跳頻組網(wǎng)同頻干擾消除方法研究

崔佩璋，全厚德，張世杰

（軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003）

跳頻組網(wǎng)同頻干擾消除方法研究

崔佩璋，全厚德，張世杰

（軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003）

為提高跳頻組網(wǎng)效率，提出一種基于碰撞跳頻碼已知的同頻干擾消除方案。在分析跳頻組網(wǎng)同頻干擾對跳頻通信影響的基礎(chǔ)上，采用在碰撞跳頻碼調(diào)制空碼元的方式，避免頻點碰撞，消除同頻干擾，并對該方案應(yīng)用于快跳系統(tǒng)時，進行優(yōu)化以降低信息傳輸時延。結(jié)果表明：該方案能夠有效消除跳頻碼碰撞引起的同頻干擾，降低信息誤碼率，并通過合理的參數(shù)設(shè)置，可以較好地平衡快跳系統(tǒng)信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?/p>

跳頻組網(wǎng)；頻率碰撞；同頻干擾；快跳系統(tǒng)

0 引 言

跳頻組網(wǎng)是以正交的跳頻圖案作為多址手段的跳頻多址通信方式。在跳頻通信過程中，由于選取的跳頻碼非正交和信息時延等因素，多個跳頻網(wǎng)可能在同一時間使用相同的頻率，產(chǎn)生同頻干擾。同頻干擾會影響接收機對信號的正確接收，增加信息誤碼，限制組網(wǎng)用戶容量的擴展。傳統(tǒng)降低同頻干擾的主要方法有：增加跳頻頻點[1]，設(shè)計相關(guān)性較好的跳頻序列[2-4]降低同頻干擾概率；采用頻率濾波技術(shù)，降低由發(fā)射信號中的諧波及雜波引起的同頻干擾[5]；采用自適應(yīng)對消技術(shù)抑制共址收發(fā)天線間的耦合干擾[6]等，這些措施均有效的降低了同頻干擾的影響，但未完全消除。本文在碰撞跳頻碼已知的情況下，采用在碰撞頻點上傳輸空碼元的方式避免頻率碰撞，消除多用戶同頻干擾，確保信息可靠傳輸。

1 同頻干擾對跳頻通信的影響

在完成頻分組網(wǎng)的基礎(chǔ)上，所有跳頻網(wǎng)絡(luò)使用相同的跳頻頻表，每個跳頻網(wǎng)分配有不同的跳頻序列，跳頻網(wǎng)內(nèi)部采用時分方式多址通信，即同一時刻只存在一個發(fā)射機傳輸數(shù)據(jù)信息。各個跳頻網(wǎng)使用獨立時鐘（異步組網(wǎng)）或統(tǒng)一時鐘（同步組網(wǎng)）控制跳頻序列生成不同的跳頻圖案，實現(xiàn)碼分多址通信，由于各網(wǎng)所使用的跳頻序列并非完全正交，在某些跳變頻點上將發(fā)生頻率碰撞。

跳頻通信通常采用MFSK數(shù)字調(diào)制時，發(fā)射機產(chǎn)生的二進制數(shù)據(jù)流完成編碼后，碼元信息可表示為（0，1，…，M-1）中的一個，且服從離散、無記憶分布。多跳頻網(wǎng)同時工作時，由于跳頻序列的非正交性，傳輸過程中將在部分頻點上產(chǎn)生同頻干擾，相對于參考跳頻網(wǎng)而言，干擾碼元為M個碼元符號中的任意一個或多個。假設(shè)接收機接收的各跳頻網(wǎng)信號能量相同，當(dāng)n（n≥2）個跳頻網(wǎng)在該頻點發(fā)生同頻干擾時，則接收機在該頻點正確解調(diào)接收碼元信息的概率可近似為

可見，同頻干擾將嚴(yán)重影響碰撞頻點上碼元的正確解調(diào)接收，使信息誤碼率增加。

獨立碰撞模型在工程計算中應(yīng)用較廣泛[7]，下面應(yīng)用該模型描述跳頻組網(wǎng)網(wǎng)間同頻干擾問題（為方便網(wǎng)絡(luò)干擾的研究，現(xiàn)不考慮左、右碰撞問題）。設(shè)定u個跳頻網(wǎng)同時工作，網(wǎng)絡(luò)使用相同的跳頻頻率表，頻率表有q個跳頻頻率。參考網(wǎng)絡(luò)的某個跳頻碼受到同頻干擾的概率為

