基于智能跳頻的短波無線接入網(wǎng)抗干擾性能分析*

段瑞杰，姚富強，李永貴，梅雪艷，齊揚陽

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.南京電訊技術(shù)研究所，江蘇 南京 210007；3.解放軍73903部隊，福建 廈門 361100)

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基于智能跳頻的短波無線接入網(wǎng)抗干擾性能分析*

段瑞杰1,2，姚富強2，李永貴2，梅雪艷2，齊揚陽3

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.南京電訊技術(shù)研究所，江蘇 南京 210007；3.解放軍73903部隊，福建 廈門 361100)

摘要：針對短波無線接入網(wǎng)采用半雙工定頻通信方式，存在抗人為干擾的迫切需求，將智能跳頻技術(shù)引入短波無線接入網(wǎng)，仿真分析智能跳頻短波無線接入網(wǎng)的各抗干擾性能指標(biāo)變化情況；同時針對使用智能跳頻通信的各子網(wǎng)內(nèi)用戶用頻混亂，互擾嚴(yán)重的問題，將子網(wǎng)內(nèi)的用戶用頻建模為基于Markov排隊理論的智能用頻方式。仿真結(jié)果表明，使用排隊的智能跳頻與使用定頻通信相比，可明顯降低用戶通信的掉線率及互擾率，并能夠提高抗干擾能力。

關(guān)鍵詞：短波無線接入網(wǎng)；智能跳頻；定頻通信；Markov排隊模型；抗干擾能力

0引言

短波無線接入網(wǎng)是機固一體的接入網(wǎng)絡(luò)，其雖然具有自適應(yīng)接入、可通率高等優(yōu)勢，但是仍然存在抗人為干擾能力不足，并且其物理層是網(wǎng)系抗干擾的第一道防線和基礎(chǔ)[1]，是被偵察、截獲、接入、干擾的重點目標(biāo)，理論上可能在全球范圍內(nèi)被攻擊。為此文獻(xiàn)[2]提出了將智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)從而提高其抗人為干擾能力的思路。

智能跳頻(Intelligent Frequency Hopping,IFH)是一種與通信電磁環(huán)境感知、動態(tài)頻譜配置相結(jié)合的基于認(rèn)知環(huán)路的動態(tài)頻譜抗干擾技術(shù)。其通過對授權(quán)頻譜的自主非對稱配置與動態(tài)調(diào)整，能明顯改善用戶對惡劣電磁環(huán)境的適應(yīng)能力，有效提高抗動態(tài)、時變干擾的能力。因此，將智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)，有望提高其頻譜資源的高效、動態(tài)使用和動態(tài)抗干擾能力水平。

另外，若將智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)，則各子網(wǎng)(短波無線接入網(wǎng)內(nèi)的一個基站及其服務(wù)的機動用戶組成一跳頻子網(wǎng))內(nèi)的機動用戶與基站之間采用非對稱頻譜配置跳頻技術(shù)實現(xiàn)通信。當(dāng)子網(wǎng)內(nèi)超過一個機動用戶時，就面臨多個機動用戶競爭使用同一段頻譜與一個基站通信，存在用頻混亂、互擾嚴(yán)重，不能夠有效支撐智能跳頻通信的問題。為解決此問題，結(jié)合使用智能跳頻的短波無線接入網(wǎng)接入基站半雙工通信特點，提出了基于Markov排隊理論的時分通信策略。

近年來，在認(rèn)知無線電領(lǐng)域使用排隊理論來研究動態(tài)頻譜接入得到了深入研究和廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[3]采用二維連續(xù)時間Markov模型建模認(rèn)知無線電主次用戶頻譜接入過程，得出該模型可靠的結(jié)論。文獻(xiàn)[4]利用排隊論，使用多維Markov模型分析了隨機頻譜接入，并進(jìn)一步分析了認(rèn)知系統(tǒng)的性能。文獻(xiàn)[5]總結(jié)比較了帶排隊頻譜聚合與不帶排隊頻譜聚合兩種頻譜接入策略的優(yōu)劣，得出帶排隊策略明顯優(yōu)于不帶排隊策略的結(jié)論。這些排隊理論在認(rèn)知無線電領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得一定成果，但是對于短波天波組網(wǎng)的研究還較少。

