JTIDS 系統抗干擾性能仿真

黃嘉春

(中國西南電子技術研究所, 成都610036)

1 引 言

聯合戰術信息分發系統(JTIDS)是指Link16 系統的通信部分,包括終端軟件、硬件、RF 設備及其產生的大容量、保密、抗干擾波形。JTIDS 系統自身不僅采用了高速跳頻(76 923 hop/s)、跳時(抖動)、直接序列擴頻(CCSK)抗干擾技術,而且采用了RS 編碼、交織、加密等技術,使得系統具備了保密性強、截獲率低、抗干擾能力強等優點。而JTIDS 的高度集成化、模塊化、數字化和全自動多功能的設計思想和理念不僅大大縮短了設備的研發周期,降低了研發成本,而且兼顧了老設備的兼容性以及為更新設備的研發提供了廣闊的空間,非常適合現代化信息戰爭復雜多變的特點[1-2]。

本文簡要介紹了JTIDS 系統以及JTIDS 消息處理流程,并給出MATLAB 仿真模型;對JTIDS 抗干擾技術進行分析,然后對JTIDS 系統抗白噪聲干擾、單頻或阻塞式干擾、組網的性能進行了仿真和分析,最終得出系統實際工作情況時的抗干擾性能和組網能力。

2 JTIDS 系統簡介

JTIDS 終端主要產生Link16 波形。為了確保更強的抗干擾能力,波形采用了如下技術:擴頻、跳頻、檢錯糾錯編碼、脈沖冗余、偽隨機噪聲編碼、數據交織等[1-2]。圖1 給出其固定格式消息的處理流程[2]。

圖1 JTIDS 固定格式消息處理示意圖Fig.1 Data flow in JTIDS fixed format

圖1 中, 檢錯編碼、基帶數據加密、交織以及CCSK 碼字加密都是提高JTIDS 系統消息字的保密性的重要手段。本文主要仿真波形的抗白噪聲干擾、單頻或阻塞干擾的特性,因此,側重仿真其中的前向糾錯、CCSK 編碼、MSK 調制,以及脈沖冗余。

3 JTIDS 抗干擾技術分析

JTIDS 端機首先對消息字進行檢錯編碼、加密,然后進行RS 編碼處理、交織,再進行CCSK 擴頻,最后進行MSK 調制處理,并經過跳頻處理后發送到射頻上。

3.1 RS 碼

RS 碼特別適合于糾正突發錯誤。JTIDS 系統每發送長為32 chip的偽隨機碼就會變換一個頻率。每個chip 都表示一個5 bit的符號,因此,該符號有可能正確接收,有可能接收錯誤。系統采用RS 編解碼的目的就是為了糾正其錯誤接收的符號,提高JTIDS的通信正確率。

3.2 CCSK 擴頻

JTIDS 系統中采用CCSK 擴頻除了帶來擴頻增益的好處外,更重要的是還采用了發射加密的抗截獲手段。因此使得信號載波加密程度高,想通過實時偵收的方法進行破譯非常困難。

3.3 跳頻

跳頻技術是一種具有高抗干擾性、高抗截獲能力的擴頻技術。跳頻技術的采用不僅使得JTIDS 系統具有很好的抗干擾特性,而且能夠確保多個設備在同一區域內可在不同的網絡上同時通信而不會造成相互干擾。

4 JTIDS 系統抗干擾仿真

4.1 JTIDS 系統抗白噪聲干擾模型與仿真

在JTIDS 消息字數據結構中,輸入數據經過RS(31, 15)編碼后, 經過CCSK 軟擴頻處理, 再經過MSK 調制。由于此處主要對JTIDS 的抗白噪聲干擾性能進行仿真,故暫時不考慮跳頻、跳時。因此,可建立JTIDS 數據鏈路中消息字數據結構抗白噪聲仿真模型,其信息發送、接收端的流程如圖2 所示。

圖2 JTIDS 抗白噪聲仿真模型Fig.2 Simulation model for anti-Gaussian white noise of JTIDS

在JTIDS 系統中, 時隙中承載編碼消息的脈沖有兩種,一種是單脈沖,一種是雙脈沖。一個單脈沖承載一個RS 編碼符號,一對雙脈沖也承載一個RS編碼符號,即一個RS 編碼符號傳輸了兩次。消息字以單或雙脈沖發送時的性能顯然不會是一樣的。因此,在對JTIDS 系統的消息字在加性高斯白噪聲信道中的性能進行仿真時,分為兩種情況,一種是單脈沖消息字數據結構,一種是雙脈沖消息字數據結構。最終的仿真結果如圖3 所示。

圖3 單雙脈沖數據結構抗白噪聲仿真性能圖Fig.3 The performance of anti-Gaussian white noise in single pulse/double pulse

圖3 中,虛線是JTIDS 系統單脈沖消息字抗白噪聲性能曲線圖,實線是雙脈沖消息字抗白噪聲性能曲線圖。比較兩者可以得出,在JTIDS 系統中,雙脈沖消息字比單脈沖消息字抗白噪聲性能好大概1 dB。但是在雙脈沖消息字結構中,一個符號要經過兩次CCSK 編碼,即每個RS 編碼符號需要發送兩次;而單脈沖消息字結構中,每個RS 編碼符號需要發送一次,消息發送的效率比雙脈沖消息字大一倍,而僅僅損失了1 dB的抗白噪聲性能。因此,雙脈沖消息字結構在抗白噪聲性能上并沒有體現出任何優勢。

