基于智能跳頻的短波無線接入網抗干擾性能分析*

段瑞杰，姚富強，李永貴，梅雪艷，齊揚陽

(1.解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007；2.南京電訊技術研究所，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 通信工程學院，江蘇 南京 210007；2.南京電訊技術研究所，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，將智能跳頻技術引入短波無線接入網，仿真分析智能跳頻短波無線接入網的各抗干擾性能指標變化情況；同時針對使用智能跳頻通信的各子網內用戶用頻混亂，互擾嚴重的問題，將子網內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。

關鍵詞：短波無線接入網；智能跳頻；定頻通信；Markov排隊模型；抗干擾能力

0引言

短波無線接入網是機固一體的接入網絡，其雖然具有自適應接入、可通率高等優勢，但是仍然存在抗人為干擾能力不足，并且其物理層是網系抗干擾的第一道防線和基礎[1]，是被偵察、截獲、接入、干擾的重點目標，理論上可能在全球范圍內被攻擊。為此文獻[2]提出了將智能跳頻技術應用于短波無線接入網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境感知、動態頻譜配置相結合的基于認知環路的動態頻譜抗干擾技術。其通過對授權頻譜的自主非對稱配置與動態調整，能明顯改善用戶對惡劣電磁環境的適應能力，有效提高抗動態、時變干擾的能力。因此，將智能跳頻技術應用于短波無線接入網，有望提高其頻譜資源的高效、動態使用和動態抗干擾能力水平。

另外，若將智能跳頻技術應用于短波無線接入網，則各子網(短波無線接入網內的一個基站及其服務的機動用戶組成一跳頻子網)內的機動用戶與基站之間采用非對稱頻譜配置跳頻技術實現通信。當子網內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、互擾嚴重，不能夠有效支撐智能跳頻通信的問題。為解決此問題，結合使用智能跳頻的短波無線接入網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，在認知無線電領域使用排隊理論來研究動態頻譜接入得到了深入研究和廣泛關注。文獻[3]采用二維連續時間Markov模型建模認知無線電主次用戶頻譜接入過程，得出該模型可靠的結論。文獻[4]利用排隊論，使用多維Markov模型分析了隨機頻譜接入，并進一步分析了認知系統的性能。文獻[5]總結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劣，得出帶排隊策略明顯優于不帶排隊策略的結論。這些排隊理論在認知無線電領域的應用已經取得一定成果，但是對于短波天波組網的研究還較少。

文章首先提出了將智能跳頻技術應用于短波無線接入網來提高其抗人為干擾能力的思路；其次，給出應用智能跳頻的短波無線接入網網絡拓撲結構，并且分析其優越性。再次，為了解決子網內多用戶通信問題，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網絡結構

將智能跳頻技術應用于短波無線接入網，主要是在底層無線接入部分，對上層網絡不做改變。依據短波無線接入網的網絡結構[2,6]，提出智能跳頻技術應用于短波無線接入網的網絡拓撲結構，如圖1所示。包括探測系統、網絡管理系統、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　應用智能跳頻的短波無線接入網拓撲結構

如圖1所示，使用智能跳頻的短波無線接入網其機動用戶一旦接入就將在此子網內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，此時機動用戶會選擇頻譜環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律性從而解決有關排隊系統的最優化問題[7]。Markov排隊具有如下特征：顧客到達排隊系統的方式遵循一個Poisson過程，即顧客的相繼到達間隔時間是相互獨立的(一般也獨立于到達過程)、同指數分布的隨機變量。服務員可以是一個、多個甚至是無窮多個。按照顧客數量有限、無限及成批次到達，服務員數量有限、無限及成批次到達分為不同的模型；按照顧客類型及服務員類型的多少可以分為一維和多維Markov排隊。

二維Markov排隊中，假設兩種不同類型的顧客都以Poisson達到系統接受服務，到達速率分別為λ1和λ2。兩種類型顧客在系統中接受服務的時間分別服從均值為μ1和μ2的負指數分布。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的統計平衡聯合概率。對于狀態(i,j)，根據其“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)

根據平衡方程可以研究排隊系統的穩定性，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模型

使用Markov排隊理論建模短波無線接入網子網內用戶的通信過程之前，作如下假設：

(1)機動用戶接入網絡后的一定時間段內，短波無線接入網的拓撲結構不發生改變，直到通信結束或者通信受阻。

(2)探測系統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境發生惡化造成的。假設未惡化的頻點誤碼率為10-4，發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變為0.98的頻點數與頻率表總頻點數的比值。其惡化率增大會造成遭受干擾的子網增多，設短波無線接入網中總共有N個子網，則受干擾子網數為：pN。

