孟旭東

摘要：自組織網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)的分布形式以及無中心節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(xì)介紹了其特殊幀結(jié)構(gòu)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(yīng)于自組網(wǎng)傳輸系統(tǒng)，具有抗阻塞式干擾能力且同步可靠性高。

關(guān)鍵詞：跳頻同步；TDMA；自組網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TN911文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2022）16-55-5

0引言

跳頻通信系統(tǒng)是載波頻率按照一定的跳頻圖案在相對(duì)較寬的頻率范圍內(nèi)隨機(jī)跳變的通信收發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)、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(fā)端頻率和時(shí)間差。組網(wǎng)是在通信的基礎(chǔ)上，解決全網(wǎng)頻率和時(shí)間差。跳頻同步是頻率和時(shí)間的同步，保證發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩端在同一時(shí)間范圍內(nèi)的載波一致性，及其兩端頻率跳變規(guī)律的一致性。

自組織網(wǎng)由于其系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的分布形式以及無中心節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性，跳頻同步是組網(wǎng)通信的關(guān)鍵和難點(diǎn)。跳頻同步的設(shè)計(jì)還與移動(dòng)速度、通信距離以及抗干擾要求等密切相關(guān)。

1同步條件

通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)接收跳頻信號(hào)的前提條件是，收發(fā)雙方必須實(shí)現(xiàn)跳頻同步，即跳頻發(fā)射機(jī)與跳頻接收機(jī)在同一相對(duì)時(shí)間使用相同的頻率。

跳頻同步的內(nèi)容包括：

①全網(wǎng)跳頻頻率集相同；

②全網(wǎng)跳頻圖案相同；

③全網(wǎng)跳變的起始時(shí)間一定范圍內(nèi)相同，即時(shí)間基準(zhǔn)相同。

為保證跳頻通信的保密性，跳頻圖案在不同的時(shí)隙不應(yīng)該重復(fù)，而應(yīng)該做偽隨機(jī)變化，跳頻圖案偽隨機(jī)跳變的周期越長，則敵方破譯難度越大?；跁r(shí)間（Time of Day，TOD）信息控制的跳頻圖案不僅具有良好的偽隨機(jī)特性，而且能保證子網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)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(lián)合控制偽隨機(jī)碼的狀態(tài)，并由偽隨機(jī)碼的狀態(tài)映射到相應(yīng)的跳頻頻率點(diǎn)上。跳頻同步流程如圖1所示。

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

2同步方法

目前，跳頻同步技術(shù)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(tǒng)本身，借助外界條件而實(shí)現(xiàn)跳頻同步的方法，常見的是參考時(shí)鐘法。

參考時(shí)鐘法是指用高精度時(shí)鐘（GPS/北斗等）作為全網(wǎng)的參考時(shí)鐘，所有網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)照此來調(diào)整本節(jié)點(diǎn)的時(shí)間基準(zhǔn)，完成時(shí)間同步。全網(wǎng)預(yù)知頻率集與跳頻系列，從而發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都基于同樣的時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行跳頻信號(hào)的發(fā)送和解調(diào)。該辦法具有實(shí)現(xiàn)簡單、同步快的特點(diǎn)，但對(duì)時(shí)基的精度和穩(wěn)定度要求極高，且違背了自主織網(wǎng)通信理念，對(duì)外部時(shí)鐘極度依賴，抗打擊能力差。

