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        一種實(shí)時(shí)自組網(wǎng)波形TDMA幀結(jié)構(gòu)與跳頻抗干擾設(shè)計(jì)

        2021-10-08 10:14:24柏春雷張文學(xué)
        中國新通信 2021年16期

        柏春雷 張文學(xué)

        【摘要】? ? 本文對美軍WNW波形進(jìn)行分析研究,參考其組網(wǎng)協(xié)議并針對其跳頻抗干擾薄弱處進(jìn)行改進(jìn)完善,提出了一種實(shí)時(shí)自組網(wǎng)波形數(shù)據(jù)鏈路層TDMA幀結(jié)構(gòu)與跳頻抗干擾設(shè)計(jì)。

        【關(guān)鍵詞】? ? 實(shí)時(shí)自組網(wǎng)? ? ?TDMA幀結(jié)構(gòu)? ? 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(wǎng)絡(luò)空間能力建設(shè)和發(fā)展創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)裝備,實(shí)現(xiàn)“戰(zhàn)術(shù)級網(wǎng)絡(luò)空間優(yōu)勢”的重大舉措。JTRS主要目的是利用軟件無線電技術(shù),聯(lián)合工業(yè)部門共同制定了統(tǒng)一、開放的體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)(SCA),按照該標(biāo)準(zhǔn)研制一個(gè)具有開放體系結(jié)構(gòu)和可靈活配置、可升級的戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)系列。實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與波形的松耦合,制定共用波形,實(shí)現(xiàn)體系裝備的持續(xù)演進(jìn)。

        JTRS按照優(yōu)先發(fā)展寬帶網(wǎng)絡(luò)波形的原則,開發(fā)了寬帶網(wǎng)絡(luò)波形(WNW)、士兵電臺(tái)波形(SRW)、聯(lián)合機(jī)載網(wǎng)絡(luò)-戰(zhàn)術(shù)邊界波形(JAN-TE)、移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)波形(MUOS)等新波形。除上述新增波形外,JTRS還兼容了傳統(tǒng)的SINCGARS、EPLRS、Link-16、UHF SATCOM、HAVEQUICKⅠ/Ⅱ、HF等現(xiàn)有波形。覆蓋了機(jī)載、地面移動(dòng)、固定站、海上通信和個(gè)人通信五個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,美軍2021年現(xiàn)役波形69種,其中WNW波形在空間信號上最為典型。

        為適應(yīng)不同作戰(zhàn)環(huán)境的使用需求,WNW目前采用4種空間信號,如圖1所示,根據(jù)戰(zhàn)術(shù)環(huán)境的運(yùn)行條件,空間信號可由人工進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。波形的4種空間信號的信道帶寬都是可變的,根據(jù)不同信道情況和應(yīng)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(tǒng)一時(shí)隙分配協(xié)議USAP進(jìn)行組網(wǎng),如圖1,USAP是一種MAC層分布式TDMA時(shí)隙和信道分配協(xié)議。USAP將時(shí)隙分配機(jī)制和高層協(xié)議區(qū)分開來,并且設(shè)計(jì)了一種通過選擇時(shí)隙和協(xié)調(diào)不同層之間的交互作用的通用協(xié)議,適用于不同高層在鄰居間選擇時(shí)隙。

        USAP每幀的第一個(gè)時(shí)隙分配給一個(gè)固定的節(jié)點(diǎn)用于發(fā)送控制分組,通過節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送控制分組的交互,每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)新的發(fā)送控制分組包時(shí)都會(huì)對本地的時(shí)隙分配信息進(jìn)行更新,并在下一個(gè)幀循環(huán)中對應(yīng)的控制時(shí)隙發(fā)送更新后的發(fā)送控制分組包,這樣將本地時(shí)隙分配信息發(fā)送至兩跳范圍內(nèi)鄰節(jié)點(diǎn),而本節(jié)點(diǎn)也知道兩跳范圍內(nèi)鄰節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙占用情況,所以一個(gè)幀循環(huán)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道一幀中沒有分配的時(shí)隙和可以分配給自己的時(shí)隙,可以實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。

