JTIDS 系統(tǒng)抗干擾性能仿真

黃嘉春

(中國西南電子技術(shù)研究所, 成都610036)

1 引 言

聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)(JTIDS)是指Link16 系統(tǒng)的通信部分,包括終端軟件、硬件、RF 設(shè)備及其產(chǎn)生的大容量、保密、抗干擾波形。JTIDS 系統(tǒng)自身不僅采用了高速跳頻(76 923 hop/s)、跳時(抖動)、直接序列擴頻(CCSK)抗干擾技術(shù),而且采用了RS 編碼、交織、加密等技術(shù),使得系統(tǒng)具備了保密性強、截獲率低、抗干擾能力強等優(yōu)點。而JTIDS 的高度集成化、模塊化、數(shù)字化和全自動多功能的設(shè)計思想和理念不僅大大縮短了設(shè)備的研發(fā)周期,降低了研發(fā)成本,而且兼顧了老設(shè)備的兼容性以及為更新設(shè)備的研發(fā)提供了廣闊的空間,非常適合現(xiàn)代化信息戰(zhàn)爭復(fù)雜多變的特點[1-2]。

本文簡要介紹了JTIDS 系統(tǒng)以及JTIDS 消息處理流程,并給出MATLAB 仿真模型;對JTIDS 抗干擾技術(shù)進(jìn)行分析,然后對JTIDS 系統(tǒng)抗白噪聲干擾、單頻或阻塞式干擾、組網(wǎng)的性能進(jìn)行了仿真和分析,最終得出系統(tǒng)實際工作情況時的抗干擾性能和組網(wǎng)能力。

2 JTIDS 系統(tǒng)簡介

JTIDS 終端主要產(chǎn)生Link16 波形。為了確保更強的抗干擾能力,波形采用了如下技術(shù):擴頻、跳頻、檢錯糾錯編碼、脈沖冗余、偽隨機噪聲編碼、數(shù)據(jù)交織等[1-2]。圖1 給出其固定格式消息的處理流程[2]。

圖1 JTIDS 固定格式消息處理示意圖Fig.1 Data flow in JTIDS fixed format

圖1 中, 檢錯編碼、基帶數(shù)據(jù)加密、交織以及CCSK 碼字加密都是提高JTIDS 系統(tǒng)消息字的保密性的重要手段。本文主要仿真波形的抗白噪聲干擾、單頻或阻塞干擾的特性,因此,側(cè)重仿真其中的前向糾錯、CCSK 編碼、MSK 調(diào)制,以及脈沖冗余。

3 JTIDS 抗干擾技術(shù)分析

JTIDS 端機首先對消息字進(jìn)行檢錯編碼、加密,然后進(jìn)行RS 編碼處理、交織,再進(jìn)行CCSK 擴頻,最后進(jìn)行MSK 調(diào)制處理,并經(jīng)過跳頻處理后發(fā)送到射頻上。

3.1 RS 碼

RS 碼特別適合于糾正突發(fā)錯誤。JTIDS 系統(tǒng)每發(fā)送長為32 chip的偽隨機碼就會變換一個頻率。每個chip 都表示一個5 bit的符號,因此,該符號有可能正確接收,有可能接收錯誤。系統(tǒng)采用RS 編解碼的目的就是為了糾正其錯誤接收的符號,提高JTIDS的通信正確率。

3.2 CCSK 擴頻

JTIDS 系統(tǒng)中采用CCSK 擴頻除了帶來擴頻增益的好處外,更重要的是還采用了發(fā)射加密的抗截獲手段。因此使得信號載波加密程度高,想通過實時偵收的方法進(jìn)行破譯非常困難。

3.3 跳頻

跳頻技術(shù)是一種具有高抗干擾性、高抗截獲能力的擴頻技術(shù)。跳頻技術(shù)的采用不僅使得JTIDS 系統(tǒng)具有很好的抗干擾特性,而且能夠確保多個設(shè)備在同一區(qū)域內(nèi)可在不同的網(wǎng)絡(luò)上同時通信而不會造成相互干擾。

4 JTIDS 系統(tǒng)抗干擾仿真

4.1 JTIDS 系統(tǒng)抗白噪聲干擾模型與仿真

在JTIDS 消息字?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中,輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過RS(31, 15)編碼后, 經(jīng)過CCSK 軟擴頻處理, 再經(jīng)過MSK 調(diào)制。由于此處主要對JTIDS 的抗白噪聲干擾性能進(jìn)行仿真,故暫時不考慮跳頻、跳時。因此,可建立JTIDS 數(shù)據(jù)鏈路中消息字?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抗白噪聲仿真模型,其信息發(fā)送、接收端的流程如圖2 所示。