文章首先提出了將智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)來提高其抗人為干擾能力的思路；其次，給出應(yīng)用智能跳頻的短波無線接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且分析其優(yōu)越性。再次，為了解決子網(wǎng)內(nèi)多用戶通信問題，提出了基于Markov排隊理論的時分通信策略；最后做了仿真試驗，證明了短波無線接入網(wǎng)使用排隊理論的智能跳頻相對于半雙工定頻通信各性能改善明顯。

1智能跳頻短波無線接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

將智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)，主要是在底層無線接入部分，對上層網(wǎng)絡(luò)不做改變。依據(jù)短波無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2,6]，提出智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。包括探測系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、多個可使用智能跳頻通信的固定接入基站和若干機動用戶，智能跳頻機動用戶與接入基站之間可采用智能跳頻方式通信。

圖1　應(yīng)用智能跳頻的短波無線接入網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1所示，使用智能跳頻的短波無線接入網(wǎng)其機動用戶一旦接入就將在此子網(wǎng)內(nèi)與基站使用智能跳頻通信，由于智能跳頻強大的抗干擾能力，機動用戶與基站之間的通信掉線率低，抗干擾能力強；而使用定頻通信的短波無線接入網(wǎng)，此時機動用戶會選擇頻譜環(huán)境最好的基站接入通信，若受到較強干擾，機動用戶很容易掉線，抗干擾能力很弱。

2Markov排隊理論

排隊論是研究各種排隊概率規(guī)律性從而解決有關(guān)排隊系統(tǒng)的最優(yōu)化問題[7]。Markov排隊具有如下特征：顧客到達(dá)排隊系統(tǒng)的方式遵循一個Poisson過程，即顧客的相繼到達(dá)間隔時間是相互獨立的(一般也獨立于到達(dá)過程)、同指數(shù)分布的隨機變量。服務(wù)員可以是一個、多個甚至是無窮多個。按照顧客數(shù)量有限、無限及成批次到達(dá)，服務(wù)員數(shù)量有限、無限及成批次到達(dá)分為不同的模型；按照顧客類型及服務(wù)員類型的多少可以分為一維和多維Markov排隊。

二維Markov排隊中，假設(shè)兩種不同類型的顧客都以Poisson達(dá)到系統(tǒng)接受服務(wù)，到達(dá)速率分別為λ1和λ2。兩種類型顧客在系統(tǒng)中接受服務(wù)的時間分別服從均值為μ1和μ2的負(fù)指數(shù)分布。Pi,j是任何瞬間有i個第一類型顧客和j個第二類型顧客正在接受服務(wù)的統(tǒng)計平衡聯(lián)合概率。對于狀態(tài)(i,j)，根據(jù)其“流入速率=流出速率”可得其平衡方程：

(λ1+λ2+iμ1+jμ2)Pi,j=λ1Pi-1,j+λ2Pi,j-1+(i+1)μ1Pi+1,j+(j+1)μ2Pi,j+1

(1)

根據(jù)平衡方程可以研究排隊系統(tǒng)的穩(wěn)定性，計算顧客的接入成功率、阻塞率等。

3使用Markov排隊的短波無線接入網(wǎng)模型

使用Markov排隊理論建模短波無線接入網(wǎng)子網(wǎng)內(nèi)用戶的通信過程之前，作如下假設(shè)：

(1)機動用戶接入網(wǎng)絡(luò)后的一定時間段內(nèi)，短波無線接入網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不發(fā)生改變，直到通信結(jié)束或者通信受阻。