        二、一種實(shí)時(shí)自組網(wǎng)波形TDMA幀設(shè)計(jì)

        本文參考WNW波形統(tǒng)一時(shí)隙分配協(xié)議USAP進(jìn)行TDMA幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖所示:

        三、一種實(shí)時(shí)自組網(wǎng)波形跳頻抗干擾設(shè)計(jì)

        3.1跳結(jié)構(gòu)

        跳頻模式的基本參數(shù)如下:

        (1)跳頻速率:2000 跳/s

        (2)符號率:2.133M、4.267M、8.533Msps

        (3)前保護(hù)開銷:20 us

        (4)后保護(hù)開銷:50 us

        (5)有效駐留時(shí)間:430 us

        跳頻子幀的時(shí)間及射頻、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別見下面的三個(gè)圖。

        跳頻子幀內(nèi)各字段的內(nèi)容、長度定義如下,

        保護(hù)字段1用于功放及射頻切換,不發(fā)射信號,時(shí)長20us;

        AGC字段在接收機(jī)中用于調(diào)節(jié)電路增益,同時(shí)兼做PN字段的循環(huán)前綴CP1,時(shí)長30us;

        導(dǎo)頻字段為雙PN結(jié)構(gòu),采用ZC序列,每段30us,兩段的內(nèi)容完全相同。導(dǎo)頻字段的作用:估計(jì)幀頭位置及時(shí)延值,估計(jì)頻偏值、信噪比、信道的頻響曲線。CP2是循環(huán)后綴。在接收機(jī)中進(jìn)行FFT/IFFT變換時(shí),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(diào)制,長240us。其循環(huán)前綴、循環(huán)后綴分別是CP2、CP4。

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

        CP3、CP5分別是y1、y2內(nèi)的隱含字段,與CP2、CP4配合,使其成為循環(huán)前綴。

        CP6與保護(hù)字段2一起,總長52.5us,在接收機(jī)中留做信號延遲到達(dá)時(shí)的緩沖區(qū),確??刹杉健癆GC-CP5”數(shù)據(jù)段。

        圖中箭頭所指的是復(fù)制、填充CP字段時(shí)的數(shù)據(jù)源頭及目的地。

        CP長度的選定取決于信道的時(shí)延擴(kuò)展范圍,該數(shù)據(jù)可由信道參數(shù)估計(jì)模塊提供;在工程應(yīng)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(shù)十公里,根據(jù)信道建模仿真結(jié)果及以往的試驗(yàn)數(shù)據(jù),CP范圍在3~20us以內(nèi)。這里將CP的默認(rèn)長度設(shè)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(shù)信道場景;同時(shí)也允許根據(jù)信道參數(shù)靈活的調(diào)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(shè)為5us左右,最大路程差為1.5公里,尾保護(hù)時(shí)間也相應(yīng)縮短。

        基于這種考慮,實(shí)例化如下6種基本典型傳輸方案樣例。由于各關(guān)鍵字段都受到循環(huán)前綴、循環(huán)后綴的嚴(yán)密保護(hù),這種數(shù)據(jù)格式能夠適用于各種典型的復(fù)雜信道環(huán)境,保證良好的接收性能。

        3.2跳頻同步設(shè)計(jì)

        3.2.1相關(guān)參數(shù)

        跳速

        跳速為2000跳/秒。

        TOD長度

        采用48bit的數(shù)值對TOD計(jì)數(shù)。

        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(fù)。100年時(shí)間長度的TOD值為0x5BC826A6000,共43bits,則參與頻率字運(yùn)算的TOD位數(shù)也要43bits,為編程方便,設(shè)計(jì)中可按48bits長度對TOD計(jì)數(shù),跳頻序列的循環(huán)遠(yuǎn)長于100年。

