一種多信道跳頻通信系統(tǒng)信道控制方法*

謝 宇

(中國電子科技集團第30研究所,四川成都610041)

一種多信道跳頻通信系統(tǒng)信道控制方法*

謝 宇

(中國電子科技集團第30研究所,四川成都610041)

提出了一種多個物理信道共同工作的無線跳頻通信系統(tǒng)的跳頻同步及信道分配控制方法,采用獨立的控制信道實現(xiàn)多個物理信道間的跳頻同步控制,并在多個信道保持跳頻同步的基礎上利用高效的分段輪詢方式實現(xiàn)控制信道和業(yè)務信道的時隙分配,同時利用控制信道實現(xiàn)多個業(yè)務信道間的用戶調(diào)度,提高了信道的利用率,可廣泛應用于各類多信道無線跳頻通信系統(tǒng),尤其是窄帶信道的戰(zhàn)術無線通信系統(tǒng)中。

多信道跳頻 跳頻同步 信道分配

0 引 言

跳頻通信技術是一種重要的抗干擾技術,其原理可以描述為通信收發(fā)雙方在一組指定的頻率上按編碼序列規(guī)定的順序同步、離散地跳變,從而擴展頻譜并實現(xiàn)通信。與傳統(tǒng)通信方式相比,跳頻通信具有強抗干擾能力、低截獲概率性、良好的多址組網(wǎng)能力、強抗衰落及高保密性等優(yōu)點,在軍事領域及民用領域被廣泛應用[1]。

作為典型的抗干擾通信手段,目前,跳頻通信多采用多信道接入?yún)f(xié)議來解決站點隱藏和站點暴露的問題,一般將多個信道分成控制信道和數(shù)據(jù)信道。控制信道上使用載波監(jiān)聽等機制避免數(shù)據(jù)沖突,數(shù)據(jù)信道采用重傳和跳頻機制支持多路數(shù)據(jù)并發(fā)[2]。但這些多信道跳頻通信技術實質(zhì)上是采用的物理信道虛擬化技術,在邏輯信道上進行同步處理及信道控制。雖然也有在多信道系統(tǒng)中通過選擇各接口的工作信道,在不同的信道上同時傳輸避免域內(nèi)的節(jié)點的碰撞來提高網(wǎng)絡傳輸容量的方法[3],但是對于獨立物理信道的跳頻接入系統(tǒng)的同步和信道控制技術基本來說仍讓處于空白狀態(tài),而對于如戰(zhàn)術無線通信系統(tǒng)中使用的窄帶多信道跳頻接入系統(tǒng)的同步和信道分配來說沒有合適的技術手段。

本論文針對采用獨立物理信道的多信道跳頻接入系統(tǒng),提出一種基于獨立控制信道配合業(yè)務信道實現(xiàn)跳頻同步和信道分配的方法,重點解決多個獨立信道間跳頻同步問題,以及根據(jù)不同用戶、不同業(yè)務進行高效的信道控制和分配問題。

1 方案設計

跳頻通信中同步的基礎是實時時鐘信息(TOD)的同步,TOD是一個時間變量,隨時間的變化而變化,它是由一高精度時鐘提供。收發(fā)雙方的TOD信息保持完全一致是跳頻圖案同步的關鍵[4]。在使用獨立物理信道的多信道跳頻接入通信系統(tǒng)中,各信道之間采用物理連接形成信道實體間的時鐘同步總線,作為跳頻同步的物理通道[5],其連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。在多個物理信道中選定或配置一個信道作為主信道,主信道將自身時鐘信息通過時鐘同步總線輸出,其余物理信道作為從信道接收主信道的時鐘信號,根據(jù)收到的主信道時鐘信號調(diào)整自身時鐘,以保持與主信到的時鐘同步。主信道的時鐘信號可利用內(nèi)置晶振、時鐘源產(chǎn)生,或通過接收GPS、北斗等外部時鐘源。

圖1 多信道跳頻同步連接示意Fig.1 Connection of FH synchronization for multiple physical channel

由于各物理信道均采用相同的跳頻圖案,使用相同的跳頻表,各信道在保持時鐘同步的基礎上可實現(xiàn)跳頻同步。多個信道在維持同步的基礎上統(tǒng)一進行時隙分配,典型的時隙分配模型如圖2所示。其中信道0作為控制信道用于實現(xiàn)系統(tǒng)的接入和同步控制[3],信道1用于數(shù)據(jù)業(yè)務通信,信道2用于雙工話音業(yè)務通信?？紤]到多信道跳頻系統(tǒng)的可靠性、實效性等因素,一般來說,用于數(shù)據(jù)通信的信道最好不超過2個,用于話音業(yè)務的信道最好不超過5個?？刂菩诺?信道0)和數(shù)據(jù)信道(信道1)采用相同的時隙結(jié)構(gòu),每個時幀根據(jù)跳頻系統(tǒng)特性分為2n×hops個時隙,其中hops為跳頻系統(tǒng)每秒的跳頻速率,n值的選擇可靈活調(diào)整,一般情況下n＞6;話音信道(信道2)為每路話音用戶預留1個時隙,最大支持i對用戶同時通話,i的大小取決于跳頻系統(tǒng)的信道帶寬能力、用戶業(yè)務帶寬需求等特性指標,信道帶寬越寬則支持同時通話的用戶數(shù)越多,但至少需保證每個用戶時隙的有效帶寬大于4 800 b/s,以滿足基本的雙工話音需求。

