中國人民解放軍68046部隊(duì)　閆虎林　羅　斌　陸軍榮

武警警官學(xué)院 袁 征

一種動(dòng)態(tài)刪除回歸的周期型PTP中繼通信頻率選擇算法

中國人民解放軍68046部隊(duì)閆虎林羅斌陸軍榮

武警警官學(xué)院 袁 征

微小型無人機(jī)（Micro-unmanned Aerial Vehicle，MUAV）作為通信中繼平臺具有部署靈活、易于控制、成本低廉的特點(diǎn)，是未來戰(zhàn)術(shù)通信的發(fā)展趨勢。為提高復(fù)雜電磁環(huán)境下的頻率資源利用率和通信可靠性，本文改進(jìn)現(xiàn)有MUAV通信中繼協(xié)議中頻率自適應(yīng)技術(shù)存在的問題，建立了頻率刪除回歸機(jī)制，提出了一種動(dòng)態(tài)刪除回歸的周期型頻率選擇算法。給出了算法的具體流程、幀格式和關(guān)鍵技術(shù)等，并對算法性能進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。

微小型無人機(jī)；中繼通信；刪除回歸；頻率選擇

隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，戰(zhàn)場通信服務(wù)的要求也越來越高，地面通信裝備有限的傳輸距離嚴(yán)重制約了指揮機(jī)關(guān)對戰(zhàn)場態(tài)勢的有效控制。利用微小型無人機(jī)通信中繼實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場通信成為了研究的熱點(diǎn)［1］?，F(xiàn)有微小型無人機(jī)通信中繼采用固定頻率表跳變方式代替了定頻方式，通信質(zhì)量和可靠性有了明顯提升，但是隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境的復(fù)雜化，系統(tǒng)的丟包率增大，通信質(zhì)量嚴(yán)重下降。采用頻率自適應(yīng)技術(shù)，犧牲一定的帶寬換取信噪比，是提高通信質(zhì)量的主要方法［2］，典型的頻率自適應(yīng)技術(shù)主要包括認(rèn)知無線電技術(shù)、自適應(yīng)跳頻技術(shù)和動(dòng)態(tài)頻率選擇技術(shù)［3］。

1　PTP中繼通信模型需求分析

MUAV通信中繼PTP（Point To Point）模型如圖1所示，MUAV通信中繼的覆蓋范圍內(nèi)，處于不同區(qū)域的兩個(gè)戰(zhàn)術(shù)節(jié)點(diǎn)利用中繼完成通信。

圖1　MUAV通信中繼PTP模型

現(xiàn)有MUAV通信中繼主要采用周期型頻率變換的方式，它通過用戶自定義的頻率表動(dòng)態(tài)地改變無線信道，在指定的間隔內(nèi)周期性的跳變頻道。相比于定頻模式，固定頻率列表的跳頻方式的網(wǎng)絡(luò)性能有了很大改善，但是，在復(fù)雜電磁環(huán)境下，系統(tǒng)的通信質(zhì)量仍然會(huì)受到嚴(yán)重限制。

圖2　兩種方式性能對比

固定列表跳頻與定頻方式下，系統(tǒng)吞吐量隨背景噪聲強(qiáng)度的變化如圖2所示。隨著背景噪聲的降低，兩種方式的系統(tǒng)吞吐量都有明顯的提升。然而在背景噪聲較高時(shí)，固定頻率列表的跳頻方式的吞吐量性能要明顯優(yōu)于定頻模式［4］。但是即便如此，根據(jù)圖2可以看出，改善后的吞吐量實(shí)際值僅僅能夠達(dá)到理論吞吐量的15.7%，仍然無法有效滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需求［5］。本文提出了一種動(dòng)態(tài)刪除回歸的周期型頻率選擇算法，算法將“跳頻”與“跳時(shí)”相結(jié)合，在頻率刪除機(jī)制的基礎(chǔ)上，引入了回歸思想，建立了頻率刪除回歸機(jī)制，并通過周期型下發(fā)廣播幀的方式完成動(dòng)態(tài)頻率選擇。