        同步允許時(shí)差

        跳頻同步算法允許收發(fā)雙方時(shí)差按5分鐘設(shè)計(jì),即收發(fā)雙方Δt≤|±5min|。

        TOD空中傳輸分組

        一跳完成跳頻同步數(shù)據(jù)傳輸,用6個(gè)頻點(diǎn)輪流各發(fā)送1次。

        5分鐘對應(yīng)的TOD值為0x927C0,共20bit需要在空口傳輸,對應(yīng)TOD數(shù)據(jù)的bit19-bit0。

        系統(tǒng)的信道帶寬、調(diào)制和編碼方式,以及跳周期長度,可保證在1跳內(nèi)完成20bitsTOD數(shù)據(jù)的傳輸。

        圖7? ? 同步跳插入位置示意圖

        偽隨機(jī)碼發(fā)生器(PRG)

        偽隨機(jī)序列發(fā)生器多項(xiàng)式為:

        G(X)=x63+x33+x2+1

        圖8? ? 跳頻頻率計(jì)算過程示意圖

        操作過程:

        1)將64位跳頻密鑰和計(jì)算頻率且含頻率fsn TOD的字段(低位補(bǔ)0,共64bit)進(jìn)行按位異或邏輯運(yùn)算,作為寫入PRG的初始輸入數(shù)據(jù);

        2)寫入PRG運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)的值,該值一般用步驟1)的后兩個(gè)字節(jié)相乘的結(jié)果,如果該值小于64,則再加64;

        3)PRG運(yùn)算結(jié)束后,讀出低8bit,進(jìn)行非線性變換,在與跳頻網(wǎng)號相加,取低6位。

        跳頻密鑰

        因信息安全需要,跳頻參數(shù)通過外部加注參數(shù)的方式影響頻率的偽隨機(jī)結(jié)果。

        跳頻網(wǎng)號

        為使在同一張頻率表中,多個(gè)子網(wǎng)可正交組網(wǎng),設(shè)置該參數(shù),用于頻率偏移,達(dá)到正交。

        3.2.2同步跳頻率算法

        同步跳發(fā)送內(nèi)容格式:

        同步跳頻點(diǎn)的計(jì)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(jì)算,因偽隨機(jī)發(fā)生器一般部署在FPGA,這樣可減少CPU對FPGA讀寫等待時(shí)間。

        比如,要計(jì)算第N跳的頻率,則:

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

        2)在N-1跳完成右邊虛框內(nèi)的工作,并將頻表內(nèi)的索引值所對應(yīng)的實(shí)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(yù)先設(shè)置的頻率值工作。

        3.2.3數(shù)據(jù)跳頻率算法

        數(shù)據(jù)跳頻率的計(jì)算過程如下圖10。

        數(shù)據(jù)跳頻率計(jì)算過程同同步跳頻率計(jì)算,只是使用了TOD的全部字段。

        3.2.4跳頻同步搜索

        結(jié)合同步跳插入位置情況,在同步搜索階段,只需計(jì)算同步頻率,fsn從1到6依次計(jì)算6個(gè)同步頻率,同步頻率的計(jì)算方法同上節(jié)所述,只是每個(gè)同步頻率需要持續(xù)6×32+1跳,即比6個(gè)幀周期還要多1跳。

        當(dāng)接收方在第M跳的頻點(diǎn)上檢測到CP、PN,且信息字段經(jīng)校驗(yàn)正確后,生成一個(gè)臨時(shí)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(fā)方fsn_t與本方計(jì)算第M跳頻率對應(yīng)的fsn_r(考慮上圖中的處理時(shí)延情況,fsn_r的值是變化的,為以示區(qū)分,用bak_fsn來表示)可把一般在進(jìn)行比較:

