李紅衛(wèi) 林創(chuàng)勤 廖劍鏢

(1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 510800;2.廣東省船舶自動化工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510800)

0 引言

跳頻通信技術(shù)在現(xiàn)代通信中具有廣泛的應(yīng)用。跳頻組網(wǎng)是跳頻通信裝備發(fā)揮效能的重要途徑,目前國內(nèi)外對跳頻組網(wǎng)的研究主要集中于同步組網(wǎng)和異步組網(wǎng)技術(shù)等方面。所謂同步或者異步均是指跳頻網(wǎng)與網(wǎng)之間在射頻時序上的制約關(guān)系,不能將單獨的跳頻網(wǎng)歸結(jié)為同步組網(wǎng)或異步組網(wǎng)。

跳頻組網(wǎng)主要包括頻分組網(wǎng)和碼分組網(wǎng)兩大類:頻分組網(wǎng)與常規(guī)通信頻分組網(wǎng)類似,不同的跳頻網(wǎng)絡(luò)使用不同的跳頻頻率;碼分組網(wǎng):所有跳頻網(wǎng)絡(luò)在相同的跳頻頻率表上跳頻,不同的跳頻網(wǎng)絡(luò)使用不同的跳頻圖案。根據(jù)跳頻圖案正交與否又分為正交跳頻網(wǎng)和非正交跳頻網(wǎng)。根據(jù)是否具有統(tǒng)一的時間基準,跳頻組網(wǎng)可分為同步組網(wǎng)和異步組網(wǎng)。同步組網(wǎng)時,各跳頻網(wǎng)絡(luò)具有統(tǒng)一的時間基準。異步組網(wǎng)時,各跳頻網(wǎng)絡(luò)沒有統(tǒng)一的時間基準。正交跳頻網(wǎng)為了使跳頻圖案不發(fā)生重疊,要求全網(wǎng)做到嚴格定時,故一般采用同步組網(wǎng)方式。因此,從嚴格意義上講,正交跳頻網(wǎng)是同步正交跳頻網(wǎng),一般簡稱為同步網(wǎng)。非正交跳頻網(wǎng)的跳頻圖案可能會發(fā)生重疊,因此可能會產(chǎn)生網(wǎng)間干擾。通過精心選擇跳頻圖案和采用異步組網(wǎng)方法,可以使網(wǎng)間干擾減小到最低限度。

1 跳頻組網(wǎng)參數(shù)

跳頻電臺工作的主要參數(shù)有:頻率集(FQR)、實時時鐘(TOD)、網(wǎng)絡(luò)時鐘(TON)、密鑰(KEY)、跳頻表、偽隨機序列發(fā)生器(PRG)。

FQR:是由個頻率組成的一個跳頻頻率集,記為{,,…,f}。TOD:代表跳頻同步所必需的偽碼發(fā)生器實時狀態(tài)。TON:Time of Net,跳頻系統(tǒng)的時間計數(shù)器,其單位為hop,其一般以網(wǎng)絡(luò)中某臺設(shè)備(如主臺)的TOD 為參照系。KEY:跳頻系統(tǒng)的信道密鑰,決定偽碼發(fā)生器的初始狀態(tài)。跳頻表:是行列的矩陣,是組網(wǎng)的個數(shù)。同步正交組網(wǎng)的跳頻表滿足條件:(1)的每行是{,,…,f}的一個排列;(2)的每列互不相同。

2 網(wǎng)間干擾分析

跳頻偽隨機序列發(fā)生器PRG 的計算與TON和KEY 有關(guān),假定KEY 為函數(shù),為正整數(shù)集到{1,2,…,}的映射。

同步正交跳頻網(wǎng)要實現(xiàn)正常工作,須保證跳頻網(wǎng)的每一起跳時刻相同,并且任一頻率駐留時刻的各跳頻網(wǎng)瞬時射頻頻率正交,理論上同步網(wǎng)在維持同步時,無網(wǎng)間干擾現(xiàn)象。同步組網(wǎng)的技術(shù)難度也在于必須保證各個跳頻網(wǎng)間時鐘嚴格同步,技術(shù)難度大。但實際中由于跳頻技術(shù)體制裝備不可避免會發(fā)生時鐘漂移,且同步網(wǎng)各網(wǎng)之間的時鐘信息交換會增加同步信息內(nèi)容,同步時間增加,這些情況會導(dǎo)致網(wǎng)間干擾產(chǎn)生。

同步正交跳頻網(wǎng)的網(wǎng)間干擾主要有2種情況:延時干擾和TON 不一致的干擾。

延時干擾示意圖如圖1所示,其中和)分別表示網(wǎng)和網(wǎng)的跳頻表。

圖1 延時干擾示意圖

TON 不一致干擾的示意圖如圖2所示。

圖2 TON 不一致干擾示意圖

若(())(()),則在時刻,網(wǎng)對網(wǎng)會產(chǎn)生干擾。

對于延時干擾,延時不是整數(shù)跳時性能一般優(yōu)于整數(shù)跳延時的性能,為了理論推導(dǎo)方便,只考慮延時為整數(shù)跳的情形,于是延時干擾亦可看作是TON不一致干擾。所以下文只考慮TON 不一致干擾。