結合使用智能跳頻技術的短波無線接入網的機動用戶一旦接入基站，將不會隨意掉線的特點，提出在子網內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。子網的每一頻帶同一時刻只能夠容納一個用戶，業務傳輸在同一頻帶上采用時分復用方式通信，由圖可知，當無干擾時，子網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；當干擾到達，使用智能跳頻通信的子網，通信質量會受到一定的影響，但是還可以繼續通信，用戶不會掉線；而使用定頻通信的子網，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各子網的狀態轉移過程。將短波無線接入網子網內用戶通信過程建模為具有兩種類型的顧客，服務員唯一的二維Markov排隊過程。干擾和子網內用戶業務的到達是相互獨立的，且服從指數分布，此時定義二維狀態{Ei,j}，其中i、j分別表示干擾和業務傳輸占用的信道數，且滿足{(i,j)∈Ei,j|0≤i≤N,0≤j≤N,0≤i+j≤N}，N表示總的信道數量；此狀態對應的平衡概率為Pi,j，設Pi,j是在任何瞬間有i個信道被干擾所占據，j個信道正在傳輸業務的統計平衡聯合概率。根據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。

當網絡中有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)短波無線接入網使用半雙工的定頻通信時，當干擾到達，通信頻帶被覆蓋時，正在傳輸的業務將會直接掉線；若子網內的新用戶想要與此基站通信，由于此信道已經被干擾所覆蓋，新用戶很難通信。

(2)短波無線接入網使用智能跳頻通信時，子網通信采用Markov排隊機制，①當干擾到達，通信頻帶被覆蓋時，將會采用非對稱頻譜配置跳頻技術繼續保持通信，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絡時，也只能進入隊列排隊，待產生可用信道方才可使用。②當干擾褪去或者此用戶與基站之間的業務傳輸結束并釋放頻譜時，隊列中的等待業務將使用此信道傳輸，隊列中的等待業務按照先到先服務的原則排隊。③如果隊列中的等待業務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是集中式的管理模式，排隊系統可由網管中心和接入基站共同實現虛擬隊列，其中隊列長度可設置為不小于最大業務數，最大排隊時間可設置為業務的平均傳輸時間。

為了清楚的展示使用智能跳頻及子網內使用Markov排隊理論的短波無線接入網帶來的優勢，可用以下性能指標衡量。

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，即單位時間內未能完成業務傳輸的機動用戶數量與所有試圖實現業務傳輸的機動用戶數量的比值：

(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，業務正常傳輸的信道數與所有信道數的比值來刻畫，可定義為：單位時間內業務傳輸沒有被迫中斷的機動用戶數量或接入基站數量與成功完成業務傳輸的機動用戶總數量的比值：

(9)

4仿真分析

對使用兩種方法的短波無線接入網的子網內用戶通信的掉線率、抗干擾能力和互擾率等參數進行仿真分析。采用適應于離散系統的事件調度法[10]對通信過程進行仿真驗證。其仿真參數如表1所示。

表1　仿真參數

文章在Matlab軟件中使用時間調度法對文章各性能指標進行仿真驗證，其步驟如下：

步驟1：初始化仿真參數。具體有仿真時間、干擾及業務到達速率、服務時間平均值、服務完成時間等；

步驟2：在仿真時間T內進行時間掃描，按照時間順序來計算并統計干擾和業務到達的總數量、業務掉線數量，業務受到干擾未掉線數量等；

步驟3：到下一個事件發生，更新各統計數據；

步驟4：仿真時間到達，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，對子網內機動用戶掉線率進行仿真，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率變化曲線

由圖3可知：當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率的增大，使用定頻通信的短波無線接入網子網內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

業務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率變化曲線

由圖4可知：當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子網的抗干擾能力；隨著電磁頻譜惡化率和干擾到達率的增大，使用定頻通信的短波無線接入網子網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：子網內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子網內用戶之間的互擾率；同時，使用排隊的智能跳頻能夠進一步降低子網內各用戶之間的互擾率。

5結語

針對短波無線接入網鏈路層抗干擾的迫切需求，提出了將智能跳頻技術應用于短波無線接入網的思路，仿真分析了其抗干擾性能指標變化情況；同時針對使用智能跳頻通信的各子網內用戶用頻混亂，互擾嚴重的問題，將子網內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行了仿真與分析。結果表明，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：國家自然科學基金項目(No.61401505)

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

中圖分類號：TN915

文獻標志碼：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，無線通信抗干擾；

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

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

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。