圖1給出了在跳頻頻率個數(shù)一定的情況下，同頻干擾概率與共址跳頻網(wǎng)數(shù)量關(guān)系曲線。

圖1 不同頻率個數(shù)時同頻干擾概率

由圖1可知，跳頻頻率數(shù)一定時，隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)量的增加網(wǎng)間同頻干擾逐漸增大，誤碼率也隨之增大。當(dāng)同頻干擾概率達(dá)到30%時，其干擾效果相當(dāng)于阻塞干擾了網(wǎng)絡(luò)近1/3的頻點，這將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無法工作。使用高性能電臺，增加電臺的跳變頻率個數(shù)，能夠較大程度降低網(wǎng)間同頻干擾，擴展組網(wǎng)數(shù)量，這需要有較寬的頻帶支持[8]。

2 同頻干擾消除策略

2.1 慢跳系統(tǒng)

根據(jù)碼元傳輸速率和跳頻速率的關(guān)系，跳頻系統(tǒng)分為慢跳系統(tǒng)和快跳系統(tǒng)[9]。慢跳系統(tǒng)一個跳頻周期傳輸多個碼元，快跳系統(tǒng)多個時隙傳輸一個碼元，大部分跳頻系統(tǒng)為慢跳系統(tǒng)。這里先以慢跳系統(tǒng)為例，介紹同頻干擾消除方法。

假設(shè)任意一個跳頻網(wǎng)使用的跳頻序列對其他跳頻網(wǎng)而言是已知的，即某參考跳頻網(wǎng)可以確定其他所有跳頻網(wǎng)的跳頻序列，因此可以依據(jù)跳頻序列先驗知識，預(yù)測本地跳頻網(wǎng)發(fā)生跳頻碼碰撞的位置。同步組網(wǎng)時，各網(wǎng)具有統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，其跳頻技術(shù)體制、跳頻頻率表、跳頻圖案算法及起跳時刻均相同，在已知其他跳頻網(wǎng)初始密鑰的情況下，可以很容易得到其跳頻序列。而異步組網(wǎng)時，各網(wǎng)之間的起跳時刻、跳頻頻率表、跳頻圖案、跳頻密鑰及跳速等要素沒有約束關(guān)系，需要在明確較多的跳頻網(wǎng)技術(shù)參數(shù)的情況下，才能得到各網(wǎng)跳頻序列，進而得到發(fā)生碰撞的位置。

在各網(wǎng)跳頻序列已知的情況下，同頻干擾消除策略為：參考跳頻網(wǎng)計算得到該網(wǎng)將要發(fā)生碰撞的跳頻碼的準(zhǔn)確位置，并標(biāo)記為E。參考跳頻網(wǎng)在E頻點僅有跳頻時隙滯留，而不調(diào)制數(shù)字信息，沒有射頻信號輸出。因此，經(jīng)過同頻干擾消除處理后，采用MFSK數(shù)字調(diào)制時，發(fā)送端碼元符號可表示為（0，1，…，M-1，E），其中E代表空碼元。發(fā)送端信號調(diào)制過程如圖2所示。

圖2 碰撞頻點信號調(diào)制過程示意圖

圖2中，二進制數(shù)據(jù)信息“011100001011”通過4FSK數(shù)字調(diào)制后，再由跳頻碼“74157645”控制完成跳頻調(diào)制。其中，跳頻碼“5”和“+”為同頻干擾碰撞頻點，不調(diào)制數(shù)字碼元，造成信息時延。

接收端通過跳頻序列先驗信息準(zhǔn)確判斷E頻點位置，在解調(diào)信號時，剔除該頻點接收的同頻干擾信息，還原發(fā)送端發(fā)送的原始信息。由于跳頻網(wǎng)絡(luò)在碰撞頻點上不發(fā)送有效信息，沒有射頻信號輸出，僅使用有效跳頻碼調(diào)制信息，因此完成同頻干擾消除處理后，解決了同頻干擾問題，降低了碼元的誤判概率；同時，參考跳頻網(wǎng)不會對其他跳頻網(wǎng)的通信質(zhì)量造成影響。

慢跳系統(tǒng)采用同頻干擾消除方法，解決了網(wǎng)絡(luò)間的同頻干擾問題，增加了信息傳輸?shù)目煽啃?，同時每產(chǎn)生一個碰撞跳頻碼，信號將滯留一個跳頻周期，即造成一個跳頻周期的傳輸時延。當(dāng)碰撞概率較大時，可能會引起較大的信息時延，影響信息有效傳輸。因此，應(yīng)在信息時延可接受的范圍內(nèi)，采用該同頻干擾消除方法，提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.2 快跳系統(tǒng)