3 跳頻表生成算法設(shè)計

3.1 跳頻表交集矩陣與交集偏移量

本文定義給出跳頻表的交集矩陣的概念,它是分析網(wǎng)間干擾和指導(dǎo)跳頻表設(shè)計的一個重要量。

3.2 跳頻表交集偏移量最小準則

(1) 網(wǎng)內(nèi)存在2種TON 值理論分析

網(wǎng)內(nèi)的TON 只有2個值,假設(shè)TON 值為和,其中TON 值為的網(wǎng)有個,TON 值為的網(wǎng)有個,顯然。不失一般性,只考慮TON 值為的網(wǎng)受到TON 值為的網(wǎng)的干擾。稱TON 值為K的網(wǎng)為K-TON 網(wǎng)。

對于任何的跳頻表,上述結(jié)論都成立。

(2) 網(wǎng)內(nèi)存在3種TON 值理論分析

網(wǎng)內(nèi)的TON 只有3個值,假設(shè)TON 值為、、,其中TON 值為的網(wǎng)有個,TON 值為的網(wǎng)有個,TON 值為的網(wǎng)有個,顯然。不失一般性,只考慮TON 值為的網(wǎng)受到TON 值為的網(wǎng)和TON 值為的網(wǎng)的干擾。仍稱TON 值為K的網(wǎng)為K-TON 網(wǎng)。

任何時刻,某個-TON 網(wǎng)可能受到-TON網(wǎng)和-TON 網(wǎng)的干擾,從而存在一定的干擾概率。令p(,)表示(),(),()情形下,一個-TON 網(wǎng)受到的-TON 網(wǎng)或-TON 網(wǎng)干擾的概率。下面來分析p(,)。

對于任何跳頻表,上述結(jié)論都成立。

3.3 算法設(shè)計

由第3.2節(jié)可以看出,網(wǎng)內(nèi)有2種或3種TON值時,均希望σ最小。所以設(shè)計跳頻表的準則是使得交集偏移量σ最小。

依據(jù)上述準則,可以利用如下算法通過計算機搜索較好的跳頻表。

跳頻表的生成算法:

(2) 把的列進行隨機置換,得方陣,再對的行進行隨機置換,得方陣,并令為的前行。

(3) 計算σ,若σ＜,則更新σ=σ,并更新=。返回(2),直到循環(huán)次數(shù)到達上限。

(4) 輸出。

4 跳頻表網(wǎng)間干擾概率驗證

以16,10為例,進行10 000次搜尋的σ(按照與均值差的絕對值和計算)值的仿真圖如圖3所示。

圖3 10 000次搜尋F 的σF 值仿真圖

從仿真結(jié)果可知,只需要在最小σ對應(yīng)的跳頻表中找一個作為跳頻表即可。

以16,10為例,本例不經(jīng)過優(yōu)選,對采用如下常用跳頻表的干擾概率進行分析。

其交集矩陣為:

由此可見,交集矩陣D的分布很不均勻,可想而知性能不好。交集偏移量σ為384,要遠大于經(jīng)過優(yōu)選后σ的值。

以下是上述情況下幾種不同情形的干擾概率的計算:

(1) 情形1:網(wǎng)絡(luò)中有2個TON 值,且1,9。

可以看出,16,10,1,9時,-TON 網(wǎng)的干擾概率為從0～0.9不等,而且如果密鑰函數(shù)使得(),()1或(),()1時,-TON 網(wǎng)被干擾的概率高達0.9,這是不希望的。

(2) 情形2:網(wǎng)絡(luò)中有2個TON 值,且2,8。

可以看出,16,10,2,8時,-TON 網(wǎng)的干擾概率為從0～0.8不等,而且如果密鑰函數(shù)使得(),()1或(),()1時,-TON 網(wǎng)被干擾的概率高達0.8,這是不希望的。

(3) 情形3:網(wǎng)絡(luò)中有3個TON 值,且1,1,7。

可見p(,)隨著密鑰函數(shù)的變化,被干擾的概率變化是劇烈的,惡劣的情形下,密鑰函數(shù)可能導(dǎo)致-TON 網(wǎng)被干擾的概率為0.73。

(4) 情形4:網(wǎng)絡(luò)中有3個TON 值,且1,2,6。

可見p(,)隨著密鑰函數(shù)的變化,被干擾的概率變化是劇烈的,惡劣的情形下,密鑰函數(shù)可能導(dǎo)致-TON 網(wǎng)被干擾的概率為0.68。

5 結(jié)束語

本文分析了同步正交跳頻網(wǎng)的網(wǎng)間干擾類型,針對TON 不一致干擾從實際使用中存在2種和3種TON 值進行理論分析,驗證了所設(shè)計的跳頻表交集偏移量最小準則的有效性,依據(jù)該準則設(shè)計了跳頻表的生成算法,從跳頻表網(wǎng)間干擾概率驗證結(jié)果可以看出,以交集偏移量σ最小準則為指導(dǎo),經(jīng)過優(yōu)選設(shè)計的跳頻表的性能優(yōu)于常用的跳頻表的性能,而且基本上已經(jīng)達到了最優(yōu)(達到最優(yōu)的條件是交集矩陣D的分布是完全均勻的,均值跳頻表的設(shè)計無關(guān)的定值),充分說明本算法的有效性。