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

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)電臺系列。實(shí)現(xiàn)平臺與波形的松耦合，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、固定站、海上通信和個人通信五個應(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時隙和信道分配協(xié)議。USAP將時隙分配機(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隙。

USAP每幀的第一個時隙分配給一個固定的節(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，每個節(jié)點(diǎn)接收到一個新的發(fā)送控制分組包時都會對本地的時隙分配信息進(jìn)行更新，并在下一個幀循環(huán)中對應(yīng)的控制時隙發(fā)送更新后的發(fā)送控制分組包，這樣將本地時隙分配信息發(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)的時隙占用情況，所以一個幀循環(huán)內(nèi)每個節(jié)點(diǎn)都知道一幀中沒有分配的時隙和可以分配給自己的時隙，可以實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。

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

本文參考WNW波形統(tǒng)一時隙分配協(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）有效駐留時間：430 us

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

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，時長20us;

AGC字段在接收機(jī)中用于調(diào)節(jié)電路增益，同時兼做PN字段的循環(huán)前綴CP1，時長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，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字段時的數(shù)據(jù)源頭及目的地。

CP長度的選定取決于信道的時延擴(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。

同步允許時差

跳頻同步算法允許收發(fā)雙方時差按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個同步頻率，同步頻率的計(jì)算方法同上節(jié)所述，只是每個同步頻率需要持續(xù)6×32+1跳，即比6個幀周期還要多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，生成一個臨時的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臨時替代本地TOD計(jì)算下5個同步跳頻率（可多驗(yàn)證幾個后續(xù)的同步跳頻率，因?yàn)槿绻嬖诟蓴_，只驗(yàn)證一兩個頻點(diǎn)，有失偏頗）：

如果下幾個同步跳，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跳頻同步建立時間預(yù)計(jì)

根據(jù)TDMA幀設(shè)計(jì)，每32跳插入1個同步跳，使用6個頻點(diǎn)輪流發(fā)送同步TOD數(shù)據(jù)，用1個頻點(diǎn)保持（6×32+1）跳（0.5ms）=96.5ms;同步搜索也需要用6個頻點(diǎn)，遍歷一遍，耗時為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;同時發(fā)送同步的各級節(jié)點(diǎn)在計(jì)算同步跳的頻率時，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)，在只有頂層單個節(jié)點(diǎn)時，可保證在579ms的時間內(nèi)搜索到同步跳;在有多個層級節(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)時隙發(fā)送，所以不存在多節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送的情況;如果確有多節(jié)點(diǎn)同時發(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，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)

[1] 2020 DoD Communication Waveform Inventory ，DISTRIBUTION STATEMENT A. Approved for public release. Distribution is unlimited （24 March 2021）.

[2] John E. Kleider， Steve Gifford， Keith Nolan， Derrick Hughes， Scott Chuprun. “Demonstrating Robust High Data Rate Capability on a Software Defined Radio Using Anti-Jam Wideband OFDM Waveforms”? ?MILCOM 2005，

[3] Joint Program Executive Office （JPEO） Joint Tactical Radio System （JTRS）. “Joint Tactical Radio System Network Enterprise Domain Test & Evaluation -Waveform Portability Guidelines”， ver 1.21， 28 December 2009

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