基于TDMA的自組網系統跳頻同步研究

孟旭東

摘要：自組織網絡動態的分布形式以及無中心節點的網絡結構特性使得跳頻的頻率同步成為其核心問題之一。本文主要討論完成跳頻同步的前提條件，介紹了幾種常見的跳頻同步方法，并提出了一種基于同步字頭法的頻率同步方法，詳細介紹了其特殊幀結構及同步序列的選取，并完成了該方法同步性能的仿真，該方法可適應于自組網傳輸系統，具有抗阻塞式干擾能力且同步可靠性高。

關鍵詞：跳頻同步；TDMA；自組網

中圖分類號：TN911文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）16-55-5

0引言

跳頻通信系統是載波頻率按照一定的跳頻圖案在相對較寬的頻率范圍內隨機跳變的通信收發系統，系統的抗干擾能力強、保密性好、頻譜利用率高，并且具有抗多徑、抗衰落的性能。

通信的首要問題是搜索和消除收發端頻率和時間差。組網是在通信的基礎上，解決全網頻率和時間差。跳頻同步是頻率和時間的同步，保證發射機和接收機兩端在同一時間范圍內的載波一致性，及其兩端頻率跳變規律的一致性。

自組織網由于其系統動態的分布形式以及無中心節點的網絡結構特性，跳頻同步是組網通信的關鍵和難點。跳頻同步的設計還與移動速度、通信距離以及抗干擾要求等密切相關。

1同步條件

通信系統實現接收跳頻信號的前提條件是，收發雙方必須實現跳頻同步，即跳頻發射機與跳頻接收機在同一相對時間使用相同的頻率。

跳頻同步的內容包括：

①全網跳頻頻率集相同；

②全網跳頻圖案相同；

③全網跳變的起始時間一定范圍內相同，即時間基準相同。

為保證跳頻通信的保密性，跳頻圖案在不同的時隙不應該重復，而應該做偽隨機變化，跳頻圖案偽隨機跳變的周期越長，則敵方破譯難度越大。基于時間（Time of Day，TOD）信息控制的跳頻圖案不僅具有良好的偽隨機特性，而且能保證子網中所有節點具有一致的跳頻圖案。

基本思想是采用小m序列和TOD信息聯合控制偽隨機碼的狀態，并由偽隨機碼的狀態映射到相應的跳頻頻率點上。跳頻同步流程如圖1所示。

跳頻同步性能的好壞對于跳頻通信系統性能有極大的影響，跳頻同步性能要求：自動、快速、可靠、抗干擾性好、同步信號的隱蔽性（抗偵察性能）、失步后能迅速恢復同步。

2同步方法

目前，跳頻同步技術方法主要包括：外同步法、自同步法以及多元組合法。

2.1外同步法

外同步法是指不單純依賴于通信系統本身，借助外界條件而實現跳頻同步的方法，常見的是參考時鐘法。

參考時鐘法是指用高精度時鐘（GPS/北斗等）作為全網的參考時鐘，所有網內節點照此來調整本節點的時間基準，完成時間同步。全網預知頻率集與跳頻系列，從而發射機和接收機都基于同樣的時間基準進行跳頻信號的發送和解調。該辦法具有實現簡單、同步快的特點，但對時基的精度和穩定度要求極高，且違背了自主織網通信理念，對外部時鐘極度依賴，抗打擊能力差。

2.2自同步法

自同步法相對于外同步而言，僅通過通信系統本身完成跳頻的同步，在電磁環境極其復雜的戰場上，過于依賴外部條件會導致系統的生存能力下降。自同步的過程一般需要先完成頻率同步，再通過接收到的有效信息完成時間同步。