        圖 11? ?跳頻模塊與收發(fā)模塊之間接口關(guān)系

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

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

        若bak_fsn

        2)為進(jìn)一步驗(yàn)證第M跳頻點(diǎn)的正確性,將使用tempTod臨時(shí)替代本地TOD計(jì)算下5個(gè)同步跳頻率(可多驗(yàn)證幾個(gè)后續(xù)的同步跳頻率,因?yàn)槿绻嬖诟蓴_,只驗(yàn)證一兩個(gè)頻點(diǎn),有失偏頗):

        如果下幾個(gè)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(xù)幾個(gè)同步跳,大部分沒有收到,則拋棄tempTod值,繼續(xù)用本地TOD搜索。

        3.2.5跳頻同步建立時(shí)間預(yù)計(jì)

        根據(jù)TDMA幀設(shè)計(jì),每32跳插入1個(gè)同步跳,使用6個(gè)頻點(diǎn)輪流發(fā)送同步TOD數(shù)據(jù),用1個(gè)頻點(diǎn)保持(6×32+1)跳(0.5ms)=96.5ms;同步搜索也需要用6個(gè)頻點(diǎn),遍歷一遍,耗時(shí)為6×96.5ms=579ms(約0.6秒)。

        1)對于同步跳,各級節(jié)點(diǎn)都發(fā)同步;同時(shí)發(fā)送同步的各級節(jié)點(diǎn)在計(jì)算同步跳的頻率時(shí),使用不同的fsn,根據(jù)節(jié)點(diǎn)層級,增加fsn偏移量,以最頂層fsn為參照基準(zhǔn),則第2層使用fsn+1,第3層使用fsn+2計(jì)算頻點(diǎn),以此類推,第6層使用fsn+5。這樣的設(shè)計(jì),在只有頂層單個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí),可保證在579ms的時(shí)間內(nèi)搜索到同步跳;在有多個(gè)層級節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步情況下,可以成倍縮短同步建立時(shí)間。收到同步的節(jié)點(diǎn),可根據(jù)同步數(shù)據(jù)的“同步質(zhì)量”字段的指示,知道本節(jié)點(diǎn)同步到了哪一層節(jié)點(diǎn)、是否還需要本節(jié)點(diǎn)往下一層節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步信息、發(fā)什么樣的同步質(zhì)量碼。

        2)對于數(shù)據(jù)跳,因各層子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)在分配的數(shù)據(jù)時(shí)隙發(fā)送,所以不存在多節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送的情況;如果確有多節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的情況,借鑒同步跳頻率的協(xié)調(diào)方式,通過對頻表內(nèi)的索引加偏移量的方法解決。

        3.2.6跳頻同步維持

        進(jìn)入同步狀態(tài)后,需要在每個(gè)同步跳的位置進(jìn)行同步檢測,設(shè)置失步計(jì)數(shù)器,在一個(gè)同步接收跳如果收不到同步信息,則失步計(jì)數(shù)器的值加1,如果失步計(jì)數(shù)器的等于8(具體閾值可調(diào)整為更多或更少),則判斷本設(shè)備失步;如果收到1個(gè),則失步計(jì)數(shù)器清零,表示未失步。

        為降低虛警,在原有搜索機(jī)制的基礎(chǔ)上,增加場強(qiáng)檢測機(jī)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(guān)碼,才確認(rèn)為是可能的同步信息。(本波形已在跳結(jié)構(gòu)中安排CP、PN等字段,用來進(jìn)行頻率同步的相關(guān)驗(yàn)證)。

        四、跳頻軟件實(shí)現(xiàn)

        跳頻軟件根據(jù)配置的主從模式、跳頻密鑰值、TOD值,完成跳頻頻點(diǎn)的計(jì)算,同步數(shù)據(jù)的發(fā)送準(zhǔn)備,同步數(shù)據(jù)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(jì)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(tǒng)控制軟件模塊接口

        表4。

        4.3跳任務(wù)處理模塊設(shè)計(jì)

        跳任務(wù)處理模塊流程如下圖14。

        參? 考? 文? 獻(xiàn)

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