跳頻通訊電臺組網(wǎng)的建模與仿真

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1、跳頻通訊電臺組網(wǎng)的建模與仿真作者：電子科技大學(xué)王文欽蔡竟業(yè)摘要：隨著跳頻通訊在無線通訊中日益廣泛的應(yīng)用，跳頻電臺的組網(wǎng)也就成為一個(gè)重要的課題。跳頻碰撞作為跳頻電臺組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，但這方面可見的研究文獻(xiàn)卻很少。本文首先介紹了跳頻電臺組網(wǎng)理論容限的數(shù)學(xué)模型，然后以53個(gè)有效頻點(diǎn)為例，設(shè)計(jì)出了非重復(fù)碰撞的跳頻圖案。最后，對異步組網(wǎng)時(shí)跳頻圖案的性能和碰撞題目進(jìn)行了仿真。關(guān)鍵詞：戰(zhàn)術(shù)電臺；通訊網(wǎng)；跳頻序列；碰撞；建模與仿真一、引言隨著跳頻通訊在無線通訊中日益廣泛的應(yīng)用，跳頻電臺的組網(wǎng)題目也就成為一個(gè)重要的課題。跳頻碰撞是跳頻電臺組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),但

2、有關(guān)的研究文獻(xiàn)卻未幾。跳頻通訊網(wǎng)是利用頻率跳變（FH）方式組建成的通訊網(wǎng)，能在相當(dāng)寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)眾多用戶間的有效通訊。經(jīng)過組網(wǎng)可以擴(kuò)展電臺的覆蓋范圍，增加網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)，增強(qiáng)通訊能力，增加通訊系統(tǒng)的抗毀性和靈活性，進(jìn)步互連互通的開通速度。為了進(jìn)步網(wǎng)絡(luò)的用戶容量，建議采用直擴(kuò)/跳頻（DS/FH）混合的組網(wǎng)方式?；镜膶?shí)現(xiàn)方案可以為：在子網(wǎng)內(nèi)采用直擴(kuò)，子網(wǎng)內(nèi)用戶用碼分來區(qū)分，而子網(wǎng)與子網(wǎng)之間采用跳頻碼分。組網(wǎng)前，網(wǎng)內(nèi)所有跳頻電臺均處于搜索掃描狀態(tài)，主臺首先發(fā)出同步信號，該同步信號被網(wǎng)內(nèi)其它從屬臺正確接收后，各從屬臺先自動校正本臺的時(shí)鐘，再將自己

3、的跳速自動跟蹤到主臺的跳速上，而后建立通訊聯(lián)絡(luò)。通訊完畢，網(wǎng)內(nèi)所有電臺再次回到搜索掃描狀態(tài)，以等待下一次同步組網(wǎng)。為了使網(wǎng)內(nèi)電臺僅在本網(wǎng)中搜索掃描，網(wǎng)內(nèi)各臺需在組網(wǎng)前設(shè)置呼喚參數(shù)。這樣，網(wǎng)內(nèi)電臺只有當(dāng)監(jiān)聽到對本網(wǎng)或本臺的呼喚時(shí)才進(jìn)進(jìn)跳頻建立狀態(tài)。為此，本文將探討跳頻電臺組網(wǎng)時(shí)的相關(guān)題目。?二、理論容限的數(shù)學(xué)建模由于系統(tǒng)工作頻點(diǎn)的限制，頻點(diǎn)只能在有限的頻點(diǎn)中偽隨機(jī)地選取，并且系統(tǒng)對跳頻圖案的產(chǎn)生和性能有如下要求：(1)頻圖案的周期性應(yīng)足夠長，線性復(fù)雜度應(yīng)足夠大，以達(dá)到高保密度的性能和強(qiáng)的抗破譯性;(2)用戶的跳頻圖案的互相關(guān)性能要好，跳頻