圖2 一種多信道跳頻同步結(jié)構(gòu)示意Fig.2 FH synchronization structure for multiple physical channel

多信道跳頻系統(tǒng)中的控制信道和其它信道均采用相同的跳頻表F0,由于跳頻表相同,各信道間必然產(chǎn)生相互干擾,尤其是在多信道系統(tǒng)的基站側(cè)存在多個物理信道,干擾問題尤其嚴重。因此各信道間采用頻率偏移機制解決相互干擾問題。如圖2所示,信道1在與信道0時鐘同步的基礎上跳頻圖案向后偏移M,M值(一般來說M就是常用的跳頻網(wǎng)網(wǎng)號)可根據(jù)頻率范圍和頻率間隔進行調(diào)整,由于各信道間保持跳頻同步,偏移后信道之間的跳頻頻點在同一跳頻圖案基礎上可保證不會相同,也就保證了信道之間不產(chǎn)生相互干擾,同理信道2向后偏移N(N＞M)可使信道0、信道1、信道2均不會相互干擾。多信道跳頻通信系統(tǒng)根據(jù)實際物理信道的數(shù)量,可分別對每個信道進行偏移,保證各信道間頻率均不產(chǎn)生相互干擾。由于多信道跳頻系統(tǒng)多數(shù)存在同臺多機問題,因此實際系統(tǒng)在通過信道偏移保證信道間不相互干擾的基礎上,各信道間的隔離度還將影響多信道跳頻系統(tǒng)的頻率利用效率。多個信道間的隔離度越高,則有效的可用頻率資源越多,也就是用于信道偏移的M/N數(shù)值可以越小,可支持更多的信道調(diào)度,更大的信道帶寬分配,有利于提高信道的利用率。

控制信道(信道0)作為同步和控制的專用信道,典型的1個時幀約2n×hops個時隙,所有時隙可分為3大部分,每個時隙由65個字節(jié)組成,如圖3所示。

圖3 一種多信道時隙分配示意Fig.3 Time slot division pattern structure for multi-carrier

其中第一部分為同步時隙,共2個時隙,主要完成用戶接入的跳頻同步和維持,在系統(tǒng)中存在多個接入點時,通過同步時隙內(nèi)的信道搜索可實現(xiàn)接入點間的切換;第二部分為控制時隙,共2n×hops/2-1個時隙,主要完成話音用戶的信道申請和分配,通過此部分時隙,指定相應的空閑話音信道,將信道號、偏移量通知申請用戶,同時還將完成信令交換,獲得信道分配的用戶將直接轉(zhuǎn)入對應的業(yè)務信道,使用指定的業(yè)務時隙進行業(yè)務通信。第三部分為輪詢時隙,共2n×hops/2+1個時隙,這部分時隙主要用于對接入用戶以輪詢方式逐一查詢是否需要數(shù)據(jù)業(yè)務通信,如輪詢過程中用戶響應則分配相應的數(shù)據(jù)業(yè)務信道的時隙給該用戶,根據(jù)每個時幀輪詢的結(jié)果完成數(shù)據(jù)業(yè)務信道的分配,也就是每個用戶分配的時隙數(shù)等于2n×hops/申請用戶數(shù)(結(jié)果取整),多余時隙可綜合分配到下一時幀使用。由于當申請用戶數(shù)量較多時,輪詢周期將會變長,每個用戶分配的信道帶寬會下降,因此綜合考慮一般接入的數(shù)據(jù)業(yè)務用戶需根據(jù)實際系統(tǒng)帶寬、用戶需求等進行相應的限制。

數(shù)據(jù)信道(信道1)每個時隙也是65個字節(jié),格式與控制信道相同,由于數(shù)據(jù)信道要為所用接入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)用戶提供數(shù)據(jù)通道,因此考慮到為了給每個數(shù)據(jù)用戶提供盡量大的帶寬、盡量短的通信時延,一般來說每個用戶分配4個時隙為宜,支持的最大接入用戶數(shù)N與信道的物理帶寬相關,信道帶寬越寬則可支持的用戶數(shù)越大。但是,在帶寬固定的情況下,支持用戶數(shù)越多,必然導致每個用戶的有效帶寬下降。因此,最大接入用戶數(shù)N的選擇要根據(jù)具體系統(tǒng)的通信保障需求進行綜合考慮。