2.2自同步法

自同步法相對(duì)于外同步而言，僅通過通信系統(tǒng)本身完成跳頻的同步，在電磁環(huán)境極其復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)上，過于依賴外部條件會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)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(shí)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(shù)據(jù)幀，即同步字頭，接收端利用收到的同步信息實(shí)現(xiàn)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(jī)依照同步信息實(shí)現(xiàn)跳頻同步。特征自同步法是指通過發(fā)射機(jī)發(fā)送的信息序列中隱含同步信息，接收機(jī)將該同步信息提取出來，從而實(shí)現(xiàn)跳頻同步的方法。采用特征自同步法不需要發(fā)射同步碼字，可達(dá)到無信息功率損失。特征自同步法可根據(jù)相關(guān)原理直接從接收信號(hào)中提取同步信息，在節(jié)省頻率資源和信號(hào)功率方面具有優(yōu)點(diǎn)，但是信息序列中所能隱含的同步信息非常有限，受惡劣環(huán)境影響較大。此方法只適用于簡單跳頻序列的跳頻系統(tǒng)，且同步建立的時(shí)間較長。因此，目前高速跳頻系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)跳頻同步之前，某一端采用區(qū)別于正常跳頻周期進(jìn)行跳頻，設(shè)采用（>1的整數(shù)）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(hào)進(jìn)行匹配濾波運(yùn)算[1]，然后在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，判定運(yùn)算結(jié)果是否超過門限值（門限可設(shè)定絕對(duì)值與能量值相結(jié)合），若沒有，則表示沒有跳頻同步，繼續(xù)按照跳頻序列發(fā)生器進(jìn)行跳頻工作。一定時(shí)間調(diào)整序列發(fā)生器時(shí)鐘，如此往復(fù)，直到檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，本地碼與接收跳頻信號(hào)的匹配運(yùn)算結(jié)果超過門限值，停止跳頻工作，直至收完本次跳頻突發(fā)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(duì)應(yīng)于多個(gè)頻點(diǎn)，接收機(jī)具有對(duì)應(yīng)數(shù)量的多路并聯(lián)的匹配濾波器，對(duì)發(fā)射機(jī)的跳頻信號(hào)與接收機(jī)信號(hào)相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果大于門限的那一路頻點(diǎn)即為捕獲到的發(fā)射機(jī)頻率，從而實(shí)現(xiàn)跳頻同步。由此可見，該算法需要的硬件成本較高，與頻點(diǎn)數(shù)量成正比例關(guān)系，頻點(diǎn)越多則硬件成本越高。

3自組網(wǎng)系統(tǒng)同步

針對(duì)自組網(wǎng)通信系統(tǒng)，本文基于同步字頭法介紹一種改進(jìn)的組網(wǎng)跳頻同步方法，該方法能夠完成在低信噪比下同步信號(hào)的識(shí)別，且具有較強(qiáng)的抗阻塞式干擾能力。

3.1同步字頭法幀同步

格雷互補(bǔ)序列相關(guān)器只需要個(gè)乘法器、個(gè)加法器和個(gè)減法器，實(shí)現(xiàn)算法簡單，節(jié)省硬件資源，在通信和雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

針對(duì)跳頻系統(tǒng)，利用格雷互補(bǔ)對(duì)設(shè)計(jì)的突發(fā)幀的幀結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

利用4段重復(fù)序列，設(shè)計(jì)前導(dǎo)匹配濾波器，其由7階GHGS匹配濾波器、延時(shí)差分以及PreambleC匹配濾波器三部分組成，如圖5所示。

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

對(duì)匹配濾波結(jié)果做間隔個(gè)符號(hào)的延遲自相關(guān)。自相關(guān)之后的結(jié)果如圖7和圖8所示。

利用Preamble C匹配濾波器對(duì)相關(guān)信號(hào)能量進(jìn)行收集，Preamble C匹配濾波器時(shí)域如圖9所示。

經(jīng)過濾波后，輸出結(jié)果如圖10所示。

3.2信號(hào)識(shí)別與確認(rèn)

以上同步字頭法，其高峰值特點(diǎn)即使在多徑條件下，效果依然很好。下一步需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別與確認(rèn)：第1步，根據(jù)前導(dǎo)匹配濾波后結(jié)果與預(yù)設(shè)的門限值閾值進(jìn)行比較，并且采取相應(yīng)措施防止峰值位置的誤判；第2步，計(jì)算當(dāng)前接收信號(hào)能量，當(dāng)滑動(dòng)前導(dǎo)匹配濾波器輸出結(jié)果大于當(dāng)前POWER（信號(hào)能量×系數(shù)）信號(hào)能量時(shí)，鎖定并識(shí)別信號(hào)，完成信號(hào)確認(rèn)。

3.3快慢跳法

簇頭節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送同步信號(hào)，該簇頭節(jié)點(diǎn)一跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)具備入網(wǎng)和跳頻通信的能力。為保證抗干擾能力，同步信號(hào)需要在多個(gè)頻點(diǎn)上發(fā)送，為正常頻率集子集。簇頭節(jié)點(diǎn)以較低的跳頻周期發(fā)送同步信號(hào)，其他節(jié)點(diǎn)以正常跳速度偵聽同步信號(hào)，簇頭節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)預(yù)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(tǒng)為例，將每個(gè)子網(wǎng)的簇頭節(jié)點(diǎn)作為時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步信號(hào)，跳頻速度為250跳/秒，跳頻周期為4 ms，分別在8個(gè)頻點(diǎn)（頻率集子集）上發(fā)送同步信號(hào)。因此，每秒鐘需要消耗32 ms發(fā)送同步信號(hào)。

