTIDS系統的頻譜利用因子可以使用下面的公式確定:

式中:為JTIDS系統的頻譜利用因子;為禁用的頻率帶寬;為禁用的幾何空間(面積);為禁用時間,該值取為1。

3.3.1 禁用的頻率帶寬

當工作在960～1 215 MHz頻段上,JTIDS系統除了實際使用的969～1 008 MHz,1 053～1065 MHz和1 113～1 206 MHz共3段頻率外,美軍把960～968 MHz頻段和1 207～1 215 MHz頻段留作保護頻段,沒有分配給任何設備使用,以免對JTIDS產生干擾。此外,美軍為了避免JTIDS和敵我識別(IFF)之間的相互干擾,把1 009～1 052 MHz頻段和1 066～1 112 MHz頻段的兩端也各留了8 MHz做保護頻段。因此JTIDS系統在跳頻情況的禁用頻率帶寬可按下式進行估算:

而JTIDS系統在非跳頻狀態下的禁用頻率帶寬可按如下值進行估算:

3.3.2 禁用幾何空間

JTIDS系統主要采用全向天線,禁用幾何空間可以采用下式計算:

式中:為禁用的幾何空間(km);為禁用半徑(km),并有:

式中:為發射功率(dBm);為發射電路的損耗(dB),約為3 dB;為發射機天線增益(d B),約為3 dB;為接收機的天線增益(dB),約為3 dB;為接收機電路的損耗(dB),約為3 dB;為極化損耗(dB);I 為接收機干擾門限(d Bm);為工作的中心頻率(取1 000 MHz);A 為附加損耗(d B),取4 dB。

(1) 接收機干擾門限電平計算方法

式中:為接收機干擾門限電平(d Bm);為接收機噪聲功率電平;為波爾茲曼常數,-228.6 dB;為標準溫度,=290=24.6 dB;為接收機噪聲系數,3 d B;為接收機帶寬,通常等于1.2～1.5(=3.5 MHz),約為5 MHz;/為被干擾系統接收機所允許的最大干噪比,取值可參考達到規定系統誤碼率要求下的最小信噪比(/),其中=+,=++10 lg()+=-228.6+24.6+67+3+30=-104 dBm W。

(2) 常規模式下的計算

JTIDS 常規模式下的信息傳輸距離約為555.6 km,接收到的最小信號約為-99 d Bm W,則在無外界干擾下,信號信噪比(/) 為5 d B。

對于幾種典型的時隙類型,系統允許誤碼率分別為10、10、10時,所需的最小信噪比(/)可通過圖7和圖8查到,如表4所示,據此可根據公式(16)計算出不同允許誤碼率指標下的值,如表5所示。

表4 不同允許誤碼率指標下的 (S/N)min 值

表5 不同允許誤碼率指標下的Ir 值

3.4 JTIDS系統的頻譜使用效率計算

以JTIDS 工作在常規功率模式(=53 d Bm W,信息傳輸距離=555.6 km)為例,假定受干擾情況下允許的誤碼率為10,分別計算不同通信模式下的頻譜使用效率。

(1) 通信模式1下的頻譜使用效率計算

通信模式1是JTIDS系統的常用工作模式,頻譜使用效率計算結果見表6。

表6 通信模式1下的頻譜使用效率計算結果

(2) 通信模式2、4下的頻譜使用效率計算

模式2和模式4下JTIDS 系統定頻工作,頻譜使用效率計算結果見表7。

表7 通信模式2和4下的頻譜使用效率計算結果

4 結束語

從表6和表7看出,無論JTIDS 系統工作在何種通信模式下,使用時隙類型100(采用RS編碼的雙脈沖時隙類型)時,雖然有效傳輸速率(28 800 b/s)最低,但由于抗干擾能力最強,能在更惡劣的電磁環境下工作,所以其頻譜使用效率反而更高。

對比表6和表7,采用相同時隙類型,跳頻情況下的頻譜使用效率只比定頻時略高一點,這主要是因為只計算了單網工作時跳頻情況下的頻譜使用效率,而JTIDS跳頻支持多網工作時會帶來系統整體有效傳輸速率的提高,也會帶來頻譜使用效率的提高,但由于缺乏JTIDS多網工作的技術細節,此問題有待后續進一步仿真計算。