(2)探測系統(tǒng)的感知是理想無差錯的，且感知過程瞬間完成，延時時間可忽略不計。

(3)干擾都是由電磁頻譜環(huán)境發(fā)生惡化造成的。假設(shè)未惡化的頻點誤碼率為10-4，發(fā)生惡化的頻點誤碼率為0.98。電磁頻譜惡化率p(0≤p≤1)可定義為：誤碼率由10-4變?yōu)?.98的頻點數(shù)與頻率表總頻點數(shù)的比值。其惡化率增大會造成遭受干擾的子網(wǎng)增多，設(shè)短波無線接入網(wǎng)中總共有N個子網(wǎng)，則受干擾子網(wǎng)數(shù)為：pN。

結(jié)合使用智能跳頻技術(shù)的短波無線接入網(wǎng)的機動用戶一旦接入基站，將不會隨意掉線的特點，提出在子網(wǎng)內(nèi)機動用戶與基站之間的通信采用排隊通信模型，智能跳頻與定頻通信采用排隊模型示意圖，如圖2所示。子網(wǎng)的每一頻帶同一時刻只能夠容納一個用戶，業(yè)務(wù)傳輸在同一頻帶上采用時分復(fù)用方式通信，由圖可知，當(dāng)無干擾時，子網(wǎng)使用定頻通信和智能跳頻都能夠保證各用戶與基站間的正常通信；當(dāng)干擾到達(dá)，使用智能跳頻通信的子網(wǎng)，通信質(zhì)量會受到一定的影響，但是還可以繼續(xù)通信，用戶不會掉線；而使用定頻通信的子網(wǎng)，用戶會立刻掉線。

圖2　智能跳頻與定頻通信通信對比框

利用Markov排隊理論建立智能跳頻短波無線接入網(wǎng)各子網(wǎng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。將短波無線接入網(wǎng)子網(wǎng)內(nèi)用戶通信過程建模為具有兩種類型的顧客，服務(wù)員唯一的二維Markov排隊過程。干擾和子網(wǎng)內(nèi)用戶業(yè)務(wù)的到達(dá)是相互獨立的，且服從指數(shù)分布，此時定義二維狀態(tài){Ei,j}，其中i、j分別表示干擾和業(yè)務(wù)傳輸占用的信道數(shù)，且滿足{(i,j)∈Ei,j|0≤i≤N,0≤j≤N,0≤i+j≤N}，N表示總的信道數(shù)量；此狀態(tài)對應(yīng)的平衡概率為Pi,j，設(shè)Pi,j是在任何瞬間有i個信道被干擾所占據(jù)，j個信道正在傳輸業(yè)務(wù)的統(tǒng)計平衡聯(lián)合概率。根據(jù)Markov排隊理論的平衡方程可得：

(iμg+jμs)Pi,j=λgPi-1,j+λsPi,j-1

(2)

其中：i+j=N。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有k個信道被占用時，其概率Pk由二項式定理可得：

(3)

(4)

反解式(4)可得：

(5)

將c值代入式(3)中可得：

(6)

短波無線接入網(wǎng)使用半雙工的定頻通信與使用智能跳頻及排隊理論前后通信過程可描述如下：

(1)短波無線接入網(wǎng)使用半雙工的定頻通信時，當(dāng)干擾到達(dá)，通信頻帶被覆蓋時，正在傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)將會直接掉線；若子網(wǎng)內(nèi)的新用戶想要與此基站通信，由于此信道已經(jīng)被干擾所覆蓋，新用戶很難通信。

(2)短波無線接入網(wǎng)使用智能跳頻通信時，子網(wǎng)通信采用Markov排隊機制，①當(dāng)干擾到達(dá)，通信頻帶被覆蓋時，將會采用非對稱頻譜配置跳頻技術(shù)繼續(xù)保持通信，而避免掉線，能夠很大程度的提高抗干擾能力；若有新的機動用戶想要接入網(wǎng)絡(luò)時，也只能進(jìn)入隊列排隊，待產(chǎn)生可用信道方才可使用。②當(dāng)干擾褪去或者此用戶與基站之間的業(yè)務(wù)傳輸結(jié)束并釋放頻譜時，隊列中的等待業(yè)務(wù)將使用此信道傳輸，隊列中的等待業(yè)務(wù)按照先到先服務(wù)的原則排隊。③如果隊列中的等待業(yè)務(wù)所等待時間超過其最大排隊時間將掉線。