同步方法主要包括同步字頭法、特征自同步法等。同步字頭法是在通信建立前先傳送攜帶有同步信息的數據幀，即同步字頭，接收端利用收到的同步信息實現同步。同步字頭中包含完成頻率同步的全部或部分信息，接收機依照同步信息實現跳頻同步。特征自同步法是指通過發射機發送的信息序列中隱含同步信息，接收機將該同步信息提取出來，從而實現跳頻同步的方法。采用特征自同步法不需要發射同步碼字，可達到無信息功率損失。特征自同步法可根據相關原理直接從接收信號中提取同步信息，在節省頻率資源和信號功率方面具有優點，但是信息序列中所能隱含的同步信息非常有限，受惡劣環境影響較大。此方法只適用于簡單跳頻序列的跳頻系統，且同步建立的時間較長。因此，目前高速跳頻系統通常采用同步字頭法。

建立采用同步字頭法的跳頻通信系統中，為了接收完整的同步信息，可采取多種措施，包括快跳慢跳法、搜索停止法和并行接收法等。

快跳慢跳法是在系統跳頻同步之前，某一端采用區別于正常跳頻周期進行跳頻，設采用（>1的整數）倍于正常周期，保證同步信息能夠完整接收并解析，完成同步。

搜索停止法首先將本地碼與接收到的跳頻信號進行匹配濾波運算[1]，然后在檢測時間內，判定運算結果是否超過門限值（門限可設定絕對值與能量值相結合），若沒有，則表示沒有跳頻同步，繼續按照跳頻序列發生器進行跳頻工作。一定時間調整序列發生器時鐘，如此往復，直到檢測時間內，本地碼與接收跳頻信號的匹配運算結果超過門限值，停止跳頻工作，直至收完本次跳頻突發幀，解析跳頻同步信息，完成同步。

并行搜索算法于1981年由Polydoros等[2]提出，其具體工作原理是，對應于多個頻點，接收機具有對應數量的多路并聯的匹配濾波器，對發射機的跳頻信號與接收機信號相關運算的結果進行檢測，結果大于門限的那一路頻點即為捕獲到的發射機頻率，從而實現跳頻同步。由此可見，該算法需要的硬件成本較高，與頻點數量成正比例關系，頻點越多則硬件成本越高。

3自組網系統同步

針對自組網通信系統，本文基于同步字頭法介紹一種改進的組網跳頻同步方法，該方法能夠完成在低信噪比下同步信號的識別，且具有較強的抗阻塞式干擾能力。

3.1同步字頭法幀同步

格雷互補序列相關器只需要個乘法器、個加法器和個減法器，實現算法簡單，節省硬件資源，在通信和雷達領域應用廣泛。

針對跳頻系統，利用格雷互補對設計的突發幀的幀結構，如圖4所示。

利用4段重復序列，設計前導匹配濾波器，其由7階GHGS匹配濾波器、延時差分以及PreambleC匹配濾波器三部分組成，如圖5所示。

對Preamble分別做差分匹配濾波，差分間隔128個符號，GHGS7匹配濾波器對7階（128長度）的GHGS序列進行匹配濾波，得到匹配濾波結果。過匹配濾波器后的結果如圖6所示。

對匹配濾波結果做間隔個符號的延遲自相關。自相關之后的結果如圖7和圖8所示。

利用Preamble C匹配濾波器對相關信號能量進行收集，Preamble C匹配濾波器時域如圖9所示。

經過濾波后，輸出結果如圖10所示。

3.2信號識別與確認

以上同步字頭法，其高峰值特點即使在多徑條件下，效果依然很好。下一步需要對信號進行識別與確認：第1步，根據前導匹配濾波后結果與預設的門限值閾值進行比較，并且采取相應措施防止峰值位置的誤判；第2步，計算當前接收信號能量，當滑動前導匹配濾波器輸出結果大于當前POWER（信號能量×系數）信號能量時，鎖定并識別信號，完成信號確認。