快跳頻在每個符號上得到頻率分集增益，可以有效對抗多徑衰落和部分頻帶干擾，具有較好的應(yīng)用前景?？焯到y(tǒng)消除同頻干擾的原則大致與慢跳系統(tǒng)相同，即參考網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生碰撞的頻點滯留一個跳頻周期Tc，而不進行碼片的調(diào)制傳輸，避免網(wǎng)絡(luò)間的同頻干擾。然而，快跳系統(tǒng)具有頻率分集增益優(yōu)勢，可以使用多個跳頻碼傳輸一個碼元信息，因此可以對碰撞跳頻碼做進一步優(yōu)化，減小碰撞跳頻碼引起的信息傳輸時延。

快跳系統(tǒng)信號調(diào)制過程如圖3所示。發(fā)射機首先通過串并轉(zhuǎn)換將二進制比特數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Lbit（L= log2M）M進制符號序列，符號持續(xù)時間為Ts，MFSK調(diào)制器的輸出是2L個單音頻之一。單個音頻又被分成K個碼片。在每個碼片后，MFSK調(diào)制器輸出擴展頻譜跳轉(zhuǎn)到2k個跳頻頻帶之一。同時，快跳系統(tǒng)中單個音頻存在K個碼片，即使某n個碼片因載波頻率碰撞無法正常傳輸，仍有（K-n）個碼片能夠有效傳輸。為了降低信息傳輸時延，規(guī)定K個碼片中有效傳輸?shù)拇a片個數(shù)大于門限值N時（圖4（a）中，標(biāo)有單刪除線的跳頻碼），碼元不進行時延傳輸，即僅傳輸（K-n）個有效碼片實現(xiàn)頻率分集。為保證信息可靠傳輸，只有在K-n≤N時（圖4（a）中，標(biāo)有雙刪除線的跳頻碼），才進行碼元時延處理，傳輸空碼元E，并使用K個連續(xù)無碰撞跳變頻率調(diào)制傳輸后續(xù)碼元的K個碼片。接收機根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議對接收信號解調(diào)，判斷有效碼片傳輸次序，剔除同頻干擾，僅對每個碼元的（K-n）個有效碼片頻率分集接收，經(jīng)下變頻運算后輸出如圖3（b）所示[10]。

如圖3所示，在快跳頻系統(tǒng)的通信過程中，雖然存在同頻干擾，但是通過接收雙方確定的調(diào)制-解調(diào)協(xié)議，僅使用有效碼片解調(diào)信息，可以達(dá)到消除同頻干擾，降低信息傳輸時延的目的。但發(fā)生同頻干擾的碼元無法實現(xiàn)正常的頻率分集增益，在一定程度上降低了碼元傳輸?shù)目煽啃?。為了平衡信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃裕胗行鬏敶a片門限值N，N設(shè)置較大時，碼元的平均頻率分集增益較大，可有效對抗多徑衰落和外界干擾，同時也增加了碼元傳輸時延，犧牲了信息傳輸?shù)挠行?；N設(shè)置較小時，則有相反的結(jié)果。實際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮平衡關(guān)系設(shè)置有效碼片門限值。

3 性能分析

與慢跳系統(tǒng)相比，經(jīng)同頻干擾消除處理后的快跳系統(tǒng)僅在碼元的有效碼片個數(shù)小于或等于門限值時，延時調(diào)制輸出碼元信號，能夠有效降低信息傳輸時延。將造成碼元延時的跳頻碼視為無效跳頻碼，其余為有效跳頻碼。在跳頻速率和數(shù)據(jù)速率固定的前提下，有效跳頻碼所占比例反映了跳頻網(wǎng)同頻干擾造成信息傳輸時延的大小。在共址跳頻網(wǎng)數(shù)量一定時，有效跳頻碼所占比例主要與有效碼片門限值的設(shè)定有關(guān)。圖4為選取不同的有效碼片門限值N時，共址跳頻網(wǎng)數(shù)量與有效跳頻碼比例的仿真關(guān)系曲線。其中，跳頻序列選用截短長度為215的m序列，快跳系統(tǒng)模型（K=4）如圖3所示。