4.2 JTIDS 系統抗阻塞干擾模型與仿真

和前面的消息字抗白噪聲仿真模型一樣,需要RS 編解碼、CCSK 解擴處理和MSK 調制解調的過程;不同的是,在抗阻塞式干擾仿真中,需要考慮到跳頻,這樣才能將阻塞式干擾加到JTIDS 仿真模型中。JTIDS 消息字數據結構抗阻塞式干擾仿真模型如圖4 所示。

圖4 JTIDS 抗阻塞干擾仿真模型Fig.4 JTIDS simulation model for anti-jamming interference

如圖4 所示,JTIDS 系統在受到阻塞式干擾的同時,必定同樣會受到白噪聲的干擾。因此, 在對JTIDS 系統的阻塞式干擾性能進行仿真時,是建立在首先假設JTIDS 系統在某個SNR 白噪聲性能的環境下進行的。

另外需要說明的是阻塞式干擾是怎么加入到該仿真模型的。在MATLAB 的仿真中, 如果直接將MSK 信號調制到跳頻載波上來進行仿真,那么勢必會帶來大量的運算。考慮到仿真的實現性以及時間的限制,并沒有像一般跳頻仿真系統一樣將傳輸調制到射頻上,而是采用了一種變通的簡易方法,最終達到對JTIDS 系統抗阻塞式干擾性能的仿真目的。即當某一跳數據落入阻塞干擾時,就將該跳的信號直接阻塞掉。

在該節的仿真中,跳頻圖案的設計是一個必須注意的環節。跳頻圖案設計的好壞直接決定了每個RS 編解碼分組中有幾個點被干擾掉,因此必須單獨對跳頻圖案的隨機性、均勻性、復雜度等進行仿真和驗證[3]。該節跳頻圖案設計采用時隙編號、網號和初始密鑰進行線性運算,再采用64 bit 的m 序列運算,最后加上非線性運算產生跳頻圖案。跳頻圖案仿真結果表明,該方法產生的序列符合跳頻圖案的要求。最終的仿真結果如圖5 所示。

圖5 單雙脈沖數據結構抗阻塞干擾仿真性能圖Fig.5 The performanceof anti jamm ing in single pulse/double pulse

如圖5 所示,隨著阻塞頻點的增加,單雙脈沖的誤比特率表現不一樣。對于單脈沖而言,因為沒有脈沖冗余,很快就出現了誤碼。雙脈沖表現則不同,阻塞點數超過了13 個頻點,才開始出現誤碼。因此,脈沖冗余設計最大的好處就是增強了JTIDS 系統的抗阻塞干擾能力。換言之,脈沖冗余設計用降低數據的吞吐量換取了更強的抗干擾能力。

4.3 JTIDS 系統多重網絡的仿真

JTIDS 系統支持多重網工作。在多重網絡結構中,操作者在操作中選擇一個網絡號使用,每個網絡都分配一個唯一的跳頻圖案用于發送,那么不同網絡之間的跳頻圖案碰撞率和JTIDS 系統的抗阻塞干擾性能之間必然存在一個關系,即當網絡數量增加時,頻率碰撞率增加,當被阻塞的頻率超過了JTIDS系統的阻塞干擾性能時,JTIDS 系統的通信質量出現嚴重問題,最終將導致通信失敗。

仿真以時隙為單位,計算M 個網絡的N 個時隙的跳頻圖案并記錄保存,然后對保存記錄的跳頻圖案進行漢明相關,最后得出跳頻圖案的碰撞概率曲線圖如圖6 所示。

圖6 JTIDS 系統多重網跳頻圖案頻率碰撞率仿真曲線圖Fig.6 Hopping frequency colliding probability for JTIDS working in multi-network

由仿真結果得出,在同一區域內有兩個網絡工作時,JTIDS 系統頻率碰撞率為0.02。按照JTIDS 系統跳頻工作頻點為51 個計算,最多有兩個頻率發生碰撞。從上一節的阻塞干擾仿真結果來看,單脈沖數據結構能使用。

再觀察上一節的阻塞干擾仿真結果,當阻塞頻點超過13 個頻點時,系統開始出現誤碼。即當被干擾的頻點不超過總頻點的25%時,JTIDS 系統的雙脈沖結構是可以正常通信的,幾乎沒有誤碼存在。當被干擾的頻點超過總頻點的31%時,JTIDS 系統的誤碼率開始大量出現。對應該節多重網跳頻圖案碰撞仿真圖,可以得出以下結論:當同一區域內的網絡數目為10 ～15 個時,頻率碰撞率就已經是20%～30%,那么JTIDS 系統同一區域內最多允許15 個網絡同時工作。

5 結束語

本文通過對JTIDS 系統抗干擾性能和組網性能的仿真和分析,驗證了JTIDS 系統的抗干擾性能優良,同一區域內允許多個網絡組網工作,滿足戰時通信的抗干擾以及保密性需求。仿真發現,跳頻圖案以及編解碼的設計對系統的抗干擾性能影響較大,因此還需要深入研究。本文仿真結果不僅為JTIDS系統抗干擾技術的研究提供參考,也為未來抗干擾軍事通信的開發和工程實踐提供了依據。

[ 1] 梅文華, 蔡善法.JTIDS/ Link16 數據鏈[M] .北京:國防工業出版社, 2007:66-88.

MEI Wen-hua, CAI Shan-fa.JTIDS/ Link16 Data Link[M] .Beijing:National Defense Industry Press, 2007:66 -88.(in Chinese)

[2] NATO STANAG5516,Tactical Data Exchange-Link16[S] .

[3] 梅文華, 楊義先.跳頻通信地址編碼理論[M] .北京:國防工業出版社,1996.

MEI Wen-hua, YANG Yi-xian.The theory of frequency hopping communication address coding[M] .Beijing :National Defense Industry Press,1996.(in Chinese)