一種動態刪除回歸的周期型PTP中繼通信頻率選擇算法

中國人民解放軍68046部隊　閆虎林　羅　斌　陸軍榮

武警警官學院 袁 征

一種動態刪除回歸的周期型PTP中繼通信頻率選擇算法

中國人民解放軍68046部隊閆虎林羅斌陸軍榮

武警警官學院 袁 征

微小型無人機（Micro-unmanned Aerial Vehicle，MUAV）作為通信中繼平臺具有部署靈活、易于控制、成本低廉的特點，是未來戰術通信的發展趨勢。為提高復雜電磁環境下的頻率資源利用率和通信可靠性，本文改進現有MUAV通信中繼協議中頻率自適應技術存在的問題，建立了頻率刪除回歸機制，提出了一種動態刪除回歸的周期型頻率選擇算法。給出了算法的具體流程、幀格式和關鍵技術等，并對算法性能進行了分析和驗證。

微小型無人機；中繼通信；刪除回歸；頻率選擇

隨著戰場電磁環境日趨復雜，戰場通信服務的要求也越來越高，地面通信裝備有限的傳輸距離嚴重制約了指揮機關對戰場態勢的有效控制。利用微小型無人機通信中繼實現戰場通信成為了研究的熱點［1］。現有微小型無人機通信中繼采用固定頻率表跳變方式代替了定頻方式，通信質量和可靠性有了明顯提升，但是隨著戰場電磁環境的復雜化，系統的丟包率增大，通信質量嚴重下降。采用頻率自適應技術，犧牲一定的帶寬換取信噪比，是提高通信質量的主要方法［2］，典型的頻率自適應技術主要包括認知無線電技術、自適應跳頻技術和動態頻率選擇技術［3］。

1　PTP中繼通信模型需求分析

MUAV通信中繼PTP（Point To Point）模型如圖1所示，MUAV通信中繼的覆蓋范圍內，處于不同區域的兩個戰術節點利用中繼完成通信。

圖1　MUAV通信中繼PTP模型

現有MUAV通信中繼主要采用周期型頻率變換的方式，它通過用戶自定義的頻率表動態地改變無線信道，在指定的間隔內周期性的跳變頻道。相比于定頻模式，固定頻率列表的跳頻方式的網絡性能有了很大改善，但是，在復雜電磁環境下，系統的通信質量仍然會受到嚴重限制。

圖2　兩種方式性能對比

固定列表跳頻與定頻方式下，系統吞吐量隨背景噪聲強度的變化如圖2所示。隨著背景噪聲的降低，兩種方式的系統吞吐量都有明顯的提升。然而在背景噪聲較高時，固定頻率列表的跳頻方式的吞吐量性能要明顯優于定頻模式［4］。但是即便如此，根據圖2可以看出，改善后的吞吐量實際值僅僅能夠達到理論吞吐量的15.7%，仍然無法有效滿足高速數據傳輸需求［5］。本文提出了一種動態刪除回歸的周期型頻率選擇算法，算法將“跳頻”與“跳時”相結合，在頻率刪除機制的基礎上，引入了回歸思想，建立了頻率刪除回歸機制，并通過周期型下發廣播幀的方式完成動態頻率選擇。

2　動態刪除回歸的周期型頻率選擇算法

動態刪除回歸的周期型頻率選擇算法在傳統的動態頻率選擇算法基礎上，采取周期性頻率變換的方式，首先AP根據當前可用信道數量產生對應的RS序列，并利用RS序列與頻率的對應關系，生成“源”頻率集，之后根據信道質量測量結果，刪除當前跳頻序列中的“壞”頻率，并向CPE下發信道切換的通告，包括接下來若干次頻率變換的頻率信息和切換時間，CPE在收到信道切換的通告后，會在規定的時間點切換信道。每個頻率周期結束后，AP對關聯CPE進行信道質量估計，更新“好”頻率和“壞”頻率集合，在整個RS頻率變換序列結束后，AP重新生成下一組RS序列，并結合當前的“好”頻率和“壞”頻率集合，采取刪除回歸機制，形成下一組頻率變換序列，接著下發給CPE，進行下一輪頻率變換。動態刪除回歸的周期型頻率選擇算法流程如圖3所示。

圖3　動態刪除回歸的周期型頻率選擇算法流程圖

圖4　不同跳頻間隔吞吐量對比

2）可用頻點數量N對系統吞吐量的影響

干擾源數量為5，頻率變換間隔為300ms，可用頻點數量N變化時，采用不同頻率更新機制的對比如圖5所示。當有足夠可用頻點時，刪除替代機制的吞吐量略優于刪除回歸機制，因為刪除回歸機制的復雜度高于刪除替代機制，而當可用頻點逐漸減少，干擾點對普通節點的干擾加劇，背景噪聲嚴重惡化，此時，刪除回歸機制的頻率資源利用率優勢得以體現，系統吞吐量降幅明顯低于刪除替代機制。

3　仿真結果分析

1）頻率變換間隔對系統吞吐量的影響

干擾源數量為5時，不同跳頻間隔對吞吐量的影響如圖4所示，隨著跳頻間隔的增大，系統吞吐量先增大后減小，在300ms時，系統吞吐量達到最優。實驗結果與上節理論分析結論相同，這說明算法系統損耗與抗干擾性能存在相互制約的關系。在干擾源數量一定的情況下，過小時，系統損耗較大，造成了嚴重的吞吐量損失，而過大時，信道質量的檢測效果受到了限制，頻率變換的有效性降低，進而影響了吞吐量。因此，系統存在最佳頻率變換間隔使得系統吞吐量最優。

圖5　不同頻點數目吞吐量對比

4　結束語

本文針對MUAV通信中繼PTP模型，提出了一種動態刪除回歸的周期型頻率選擇算法，并設計了一種刪除回歸機制，算法通過丟包率統計的方式進行周期性的信道質量估計，及時的發現受干擾頻點，躲避干擾，增強了網絡在復雜電磁環境下的系統吞吐量。相比傳統的DFS算法，算法能夠有效提升資源利用率和保密安全性能。仿真實驗分析還進一步表明，根據電磁環境的不同及時調整頻率變換間隔等相關參數，可以實現吞吐量最大化。

［1］王鵬，馬永青，汪宏昇等.無人機通信應用設想及關鍵技術［J］.飛航導彈，2011（5）：53-56.

［2］梁小虎.自適應跳頻系統中頻率自適應技術研究［J］.通信技術，2013（4）：65-67.

［3］李向陽.自適應跳頻中的關鍵技術研究［D］.成都：電子科技大學，2008.

［4］俞世榮，李淵淵.自適應跳頻技術及其實現［J］.無線電工程，2001，31（1）：19-22.

［5］戰大為，董俊，劉坤等.基于接收信號信噪比預測的自適應跳頻信道質量評估［J］.艦船電子工程2008（4）：76-79.

閆虎林【通訊作者】，中國人民解放軍68046部隊助理工程師。

羅斌，中國人民解放軍68046部隊二級軍士長。

陸軍榮，中國人民解放軍68046部隊工程師。