圖3 快跳系統(tǒng)碰撞頻點信號調(diào)制過程

圖4 不同門限值時快跳系統(tǒng)可用跳頻碼比例

如圖4所示，隨著共址跳頻網(wǎng)數(shù)量的增加，引起的頻率碰撞必然增多，進而造成可用跳頻碼比例下降。同時，有效碼片門限值N對跳頻網(wǎng)的可用跳頻碼比例也有影響，因為門限值規(guī)定了跳頻網(wǎng)使用的最小頻率分集增益，為獲取更大的頻率分集增益，需要棄用更多的碰撞跳頻碼，使可用跳頻碼比例下降，同時也會造成信息傳輸時延增加。圖4中N=3時，快跳系統(tǒng)的可用跳頻碼比例與慢跳頻系統(tǒng)相同，所有碰撞跳頻碼均造成碼元延時。

可用跳頻碼門限值固定時，快跳系統(tǒng)的同頻干擾消除能力直接取決于單個音頻的碼片個數(shù)K。在部分碼片無法正常傳輸時，較大的碼片個數(shù)可以提供更多的頻率分集增益和較小的信息時延。碼片個數(shù)與跳頻速率Rc和碼元速率Rs有關(guān)，表達(dá)式為

式中：Rb——比特速率；

M——FSK調(diào)制進制數(shù)。

由式（3）可知，在比特速率固定的情況下，可以通過提高跳頻速率和采用多進制的數(shù)字調(diào)制方式等措施，以增加單個碼元的碼片個數(shù)，提高頻率分集增益。

為分析較大的碼片個數(shù)對信息時延的優(yōu)化情況，采用圖4相同的快跳系統(tǒng)模型和跳頻序列進行仿真。圖5為不同碼片個數(shù)K時，共址跳頻網(wǎng)數(shù)量與有效跳頻碼比例的仿真關(guān)系曲線。不失一般性，有效碼片門限值N=2。

圖5 不同碼片個數(shù)時快跳系統(tǒng)可用跳頻碼比例

如圖5所示，隨著碼片個數(shù)的增多，可用跳頻碼所占比例逐漸增大，意味著信息時延減小，能夠較好的彌補由多跳頻網(wǎng)通信造成的可用跳頻碼比例下降這一不足之處。例如K=6，30個跳頻網(wǎng)同時通信時，可用跳頻碼比例仍可達(dá)到97.5%，有效減少了信息時延。圖4中參數(shù)為K=4，N=3的曲線與圖5中參數(shù)為K=3，N=2的曲線均表示慢跳頻系統(tǒng)下的可用跳頻碼比例，由于慢跳頻系統(tǒng)中所有碰撞跳頻碼均引起碼元時延，為無效跳頻碼，因此兩曲線基本相同。

4 結(jié)束語

本文基于跳頻網(wǎng)絡(luò)所使用的跳頻序列已知的假設(shè)，提出了碰撞頻點傳輸空碼元的方式，避免多跳頻網(wǎng)頻點碰撞，消除同頻干擾，降低誤碼率。同時，針對快跳系統(tǒng)具有頻率分集增益的優(yōu)勢，對同頻干擾消除方案進行優(yōu)化，在保證信息低誤碼傳輸?shù)幕A(chǔ)上，降低了信息時延，平衡了信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃裕瑸閷嶋H跳頻組網(wǎng)過程中消除同頻干擾提供參考。

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Research on eliminating co-channel interference of frequency-hopping communication network

CUI Pei-zhang，QUAN Hou-de，ZHANG Shi-jie
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

To improve the efficiency of frequency-hopping（FH）in the communication network，a scheme for eliminating co-channel interference was proposed based on the known hitting of FH codes.The impact of co-channel interference to FH communication network was analyzed，then frequency hit was avoided and co-channel interference was eliminated by way of modulating empty code on hitting FH codes.The scheme was optimized to reduce transmission delay when it was used in fast FH system.The results show that the scheme can eliminate co-channel interference caused by the hit of FH codes with a lower error rate.Validity and reliability of information transmission are balanced effectively through setting the appropriate parameters in fast FH system.

FH communication networking；frequency hit；co-channel interference；fast FH system

TN914.41；TM930.12；TN973.3；TN911.7

：A

：1674-5124（2014）05-0115-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.030

2013-12-04；

：2014-02-25

崔佩璋（1974-），男，山西長治市人，講師，碩士，研究方向為情報指揮系統(tǒng)與通信設(shè)備性能測試。