②子網(wǎng)中其他節(jié)點(diǎn)分為已入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，則在已知的8個(gè)頻點(diǎn)上持續(xù)偵聽網(wǎng)絡(luò)中的同步信號(hào)。跳頻速度為2 000跳/秒，跳頻周期為500 us。該從節(jié)點(diǎn)在4 ms內(nèi)能偵聽所有8個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)。當(dāng)簇節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步信號(hào)時(shí)，該從節(jié)點(diǎn)能在32 ms內(nèi)能偵聽到所有8個(gè)頻點(diǎn)上的同步信號(hào)，即使網(wǎng)絡(luò)中部分頻點(diǎn)被干擾，該從節(jié)點(diǎn)依舊以很高的概率至少能偵聽到一個(gè)頻點(diǎn)上的同步信號(hào)（50%頻點(diǎn)被干擾時(shí)，所有8個(gè)頻點(diǎn)均被干擾的概率為0.39%）。從節(jié)點(diǎn)只要偵聽到一個(gè)同步信號(hào)，即可完成時(shí)間同步。

③對(duì)于已入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，大部分時(shí)隙需要用來發(fā)送或者接收信號(hào)，不能持續(xù)偵聽網(wǎng)絡(luò)中的同步信號(hào)。已入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)完成了時(shí)間同步，因此獲得了子網(wǎng)中的時(shí)間基準(zhǔn)信息，只需周期接收簇頭節(jié)點(diǎn)的同步信號(hào)，更新時(shí)間信息，防止時(shí)鐘漂移過大引起的時(shí)間信息不準(zhǔn)確。

4結(jié)束語

本文自同步法中，快跳慢跳法采用發(fā)射端慢跳，接收端正常跳速，發(fā)送端發(fā)送信息量為倍接收端的重復(fù)，保證信息傳達(dá)的同時(shí)，兼具抗干擾能力；在多元組合法中應(yīng)用獨(dú)立信道與步進(jìn)搜索相結(jié)合的方法解決遲入網(wǎng)和跨網(wǎng)等問題。

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

特殊系統(tǒng)①：外同步+自同步法

窄帶的通信系統(tǒng)中，由于傳輸有效信息有限，在進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)，不能完全地傳輸精確信息?？梢岳猛馔竭M(jìn)行粗校準(zhǔn)，如對(duì)表法等，把時(shí)間限定在某一誤差范圍，再傳輸誤差范圍的基準(zhǔn)信息即可完成精確同步。

特殊系統(tǒng)②：并行搜索+步進(jìn)搜索

超遠(yuǎn)距離通信中，為了減少傳輸保護(hù)預(yù)留時(shí)間，可采用并行搜索與步進(jìn)搜索相結(jié)合的辦法。假設(shè)時(shí)隙對(duì)齊，發(fā)射端在F1頻點(diǎn)傳送的信息，接收端已經(jīng)跳到F2頻點(diǎn)，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(hù)預(yù)留時(shí)間、減少握手冗余信息傳輸。

特殊系統(tǒng)③：獨(dú)立信道+步進(jìn)搜索法

自適應(yīng)跳頻通信系統(tǒng)中，根據(jù)信道狀態(tài)，利用頻譜感知技術(shù)，對(duì)頻率集進(jìn)行更新，若已入網(wǎng)同步節(jié)點(diǎn)通過感知信息已經(jīng)切換了頻率集，此時(shí)遲入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)未知新的頻率集而無法入網(wǎng)，可利用固定的或者無業(yè)務(wù)的空閑時(shí)隙切換到原來的頻率集進(jìn)行遲入網(wǎng)的頻率同步。原來的頻率集為獨(dú)立信道，新的頻率集根據(jù)感知信息實(shí)時(shí)更新。

此方法還可用于跨網(wǎng)系統(tǒng)中，同步正交組網(wǎng)中所有的網(wǎng)都在統(tǒng)一的時(shí)鐘下使用同一個(gè)跳頻圖案進(jìn)行同步跳頻，但每個(gè)網(wǎng)的頻率順序不同，因此在相同時(shí)刻不同網(wǎng)絡(luò)使用的頻率都不同，這樣在網(wǎng)間任一時(shí)隙均不會(huì)發(fā)生頻率的碰撞。各網(wǎng)都使用同一張頻率表（但頻率順序不同），理論上有多少個(gè)跳頻頻率就可組成多少個(gè)正交跳頻通信網(wǎng)。由于網(wǎng)間均為正交頻率，網(wǎng)間通信問題可采用獨(dú)立信道與步進(jìn)搜索相結(jié)合的方法，跨網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，固定或空閑時(shí)隙均可切換到網(wǎng)間其他的正交頻率集進(jìn)行通信。

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