由于短波無線接入網(wǎng)是集中式的管理模式，排隊系統(tǒng)可由網(wǎng)管中心和接入基站共同實現(xiàn)虛擬隊列，其中隊列長度可設(shè)置為不小于最大業(yè)務(wù)數(shù)，最大排隊時間可設(shè)置為業(yè)務(wù)的平均傳輸時間。

為了清楚的展示使用智能跳頻及子網(wǎng)內(nèi)使用Markov排隊理論的短波無線接入網(wǎng)帶來的優(yōu)勢，可用以下性能指標(biāo)衡量。

掉線率定義為機動用戶與基站通信過程中，受到干擾而中斷通信的概率，即單位時間內(nèi)未能完成業(yè)務(wù)傳輸?shù)臋C動用戶數(shù)量與所有試圖實現(xiàn)業(yè)務(wù)傳輸?shù)臋C動用戶數(shù)量的比值：

(7)

頻譜利用率表示頻譜利用效率的高低，是指使用的頻譜帶寬占可用頻譜總帶寬的比重[9]：

(8)

抗干擾能力可以用傳輸信道遭受干擾時，業(yè)務(wù)正常傳輸?shù)男诺罃?shù)與所有信道數(shù)的比值來刻畫，可定義為：單位時間內(nèi)業(yè)務(wù)傳輸沒有被迫中斷的機動用戶數(shù)量或接入基站數(shù)量與成功完成業(yè)務(wù)傳輸?shù)臋C動用戶總數(shù)量的比值：

(9)

4仿真分析

對使用兩種方法的短波無線接入網(wǎng)的子網(wǎng)內(nèi)用戶通信的掉線率、抗干擾能力和互擾率等參數(shù)進(jìn)行仿真分析。采用適應(yīng)于離散系統(tǒng)的事件調(diào)度法[10]對通信過程進(jìn)行仿真驗證。其仿真參數(shù)如表1所示。

表1　仿真參數(shù)

文章在Matlab軟件中使用時間調(diào)度法對文章各性能指標(biāo)進(jìn)行仿真驗證，其步驟如下：

步驟1：初始化仿真參數(shù)。具體有仿真時間、干擾及業(yè)務(wù)到達(dá)速率、服務(wù)時間平均值、服務(wù)完成時間等；

步驟2：在仿真時間T內(nèi)進(jìn)行時間掃描，按照時間順序來計算并統(tǒng)計干擾和業(yè)務(wù)到達(dá)的總數(shù)量、業(yè)務(wù)掉線數(shù)量，業(yè)務(wù)受到干擾未掉線數(shù)量等；

步驟3：到下一個事件發(fā)生，更新各統(tǒng)計數(shù)據(jù)；

步驟4：仿真時間到達(dá)，退出程序。

4.1掉線率仿真分析

對于具有N個可用頻點的定頻通信，其掉線率表示為：所有頻點掉線率的平均值。

對于具有N個頻點的智能跳頻頻率表，由于智能跳頻能夠始終選擇傳輸質(zhì)量最好的頻點通信，因此，其掉線率會明顯降低。

在一個頻帶中含有M(M>>1)個頻點的情況下，對子網(wǎng)內(nèi)機動用戶掉線率進(jìn)行仿真，如圖3所示。

(a)機動用戶掉線率隨頻譜惡化率變化曲線

(b)機動用戶掉線率隨干擾到達(dá)率變化曲線

由圖3可知：當(dāng)電磁頻譜受到干擾時，使用排隊的智能跳頻明顯低于采用定頻通信所帶來的掉線率；隨著電磁頻譜惡化率和干擾到達(dá)率的增大，使用定頻通信的短波無線接入網(wǎng)子網(wǎng)內(nèi)用戶的掉線率逐漸增大，而使用排隊的智能跳頻所帶來的掉線率基本保持不變，直到完全沒有頻譜可用掉線率才增大。

