短波跳頻通信自適應(yīng)控制設(shè)計*

楊 敏，蔡勇華，周相成

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

短波通信是一種依靠電離層反射的無中繼的通信方式，短波通信的優(yōu)點是通信距離遠(yuǎn)、不依靠基站等固定基礎(chǔ)設(shè)施，因此在黨政、應(yīng)急、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用較廣。然而，短波信道時變色散、用戶眾多且容易受到干擾，以致通信不穩(wěn)定、可通率不高[1]。近年來，隨著計算機、信號處理等技術(shù)的發(fā)展，人們對短波通信技術(shù)的研究取得了顯著的進(jìn)步，其中短波跳頻技術(shù)便是一種對抗干擾的有效的電子防御技術(shù)[2-3]。

跳頻通信是指在通信期間載波頻率按照一定的跳頻圖案進(jìn)行跳變，快速躲避敵方有意的跟蹤干擾，以提高傳輸?shù)男逝c可靠性[4]。自20 世紀(jì)80年代以來，國外相繼研制出各種不同性能的短波跳頻系統(tǒng)，最初英國Marconi 公司生產(chǎn)的Scimitar-H和Racal 公司生產(chǎn)的Jaguar-H，具有初步的抗干擾能力，但沒有自適應(yīng)跳頻功能；后來以色列Tadiran公司生產(chǎn)的HF-2000 和美國Southcom 公司生產(chǎn)的SC-140 的跳頻速率分別為10 跳和20 跳，具有自適應(yīng)跳頻功能；近年來法國Thomson-CSF 公司生產(chǎn)的TRC-350H 和美國Motorola 公司生產(chǎn)的Micom-2E，都具有較好的抗干擾能力及頻率自適應(yīng)功能，并對跳頻信道進(jìn)行了初步數(shù)字化[5]。在國內(nèi)，具有代表性的是750 廠生產(chǎn)的TCR-154 短波跳頻電臺，該系統(tǒng)具有較好的頻率自適應(yīng)能力，可以自動避開干擾信號的頻率，具備數(shù)據(jù)傳輸功能，最高傳輸速率為2.4 kbit/s，最高跳速可達(dá)10 Hops/s[6]。

目前常見的短波跳頻技術(shù)通常采用固定頻率個數(shù)的對稱跳頻頻率集，以及采取跳頻傳輸速率整體升降的策略，并且通信雙方采用相同的跳頻頻率，在通信過程中跳頻頻率個數(shù)不變化。這種方式較為簡單，但是沒有考慮節(jié)點在不同地理位置時具體的電磁環(huán)境差異，同時也面臨著在跳頻庫頻率大量不可用時的抗干擾性能下降的問題。針對這些問題，本文給出了一種基于實時探測的非對稱跳頻頻率產(chǎn)生及協(xié)商方法，并能根據(jù)實時頻率質(zhì)量動態(tài)調(diào)整跳頻頻率個數(shù)。考慮到跳頻頻率質(zhì)量的差異，本文還提出了針對不同頻率采取不同傳輸速率的思路。此外，針對當(dāng)前數(shù)字信號處理平臺處理能力大幅提升的現(xiàn)狀，本文給出了擬提高速率自適應(yīng)容錯能力的多速率接收方案。

本文第1 節(jié)給出了跳頻系統(tǒng)的組成及運行流程；第2 節(jié)給出了快速探測以及跳頻系統(tǒng)正常運行時所必需的跳頻同步方案；第3 節(jié)和第4 節(jié)提出了本文的核心內(nèi)容，即跳頻頻率及速率自適應(yīng)控制思路；最后第5 節(jié)給出了方案的試驗結(jié)果。

1 短波自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)模型

1.1 短波跳頻工作原理

短波跳頻系統(tǒng)基本工作原理如圖1 所示。

圖1 跳頻基本原理

短波跳頻系統(tǒng)工作的基本原理為，發(fā)送信息經(jīng)過編碼調(diào)制后得到調(diào)制信號，偽隨機發(fā)生序列產(chǎn)生偽隨機序列碼，用來控制頻率合成單元在不同時隙產(chǎn)生不同的頻率跳變信號，將調(diào)制信號與頻率合成單元輸出的頻率跳變信號進(jìn)行混頻，上變頻得到發(fā)送信號。接收端由天線接收到信號，通過下變頻至頻率較低的跳頻信號，本地接收端產(chǎn)生與發(fā)射端相同的偽隨機序列碼來控制頻率合成單元產(chǎn)生本地跳頻信號，將下變頻后的跳頻信號與本地跳頻信號進(jìn)行混頻，再將中頻信號經(jīng)信息碼解調(diào)得到信息碼[7-8]。