話音信道(信道2)采用數(shù)字信道分配,每個用戶時隙至少保證2 400b/s(聲碼話編碼),在物理信道帶寬有保障的情況下可以支持損失更小的話音編碼方式,如G.729、CVSD、PCM編碼?？偟膩碚f,每個信道支持的最大接入話音用戶數(shù),采用的話音編碼都與實際物理系統(tǒng)參數(shù)有關,針對如窄帶電臺等典型跳頻物理信道,一般來說每個信道最大支持4個以內(nèi)的話音用戶為宜。

圖4 一種多信道接入控制方法示意Fig.4 Method of multi-carrier control

用戶在突發(fā)話音業(yè)務時,如圖4所示,首先在控制信道(信道0)利用控制時隙向接入基站發(fā)出話音通信申請,基站響應后將空閑話音業(yè)務信道的分配時隙號發(fā)送給申請用戶,用戶獲得信道時隙信息后,在同步條件下切換自身跳頻表,接入話音業(yè)務信道(信道2),并利用分配的時隙進行話音通信,直到話音業(yè)務完成后釋放話音業(yè)務信道(信道2)的分配時隙,并回到控制信道(信道0)釋放對話音業(yè)務信道(信道2)的控制。

由于數(shù)據(jù)用戶在基站側(cè)注冊時已根據(jù)用戶接入情況分配了各用戶在控制信道(信道0)內(nèi)的輪詢時隙號,因此當用戶突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務時,首先在控制信道(信道0)響應輪詢查詢,獲得空閑數(shù)據(jù)業(yè)務信道(信道1)的分配時隙號后,在同步條件下切換自身跳頻表,接入數(shù)據(jù)業(yè)務信道(信道1),同時利用分配的時隙進行數(shù)據(jù)通信,在一個時幀結(jié)束后回到控制信道(信道0),響應基站發(fā)出的控制信息。如無其它搶占業(yè)務(如話音)則再次跳轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)業(yè)務信道(信道1)繼續(xù)1個時幀的數(shù)據(jù)通信,如此反復;如長期沒有數(shù)據(jù)業(yè)務時用戶可釋放數(shù)據(jù)信道時隙,直到下次數(shù)據(jù)突發(fā)輪詢時再重新分配新的業(yè)務時隙。如果用戶在信道0接收到基站側(cè)的突發(fā)業(yè)務控制信息(如話音呼叫),則優(yōu)先響應突發(fā)業(yè)務,其信道控制方式按話音業(yè)務響應處理,直到突發(fā)業(yè)務結(jié)束后回到控制信道0重新響應數(shù)據(jù)業(yè)務。在實際的多信道跳頻通信系統(tǒng)中采用集中式的控制設備同時對多個物理信道進行統(tǒng)一的調(diào)度處理可以更好的解決多個物理信道間的跳轉(zhuǎn)和控制。

2 結(jié) 語

本文通過提出一種應用于多信道跳頻通信系統(tǒng)的信道接入及同步控制方法,適用于多個獨立物理跳頻信道在處理同步和話音、數(shù)據(jù)業(yè)務接入時的信道控制和分配技術,提高多信道跳頻系統(tǒng)間信道同步的可靠性和業(yè)務信道分配效率,提升系統(tǒng)整體性能。文中所描述的時隙劃分、部分時隙長度、幀結(jié)構(gòu)長度和先后順序僅是一種典型的設計方式,根據(jù)實際系統(tǒng)的不同特性可進行適當?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化。其設計理念和機制是,利用可靠高效的幀結(jié)構(gòu)設計,并通過各信道之間的有效同步調(diào)度,提高多信道跳頻通信系統(tǒng)的同步可靠性和傳輸效率,可廣泛應用于存在多個獨立物理信道的無線跳頻通信系統(tǒng),尤其適用于窄帶信道的無線軍用跳頻通信系統(tǒng)的接入與信道控制[6]。

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A Method of Channel Assignment for Multi-Channel Frequency-Hopping Communication System

XIE Yu
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

This paper presents the frequency-hopping(FH)synchronization and channel allocation control method of multiple physical channel FH communication system,which adopts the independent channel control to achieve the FH synchronous control among multiple physical channels.On the basis of multiple channel hopping synchronization,the channel control and the slot allocation of business channel is implemented with the efficient subparagraph polling,and more business users in other channels schedule are achieved by the control channel,thus to improve the utilization of channel,and can be widely applied to all multi-channel wireless FH communication system,especially the tactical wireless communication systems.

multi-channel frequency-hopping;frequency hopping synchronization;channel allocation

TN918

A

1002-0802(2014)08-0915-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.015

2014-06-01;

2014-07-10 Received date：2014-06-01;Revised date：2014-07-10

謝 宇(1976—),男,高級工程師,主要研究方向為戰(zhàn)術通信系統(tǒng)。

XIE yu(1976-),male,senior engineer, principally working at tactical communication