4.2抗干擾能力仿真分析

業(yè)務(wù)傳輸過程中抗干擾能力仿真如圖4所示。

(a)機動用戶抗干擾能力隨頻譜惡化率變化曲線圖

(b)機動用戶抗干擾能力隨干擾到達(dá)率變化曲線

由圖4可知：當(dāng)電磁頻譜受到干擾時，使用排隊的智能跳頻明顯高于采用定頻通信的短波無線接入網(wǎng)子網(wǎng)的抗干擾能力；隨著電磁頻譜惡化率和干擾到達(dá)率的增大，使用定頻通信的短波無線接入網(wǎng)子網(wǎng)的抗干擾能力逐漸減小，而使用排隊的智能跳頻所帶來的抗干擾能力基本保持不變且維持在較高水平，直到完全沒有頻譜可用時抗干擾能力才減小。

4.3互擾率仿真分析

互擾率是指：子網(wǎng)內(nèi)的一機動用戶與基站通信過程中受到其它機動用戶干擾的概率。使用排隊理論前后互擾率的對比如圖5所示。

(a)互擾率隨電磁頻譜惡化率變化曲線

(b) 互擾率隨干擾到達(dá)率變化曲線

頻譜受到干擾時，使用智能跳頻小于使用定頻通信的短波無線接入網(wǎng)子網(wǎng)內(nèi)用戶之間的互擾率；同時，使用排隊的智能跳頻能夠進(jìn)一步降低子網(wǎng)內(nèi)各用戶之間的互擾率。

5結(jié)語

針對短波無線接入網(wǎng)鏈路層抗干擾的迫切需求，提出了將智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)的思路，仿真分析了其抗干擾性能指標(biāo)變化情況；同時針對使用智能跳頻通信的各子網(wǎng)內(nèi)用戶用頻混亂，互擾嚴(yán)重的問題，將子網(wǎng)內(nèi)的用戶用頻建模為基于Markov排隊理論的智能跳頻用頻方式并進(jìn)行了仿真與分析。結(jié)果表明，使用排隊的智能跳頻與使用定頻通信相比，可明顯降低用戶通信的掉線率及互擾率，并能夠提高抗干擾能力。

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Anti-Jamming Performance of HF Radio Access Network based on Intelligent Frequency Hopping

DUAN Rui-jie1,2，YAO Fu-qiang2，LI Yong-gui2，MEI Xue-yan2，QI Yang-yang3

(1.College of Communication Engineering,PLAUST,Nanjing Jiangsu 210007,China;2.Nanjing Telecommunication Technology Institute,Nanjing Jiangsu 210007,China;3.Unit 73903 of PLA,Xiamen Fujian 361100,China)

Abstract：Aiming at the problem that the existing half duplex communication mode of HF radio access network could not satisfy the new requirement of anti-jamming,the intelligent frequency hopping technology is introduced into HF radio access network,and some analysis on this situation also done.At the same time,in view of the problem that the use of frequency by the users in each subnet is in confusion,the scheme is proposed that the use of frequency by subnet user is modeled on the basis of Markov queuing theory in the network.Simulation results indicate that the intelligent frequency-hopping communication using the queuing,as compared with the communication using fixed frequency,could clearly reduce the communication drops and inter-jamming rate,and raise the anti-jamming ability of the system.

Key words：HF radio access network; intelligent frequency hopping; fixed frequency communication; Markov queue model; anti-jamming

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.02.007

* 收稿日期：2015-09-03；修回日期：2015-12-14Received date:2015-09-03；Revised date：2015-12-14

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(No.61401505)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.61401505)

中圖分類號：TN915

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)02-0153-06

作者簡介：

段瑞杰(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向為智能跳頻組網(wǎng)，無線通信抗干擾；

姚富強(1957—)，男，博士，研究員，博士后/博士/碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為寬帶通信系統(tǒng)、頻譜管理、通信抗干擾理論與技術(shù)；

李永貴(1964—)，男，碩士，高級工程師，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為通信抗干擾理論與技術(shù);

梅雪艷(1976—)，女，碩士，高級工程師，主要研究方向為無線通信;

齊揚陽(1989—)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向為無線通信抗干擾。