1.2 短波自適應(yīng)跳頻工作流程

如圖2 所示，本方案的自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)的運行流程主要包括跳頻同步、頻率探測和協(xié)商、業(yè)務(wù)傳輸、頻率速率自適應(yīng)4 個階段。

圖2 跳頻工作流程

跳頻工作的具體流程為，首先，收發(fā)節(jié)點根據(jù)歷史用頻情況，預(yù)設(shè)相同的跳頻頻率集，跳頻工作頻率從頻率集中產(chǎn)生；其次，跳頻同步過程完成兩節(jié)點的頻率與時鐘同步，以保證跳頻系統(tǒng)頻率同步切換；再次，頻率探測協(xié)商過程中通過雙方快速的頻率探測，選出適合本地接收的跳頻工作頻率并與對方進(jìn)行交互；最后，在業(yè)務(wù)傳輸間隙，節(jié)點雙方對當(dāng)前非工作頻率進(jìn)行探測，同時進(jìn)行跳頻工作頻率、工作頻率數(shù)目或傳輸速率調(diào)整。

2 跳頻同步

2.1 頻率控制

跳頻系統(tǒng)的同步[9-10]是跳頻通信建立的關(guān)鍵。跳頻系統(tǒng)能夠正常運行的基本前提是跳頻頻率相同、跳頻序列相同、跳頻時鐘相同（允許存在一定的誤差）。由于跳頻頻率表為事先預(yù)設(shè)，跳頻序列是按照相同的算法產(chǎn)生，而頻率與跳頻序列的跳變受本地時鐘控制；因此，跳頻同步主要是解決時間同步問題。

在同步之前，節(jié)點的時間是隨機的，隨時間進(jìn)行切換的同步頻率也是隨機的，因此，頻率無法完全重合碰撞。為保證頻率碰撞，在同步信息交互時，收發(fā)兩端電臺采取快發(fā)慢收的頻率切換機制，保證接收端在一個頻率駐留周期內(nèi)能夠完成一次同步信息的接收。

設(shè)同步頻率個數(shù)為n，1 個同步信息發(fā)送時間為Ts，則接收端每個同步頻率駐留的時間為(n+1)Ts。同步過程頻率切換具體如圖3 所示。

圖3 同步過程頻率切換

如圖3 所示，f0、f1、f2、f3 分別按照5Ts時長輪流發(fā)送同步信息，接收端設(shè)備按照5Ts的時間周期分別在f0、f1、f2、f3 上駐留接收，每個頻率在接收周期內(nèi)必然與對應(yīng)的發(fā)送頻率重合，完成一次同步信息的接收。

2.2 時間同步方案

時間同步采用業(yè)務(wù)呼叫節(jié)點向被叫節(jié)點時間對齊的方式。主叫節(jié)點與被叫節(jié)點之間交換同步消息（Time Synchronization Message，TSM）時，由于TSM 包含了時間戳信息，因此利用兩個節(jié)點之間雙向的TSM 交互過程，計算兩個節(jié)點之間的空中信號傳播延遲，并通過補償傳播延遲誤差提高同步精度。

如圖4 所示，時間同步算法的具體流程為，先假設(shè)節(jié)點A 需要以節(jié)點B 為參考時鐘進(jìn)行同步，節(jié)點A 向節(jié)點B 發(fā)送TSM1，請求執(zhí)行同步操作；然后，節(jié)點B 在收到TSM1 后給予響應(yīng)，返回TSM2。圖4 中T1，T2，T3和T4分別代表了交互過程中的4 個時間戳值，其中T2和T3時間戳值需要節(jié)點B 將其攜帶在TSM2 中傳輸給節(jié)點A，T1和T4則由節(jié)點A在本地記錄。

圖4 時間同步算法

假設(shè)各節(jié)點的時鐘都是穩(wěn)定的，并且以同樣的速度運行，則T1，T2，T3和T4之間有如下計算關(guān)系：

式中：tpAB為在節(jié)點A 和B 之間的傳播延遲及發(fā)送處理與接收處理時延；OffsetAB為在特定時刻這兩個節(jié)點之間的時鐘偏差。這樣，可以計算兩個節(jié)點之間的傳播延遲和時鐘偏差為：

節(jié)點A 在收到TSM2 后，調(diào)整自身時鐘為Tnew=T3+tpAB或者Tnew=T4+OffsetAB，實現(xiàn)與節(jié)點B 時鐘的同步。

3 跳頻自適應(yīng)