圖2 JTIDS 抗白噪聲仿真模型Fig.2 Simulation model for anti-Gaussian white noise of JTIDS

在JTIDS 系統(tǒng)中, 時隙中承載編碼消息的脈沖有兩種,一種是單脈沖,一種是雙脈沖。一個單脈沖承載一個RS 編碼符號,一對雙脈沖也承載一個RS編碼符號,即一個RS 編碼符號傳輸了兩次。消息字以單或雙脈沖發(fā)送時的性能顯然不會是一樣的。因此,在對JTIDS 系統(tǒng)的消息字在加性高斯白噪聲信道中的性能進(jìn)行仿真時,分為兩種情況,一種是單脈沖消息字?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu),一種是雙脈沖消息字?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。最終的仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 單雙脈沖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抗白噪聲仿真性能圖Fig.3 The performance of anti-Gaussian white noise in single pulse/double pulse

圖3 中,虛線是JTIDS 系統(tǒng)單脈沖消息字抗白噪聲性能曲線圖,實線是雙脈沖消息字抗白噪聲性能曲線圖。比較兩者可以得出,在JTIDS 系統(tǒng)中,雙脈沖消息字比單脈沖消息字抗白噪聲性能好大概1 dB。但是在雙脈沖消息字結(jié)構(gòu)中,一個符號要經(jīng)過兩次CCSK 編碼,即每個RS 編碼符號需要發(fā)送兩次;而單脈沖消息字結(jié)構(gòu)中,每個RS 編碼符號需要發(fā)送一次,消息發(fā)送的效率比雙脈沖消息字大一倍,而僅僅損失了1 dB的抗白噪聲性能。因此,雙脈沖消息字結(jié)構(gòu)在抗白噪聲性能上并沒有體現(xiàn)出任何優(yōu)勢。

4.2 JTIDS 系統(tǒng)抗阻塞干擾模型與仿真

和前面的消息字抗白噪聲仿真模型一樣,需要RS 編解碼、CCSK 解擴處理和MSK 調(diào)制解調(diào)的過程;不同的是,在抗阻塞式干擾仿真中,需要考慮到跳頻,這樣才能將阻塞式干擾加到JTIDS 仿真模型中。JTIDS 消息字?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抗阻塞式干擾仿真模型如圖4 所示。

圖4 JTIDS 抗阻塞干擾仿真模型Fig.4 JTIDS simulation model for anti-jamming interference

如圖4 所示,JTIDS 系統(tǒng)在受到阻塞式干擾的同時,必定同樣會受到白噪聲的干擾。因此, 在對JTIDS 系統(tǒng)的阻塞式干擾性能進(jìn)行仿真時,是建立在首先假設(shè)JTIDS 系統(tǒng)在某個SNR 白噪聲性能的環(huán)境下進(jìn)行的。

另外需要說明的是阻塞式干擾是怎么加入到該仿真模型的。在MATLAB 的仿真中, 如果直接將MSK 信號調(diào)制到跳頻載波上來進(jìn)行仿真,那么勢必會帶來大量的運算。考慮到仿真的實現(xiàn)性以及時間的限制,并沒有像一般跳頻仿真系統(tǒng)一樣將傳輸調(diào)制到射頻上,而是采用了一種變通的簡易方法,最終達(dá)到對JTIDS 系統(tǒng)抗阻塞式干擾性能的仿真目的。即當(dāng)某一跳數(shù)據(jù)落入阻塞干擾時,就將該跳的信號直接阻塞掉。

在該節(jié)的仿真中,跳頻圖案的設(shè)計是一個必須注意的環(huán)節(jié)。跳頻圖案設(shè)計的好壞直接決定了每個RS 編解碼分組中有幾個點被干擾掉,因此必須單獨對跳頻圖案的隨機性、均勻性、復(fù)雜度等進(jìn)行仿真和驗證[3]。該節(jié)跳頻圖案設(shè)計采用時隙編號、網(wǎng)號和初始密鑰進(jìn)行線性運算,再采用64 bit 的m 序列運算,最后加上非線性運算產(chǎn)生跳頻圖案。跳頻圖案仿真結(jié)果表明,該方法產(chǎn)生的序列符合跳頻圖案的要求。最終的仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 單雙脈沖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抗阻塞干擾仿真性能圖Fig.5 The performanceof anti jamm ing in single pulse/double pulse