2　動(dòng)態(tài)刪除回歸的周期型頻率選擇算法

動(dòng)態(tài)刪除回歸的周期型頻率選擇算法在傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率選擇算法基礎(chǔ)上，采取周期性頻率變換的方式，首先AP根據(jù)當(dāng)前可用信道數(shù)量產(chǎn)生對應(yīng)的RS序列，并利用RS序列與頻率的對應(yīng)關(guān)系，生成“源”頻率集，之后根據(jù)信道質(zhì)量測量結(jié)果，刪除當(dāng)前跳頻序列中的“壞”頻率，并向CPE下發(fā)信道切換的通告，包括接下來若干次頻率變換的頻率信息和切換時(shí)間，CPE在收到信道切換的通告后，會(huì)在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)切換信道。每個(gè)頻率周期結(jié)束后，AP對關(guān)聯(lián)CPE進(jìn)行信道質(zhì)量估計(jì)，更新“好”頻率和“壞”頻率集合，在整個(gè)RS頻率變換序列結(jié)束后，AP重新生成下一組RS序列，并結(jié)合當(dāng)前的“好”頻率和“壞”頻率集合，采取刪除回歸機(jī)制，形成下一組頻率變換序列，接著下發(fā)給CPE，進(jìn)行下一輪頻率變換。動(dòng)態(tài)刪除回歸的周期型頻率選擇算法流程如圖3所示。

圖3　動(dòng)態(tài)刪除回歸的周期型頻率選擇算法流程圖

圖4　不同跳頻間隔吞吐量對比

2）可用頻點(diǎn)數(shù)量N對系統(tǒng)吞吐量的影響

干擾源數(shù)量為5，頻率變換間隔為300ms，可用頻點(diǎn)數(shù)量N變化時(shí)，采用不同頻率更新機(jī)制的對比如圖5所示。當(dāng)有足夠可用頻點(diǎn)時(shí)，刪除替代機(jī)制的吞吐量略優(yōu)于刪除回歸機(jī)制，因?yàn)閯h除回歸機(jī)制的復(fù)雜度高于刪除替代機(jī)制，而當(dāng)可用頻點(diǎn)逐漸減少，干擾點(diǎn)對普通節(jié)點(diǎn)的干擾加劇，背景噪聲嚴(yán)重惡化，此時(shí)，刪除回歸機(jī)制的頻率資源利用率優(yōu)勢得以體現(xiàn)，系統(tǒng)吞吐量降幅明顯低于刪除替代機(jī)制。

3　仿真結(jié)果分析

1）頻率變換間隔對系統(tǒng)吞吐量的影響

干擾源數(shù)量為5時(shí)，不同跳頻間隔對吞吐量的影響如圖4所示，隨著跳頻間隔的增大，系統(tǒng)吞吐量先增大后減小，在300ms時(shí)，系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最優(yōu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上節(jié)理論分析結(jié)論相同，這說明算法系統(tǒng)損耗與抗干擾性能存在相互制約的關(guān)系。在干擾源數(shù)量一定的情況下，過小時(shí)，系統(tǒng)損耗較大，造成了嚴(yán)重的吞吐量損失，而過大時(shí)，信道質(zhì)量的檢測效果受到了限制，頻率變換的有效性降低，進(jìn)而影響了吞吐量。因此，系統(tǒng)存在最佳頻率變換間隔使得系統(tǒng)吞吐量最優(yōu)。

圖5　不同頻點(diǎn)數(shù)目吞吐量對比

4　結(jié)束語

本文針對MUAV通信中繼PTP模型，提出了一種動(dòng)態(tài)刪除回歸的周期型頻率選擇算法，并設(shè)計(jì)了一種刪除回歸機(jī)制，算法通過丟包率統(tǒng)計(jì)的方式進(jìn)行周期性的信道質(zhì)量估計(jì)，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)受干擾頻點(diǎn)，躲避干擾，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的系統(tǒng)吞吐量。相比傳統(tǒng)的DFS算法，算法能夠有效提升資源利用率和保密安全性能。仿真實(shí)驗(yàn)分析還進(jìn)一步表明，根據(jù)電磁環(huán)境的不同及時(shí)調(diào)整頻率變換間隔等相關(guān)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)吞吐量最大化。

［1］王鵬，馬永青，汪宏昇等.無人機(jī)通信應(yīng)用設(shè)想及關(guān)鍵技術(shù)［J］.飛航導(dǎo)彈，2011（5）：53-56.

［2］梁小虎.自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)中頻率自適應(yīng)技術(shù)研究［J］.通信技術(shù)，2013（4）：65-67.

［3］李向陽.自適應(yīng)跳頻中的關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2008.

［4］俞世榮，李淵淵.自適應(yīng)跳頻技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)［J］.無線電工程，2001，31（1）：19-22.

［5］戰(zhàn)大為，董俊，劉坤等.基于接收信號信噪比預(yù)測的自適應(yīng)跳頻信道質(zhì)量評估［J］.艦船電子工程2008（4）：76-79.

閆虎林【通訊作者】，中國人民解放軍68046部隊(duì)助理工程師。

羅斌，中國人民解放軍68046部隊(duì)二級軍士長。

陸軍榮，中國人民解放軍68046部隊(duì)工程師。