3.1 頻率協(xié)商

同步完成后，系統(tǒng)時鐘調(diào)整為一致，頻率同步切換。此時通信雙方在頻率集上進(jìn)行逐一探測，根據(jù)探測結(jié)果雙方選定跳頻工作頻率，并將選出的結(jié)果通知對方，對方將此頻率作為發(fā)送工作頻率。節(jié)點雙方完成收發(fā)工作頻率選擇。頻率探測和協(xié)商過程如圖5 所示。

圖5 頻率探測和協(xié)商

主叫節(jié)點在同步完成后，依次在跳頻頻率集f0～fn上發(fā)起探測，被叫方在f0～f1 上統(tǒng)計接收情況，并對頻率質(zhì)量進(jìn)行記錄并排序，選出排序靠前的若干頻率作為跳頻工作頻率。

被叫方接收完探測后，依次在f0～fn上發(fā)起探測，在探測信息中攜帶選用的跳頻工作頻率信息，主叫方接收探測信息，對頻率質(zhì)量進(jìn)行記錄并排序，選出排序靠前的若干頻率作為本地跳頻工作頻率。

主叫節(jié)點統(tǒng)計完成后，在被叫方選出的最好的若干個頻率fm、fk上，發(fā)送本地選出的跳頻工作頻率。通過上述2 次探測與交互，主被叫節(jié)點均已確定跳頻工作頻率。隨后，主叫節(jié)點在工作頻率發(fā)起建鏈申請，申請中指定后續(xù)業(yè)務(wù)的類型等信息，被叫方接收后對業(yè)務(wù)申請進(jìn)行確認(rèn)，隨后收發(fā)雙方進(jìn)行跳頻業(yè)務(wù)傳輸。

3.2 頻率自適應(yīng)

工作頻率通過探測進(jìn)行了協(xié)商，但在業(yè)務(wù)傳輸過程中由于信道條件的變化，業(yè)務(wù)頻率可能變壞，可用頻率的位置和數(shù)量可能隨之發(fā)生變化，此時需及時對工作頻率進(jìn)行調(diào)整，也就是在業(yè)務(wù)傳輸?shù)耐瑫r，采取對跳頻頻率集中的非工作頻率進(jìn)行定時探測的策略，及時更新頻率質(zhì)量表，并用優(yōu)質(zhì)的非工作頻率替代變壞的工作頻率。

定時探測時，將全庫的頻率分成若干個子集，每個子集能夠覆蓋整個頻段。定時探測按照子集輪換進(jìn)行。為保證業(yè)務(wù)傳輸效率，定時探測的開銷需進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

在跳頻模式下，由于信道的變化，滿足通信要求的頻點個數(shù)也在變，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，采取工作頻率數(shù)目自適應(yīng)的策略：工作頻率變壞且無好的備用頻率時，減少工作頻率個數(shù)；找到質(zhì)量好的備用頻率時，對工作頻率進(jìn)行擴(kuò)充。頻率個數(shù)自適應(yīng)的過程如圖6 所示。

圖6 頻率個數(shù)自適應(yīng)的過程

自適應(yīng)的具體過程如下：

（1）節(jié)點找出質(zhì)量最好的頻率，根據(jù)其信道質(zhì)量與誤碼的關(guān)系，確定其位于哪一誤碼區(qū)間，將位于該區(qū)間的頻率按序選用，但不超過設(shè)計的跳頻個數(shù)。

（2）在選取的區(qū)間內(nèi)，如果有頻率質(zhì)量變差，跌出該區(qū)間，則將該頻率剔除；若有其他頻率進(jìn)入該區(qū)間，則將其選用。

（3）在選取的區(qū)間內(nèi)，如果有頻率質(zhì)量變好，則逐漸剔除質(zhì)量較差的頻點；若選用的頻率全部跌出該區(qū)間，則選用誤碼性能位于下一個區(qū)間的頻率。

4 快速速率自適應(yīng)

為充分利用信道資源，信道傳輸速率要盡可能地與信道質(zhì)量相匹配。在其他的跳頻系統(tǒng)中，由于信道條件相似，可以在各頻率上使用相同的傳輸速率。但是由于短波信道時變和頻率選擇性衰落明顯，隨著時間的變化，各工作頻率的質(zhì)量差異會變得很明顯，在此情況下，如果在各頻率上使用相同的速率，將會導(dǎo)致頻率使用效率降低，各頻點不能各盡其用。

本系統(tǒng)采用了針對單個跳頻頻率的快速速率自適應(yīng)策略，即根據(jù)頻點的實時質(zhì)量，在該頻點上選擇對應(yīng)最合適的速率進(jìn)行傳輸。因此，系統(tǒng)可能出現(xiàn)在發(fā)送過程中快速切換多種速率的情況，最快時每跳更換一次速率。速率自適應(yīng)的過程及策略如下：