如圖5 所示,隨著阻塞頻點的增加,單雙脈沖的誤比特率表現(xiàn)不一樣。對于單脈沖而言,因為沒有脈沖冗余,很快就出現(xiàn)了誤碼。雙脈沖表現(xiàn)則不同,阻塞點數(shù)超過了13 個頻點,才開始出現(xiàn)誤碼。因此,脈沖冗余設(shè)計最大的好處就是增強了JTIDS 系統(tǒng)的抗阻塞干擾能力。換言之,脈沖冗余設(shè)計用降低數(shù)據(jù)的吞吐量換取了更強的抗干擾能力。

4.3 JTIDS 系統(tǒng)多重網(wǎng)絡(luò)的仿真

JTIDS 系統(tǒng)支持多重網(wǎng)工作。在多重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,操作者在操作中選擇一個網(wǎng)絡(luò)號使用,每個網(wǎng)絡(luò)都分配一個唯一的跳頻圖案用于發(fā)送,那么不同網(wǎng)絡(luò)之間的跳頻圖案碰撞率和JTIDS 系統(tǒng)的抗阻塞干擾性能之間必然存在一個關(guān)系,即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)量增加時,頻率碰撞率增加,當(dāng)被阻塞的頻率超過了JTIDS系統(tǒng)的阻塞干擾性能時,JTIDS 系統(tǒng)的通信質(zhì)量出現(xiàn)嚴(yán)重問題,最終將導(dǎo)致通信失敗。

仿真以時隙為單位,計算M 個網(wǎng)絡(luò)的N 個時隙的跳頻圖案并記錄保存,然后對保存記錄的跳頻圖案進(jìn)行漢明相關(guān),最后得出跳頻圖案的碰撞概率曲線圖如圖6 所示。

圖6 JTIDS 系統(tǒng)多重網(wǎng)跳頻圖案頻率碰撞率仿真曲線圖Fig.6 Hopping frequency colliding probability for JTIDS working in multi-network

由仿真結(jié)果得出,在同一區(qū)域內(nèi)有兩個網(wǎng)絡(luò)工作時,JTIDS 系統(tǒng)頻率碰撞率為0.02。按照J(rèn)TIDS 系統(tǒng)跳頻工作頻點為51 個計算,最多有兩個頻率發(fā)生碰撞。從上一節(jié)的阻塞干擾仿真結(jié)果來看,單脈沖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能使用。

再觀察上一節(jié)的阻塞干擾仿真結(jié)果,當(dāng)阻塞頻點超過13 個頻點時,系統(tǒng)開始出現(xiàn)誤碼。即當(dāng)被干擾的頻點不超過總頻點的25%時,JTIDS 系統(tǒng)的雙脈沖結(jié)構(gòu)是可以正常通信的,幾乎沒有誤碼存在。當(dāng)被干擾的頻點超過總頻點的31%時,JTIDS 系統(tǒng)的誤碼率開始大量出現(xiàn)。對應(yīng)該節(jié)多重網(wǎng)跳頻圖案碰撞仿真圖,可以得出以下結(jié)論:當(dāng)同一區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)目為10 ～15 個時,頻率碰撞率就已經(jīng)是20%～30%,那么JTIDS 系統(tǒng)同一區(qū)域內(nèi)最多允許15 個網(wǎng)絡(luò)同時工作。

5 結(jié)束語

本文通過對JTIDS 系統(tǒng)抗干擾性能和組網(wǎng)性能的仿真和分析,驗證了JTIDS 系統(tǒng)的抗干擾性能優(yōu)良,同一區(qū)域內(nèi)允許多個網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)工作,滿足戰(zhàn)時通信的抗干擾以及保密性需求。仿真發(fā)現(xiàn),跳頻圖案以及編解碼的設(shè)計對系統(tǒng)的抗干擾性能影響較大,因此還需要深入研究。本文仿真結(jié)果不僅為JTIDS系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的研究提供參考,也為未來抗干擾軍事通信的開發(fā)和工程實踐提供了依據(jù)。

[ 1] 梅文華, 蔡善法.JTIDS/ Link16 數(shù)據(jù)鏈[M] .北京:國防工業(yè)出版社, 2007:66-88.

MEI Wen-hua, CAI Shan-fa.JTIDS/ Link16 Data Link[M] .Beijing:National Defense Industry Press, 2007:66 -88.(in Chinese)

[2] NATO STANAG5516,Tactical Data Exchange-Link16[S] .

[3] 梅文華, 楊義先.跳頻通信地址編碼理論[M] .北京:國防工業(yè)出版社,1996.

MEI Wen-hua, YANG Yi-xian.The theory of frequency hopping communication address coding[M] .Beijing :National Defense Industry Press,1996.(in Chinese)