3.3快慢跳法

簇頭節點周期性發送同步信號，該簇頭節點一跳范圍內的鄰居節點具備入網和跳頻通信的能力。為保證抗干擾能力，同步信號需要在多個頻點上發送，為正常頻率集子集。簇頭節點以較低的跳頻周期發送同步信號，其他節點以正常跳速度偵聽同步信號，簇頭節點和其他節點預先知道跳頻圖案。

基本工作方式：

①以2000跳/秒的跳頻通信系統為例，將每個子網的簇頭節點作為時間基準節點。該節點發送同步信號，跳頻速度為250跳/秒，跳頻周期為4 ms，分別在8個頻點（頻率集子集）上發送同步信號。因此，每秒鐘需要消耗32 ms發送同步信號。

②子網中其他節點分為已入網節點和未入網節點。對于未入網節點，則在已知的8個頻點上持續偵聽網絡中的同步信號。跳頻速度為2 000跳/秒，跳頻周期為500 us。該從節點在4 ms內能偵聽所有8個頻點信號。當簇節點發送同步信號時，該從節點能在32 ms內能偵聽到所有8個頻點上的同步信號，即使網絡中部分頻點被干擾，該從節點依舊以很高的概率至少能偵聽到一個頻點上的同步信號（50%頻點被干擾時，所有8個頻點均被干擾的概率為0.39%）。從節點只要偵聽到一個同步信號，即可完成時間同步。

③對于已入網節點，大部分時隙需要用來發送或者接收信號，不能持續偵聽網絡中的同步信號。已入網節點完成了時間同步，因此獲得了子網中的時間基準信息，只需周期接收簇頭節點的同步信號，更新時間信息，防止時鐘漂移過大引起的時間信息不準確。

4結束語

本文自同步法中，快跳慢跳法采用發射端慢跳，接收端正常跳速，發送端發送信息量為倍接收端的重復，保證信息傳達的同時，兼具抗干擾能力；在多元組合法中應用獨立信道與步進搜索相結合的方法解決遲入網和跨網等問題。

隨著需求的多樣化，更高跳速、優化的跳頻序列以及自適應跳頻同步等還可以進一步研究。此外，某些特殊系統還可充分利用多種方法進行組合，適配系統特殊需求。例如：

特殊系統①：外同步+自同步法

窄帶的通信系統中，由于傳輸有效信息有限，在進行時間同步時，不能完全地傳輸精確信息。可以利用外同步進行粗校準，如對表法等，把時間限定在某一誤差范圍，再傳輸誤差范圍的基準信息即可完成精確同步。

特殊系統②：并行搜索+步進搜索

超遠距離通信中，為了減少傳輸保護預留時間，可采用并行搜索與步進搜索相結合的辦法。假設時隙對齊，發射端在F1頻點傳送的信息，接收端已經跳到F2頻點，可以通過并行的方式在通道2并行接收完成同步，可以提升同步效率、減少傳輸保護預留時間、減少握手冗余信息傳輸。

特殊系統③：獨立信道+步進搜索法

自適應跳頻通信系統中，根據信道狀態，利用頻譜感知技術，對頻率集進行更新，若已入網同步節點通過感知信息已經切換了頻率集，此時遲入網節點未知新的頻率集而無法入網，可利用固定的或者無業務的空閑時隙切換到原來的頻率集進行遲入網的頻率同步。原來的頻率集為獨立信道，新的頻率集根據感知信息實時更新。

此方法還可用于跨網系統中，同步正交組網中所有的網都在統一的時鐘下使用同一個跳頻圖案進行同步跳頻，但每個網的頻率順序不同，因此在相同時刻不同網絡使用的頻率都不同，這樣在網間任一時隙均不會發生頻率的碰撞。各網都使用同一張頻率表（但頻率順序不同），理論上有多少個跳頻頻率就可組成多少個正交跳頻通信網。由于網間均為正交頻率，網間通信問題可采用獨立信道與步進搜索相結合的方法，跨網節點，固定或空閑時隙均可切換到網間其他的正交頻率集進行通信。

參考文獻

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