（1）節(jié)點在接收業(yè)務(wù)時，對每個頻率的質(zhì)量進(jìn)行實時評估，根據(jù)質(zhì)量與速率的映射關(guān)系確定其匹配的最佳速率；

（2）節(jié)點接收方在備用頻率探測及自適應(yīng)信息交互時，發(fā)送本地各頻率的最佳接收質(zhì)量及速率至對方；

（3）對方接收自適應(yīng)信息后，在該頻率上使用建議的速率發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

如上文所述，速率自適應(yīng)信息依靠接收端通知對端，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)工作的可靠性，節(jié)點在速率更換的下一業(yè)務(wù)周期采取多速率接收的策略。業(yè)務(wù)接收端在發(fā)送完某頻率的變速信息后，隨即在變速后的速率與變速前的速率上同時接收業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)解調(diào)信息判斷哪一路是有效信息，從而確定發(fā)送端是否已經(jīng)變速。如果確定發(fā)端發(fā)送速率后，后續(xù)在該頻率上將無須進(jìn)行多速率接收。多速率接收流程如圖7 所示。

圖7 多速率接收流程

如圖7 所示，被叫方在業(yè)務(wù)傳輸過程中發(fā)現(xiàn)f2的質(zhì)量變好，速率可以上升至9 600 bit/s，被叫方隨后發(fā)送變速信息至主叫方，通知主叫方變速。主叫方未能正確接收該變速信息，后續(xù)在f2 上繼續(xù)使用4 800 bit/s 發(fā)送。被叫方由于不能確定主叫是否變速成功，同時在4 800 bit/s 和9 600 bit/s 上進(jìn)行接收，隨后確定主叫方未變速成功，后續(xù)繼續(xù)發(fā)送變速信息。

5 試驗結(jié)果

為驗證本文跳頻自適應(yīng)控制的可行性，根據(jù)上述思路，在電臺樣機上實現(xiàn)了跳頻同步、非對稱跳頻頻率協(xié)商、頻率個數(shù)自適應(yīng)、速率自適應(yīng)功能，并進(jìn)行了試驗驗證。其中調(diào)制解調(diào)器主要參照美軍短波調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)110B[11]，波形速率分別為2 400 bit/s，4 800 bit/s，9 600 bit/s，19 200 bit/s，28 800 bit/s。

5.1 試驗一：換頻功能及性能測試

試驗條件：地波通信，通信距離約10 km，跳頻頻率數(shù)16 個，固定傳輸速率。一次正向傳輸時間10 s，一次反向自適應(yīng)應(yīng)答1 s，跳數(shù)20 跳。選定某工作頻點，在本地通過陪試電臺施加單音干擾。

試驗內(nèi)容：在關(guān)閉頻率自適應(yīng)的模式下進(jìn)行誤碼率測試，連續(xù)測試10 min；開啟頻率自適應(yīng)功能，進(jìn)行誤碼率測試，連續(xù)測試10 min。記錄各種速率下的誤碼率及頻率更換時間。測試結(jié)果如表1、表2 所示。

表1 誤碼率測試結(jié)果

表2 自適應(yīng)換頻時間

5.2 試驗二：自適應(yīng)模式下傳輸性能測試

試驗條件：海面波通信，通信距離約125 km，跳頻頻率數(shù)16 個，開啟頻率、速率自適應(yīng)。一次正向傳輸時間20 s，一次反向自適應(yīng)應(yīng)答2 s，跳數(shù)20 跳。

試驗內(nèi)容：在開啟自適應(yīng)的模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)包ARQ 傳輸測試，連續(xù)測試10 min。記錄10 min 的平均傳輸通過率。

試驗數(shù)據(jù)：最高通過率為14 900 bit/s，最低通過率為11 211 bit/s，平均通過率12 434 bit/s。在測試過程中，有明顯的頻率替換與速率升降過程。

上述試驗表明，該自適應(yīng)策略能夠選出質(zhì)量較好的跳頻工作頻率集，對信道變化反應(yīng)較為迅速，通信的誤碼率改善明顯，并且該機制與寬帶傳輸波形相結(jié)合能獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸通過率。

6 結(jié)語

本文給出了一種短波跳頻系統(tǒng)的自適應(yīng)控制解決方案，能夠快速選擇跳頻工作頻率及速率，能夠針對信道的變化做出頻率或者速率的調(diào)整，使通信維持良好的狀態(tài)，但本文所提方案僅適用于點對點通信場景。未來戰(zhàn)場信息指揮體系將實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、一體化、實時化，通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸流量更大，流量密度和節(jié)點密度大幅提高，電磁環(huán)境更加復(fù)雜，因此面對網(wǎng)絡(luò)場景的短波寬帶自適應(yīng)技術(shù)將是未來研究的熱點。