4、圖案的自相關(guān)性能也要良好，以減小碰撞機(jī)會，方便組網(wǎng);(3)較好的隨機(jī)性，使敵方不易捕捉;(4)各頻點(diǎn)在頻帶內(nèi)均勻分布，以增強(qiáng)抗干擾性能;(5)碼的數(shù)目要多，可更換或多網(wǎng)使用，以進(jìn)一步進(jìn)步系統(tǒng)的抗截獲性。跳頻系列族的設(shè)計(jì)主要涉及到4個(gè)參數(shù)：頻隙數(shù)目q、系列長度L、系列數(shù)目N以及漢明相關(guān)Hmax，還有間隔d。這些參數(shù)是相互約束的，通過對參數(shù)分析可以構(gòu)造出跳頻序列。跳頻通訊系統(tǒng)的組網(wǎng)方式分為同步組網(wǎng)和異步組網(wǎng)，它們的區(qū)別主要在于系統(tǒng)是否具有同一的時(shí)間基準(zhǔn)［1］。同步組網(wǎng)對跳頻圖案性能的要求要比異步組網(wǎng)對跳頻圖案性能的要求低些，因此這里主要考慮

5、異步組網(wǎng)。為了有效地利用有限的資源，面臨的題目是：使用q個(gè)頻隙來構(gòu)造長度為L的非重復(fù)跳頻序列，能得到多少個(gè)序列呢？考慮到跳頻通訊時(shí)不能使用平移不等價(jià)的跳頻序列情況，可得到序列數(shù)目為!個(gè)。假如不考慮多址組網(wǎng)，則上述的!個(gè)序列都可以用來控制跳頻。但實(shí)際上，在同一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)會有很多用戶同時(shí)工作，這就需要考慮序列的漢明相關(guān)性能，也就是要求任意兩個(gè)序列之間的重合次數(shù)不大于某個(gè)規(guī)定的值。而!個(gè)序列族中有的漢明相關(guān)性能很差，因而不能全部用于跳頻組網(wǎng)。引理［2，3］：設(shè)Nα表示異步組網(wǎng)時(shí)限定漢明相關(guān)H(X,Y)不大于k的條件下最多能構(gòu)造出的長度為L的非重

6、復(fù)序列的數(shù)目，則有由引理可知，在答應(yīng)最大重合次數(shù)的條件條件下，序列數(shù)目與序列長度成反比；而在給定序列長度的條件下，為了得到更多的序列以供用戶使用，則要犧牲序列的漢明相關(guān)特性。當(dāng)要求重合次數(shù)為0，即沒有重合（無碰撞）時(shí)，由引理得到序列數(shù)目為由此可知，假如k=0,L=8,q=53，則Nα=53/8=6.625?？芍跊]有重合的情況下，對于53個(gè)頻點(diǎn)最多可構(gòu)造5個(gè)跳頻序列。當(dāng)答應(yīng)重合一次時(shí)，即k=1,L=8,q=53時(shí)，同理可得Nα≤53×52/8=344.5。也就是說在答應(yīng)一次重合的情況下，對于53個(gè)頻點(diǎn)最多可構(gòu)造出344個(gè)跳頻序列，以此類

7、推。采用如圖1所示正交排列，當(dāng)不同子網(wǎng)的跳頻序列簇發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞1次時(shí)情況可分為2種：（1）完全碰撞：指子網(wǎng)1和子網(wǎng)2在同一時(shí)刻用同一頻點(diǎn)發(fā)送信息，則信道完全重疊，信息將丟失;?（2）鄰道碰撞：指子網(wǎng)1和子網(wǎng)2在同一時(shí)刻分別用fi和fi+1或者fi-1發(fā)送，這樣fi+1和fi是正交的，信息部分重疊，如圖1所示，這時(shí)信息并不完全丟失。因此，我們可以只考慮完全碰撞，而不必考慮鄰道碰撞。?三、跳頻頻點(diǎn)分配假設(shè)按照圖1所示分配可得56個(gè)頻點(diǎn)，再假設(shè)有效頻點(diǎn)為53個(gè)（其余為預(yù)留保護(hù)頻點(diǎn)）。為方便說明，把53個(gè)可用的頻點(diǎn)從低到高，以1~53依次編

8、號。對于每個(gè)子網(wǎng)，選用53個(gè)頻點(diǎn)中的8個(gè)，構(gòu)成一個(gè)周期為8個(gè)時(shí)隙的跳頻序列。16個(gè)子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)8個(gè)頻點(diǎn)，共需8×16=128個(gè)頻點(diǎn)，只有53個(gè)可用頻點(diǎn)，故每個(gè)頻點(diǎn)都被2~3個(gè)子網(wǎng)復(fù)用。由于22×3+31×