窄帶抗干擾通信終端空口波形設(shè)計

倫立寶 康志杰 白清 李懷祿

（河北遠東通信系統(tǒng)工程有限公司 河北省石家莊市 050200）

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，專網(wǎng)無線通信設(shè)備越來越多地被應(yīng)用到軌道交通、公安、應(yīng)急等行業(yè)。目前專網(wǎng)無線通信設(shè)備通常采用定頻通信方式，該通信方式的缺點是抗干擾能力差，易受到頻率干擾[1]。跳頻通信作為擴頻通信的一種，是在收發(fā)雙方約定的情況下不斷改變工作頻率而進行的通信。由于工作頻率的改變受偽隨機碼的控制，因此跳頻通信具有很強的抗截獲、抗竊聽及抗干擾能力。通過對窄帶通信終端進行抗干擾波形設(shè)計與實現(xiàn)，采用跳頻通信技術(shù)提高設(shè)備的抗干擾性能，從而為用戶提供穩(wěn)定可靠的通信保障。

1 總體設(shè)計

窄帶抗干擾終端協(xié)議架構(gòu)遵循通用的協(xié)議分層架構(gòu)[2]，定義了三層架構(gòu)模型，如圖1所示。協(xié)議的第一層是物理層，是協(xié)議的最底層。第二層是數(shù)據(jù)鏈路層，處理多個用戶共享媒介，在這一層協(xié)議被垂直分成兩部分，一個是用戶面，用于無尋址功能的業(yè)務(wù)信息傳輸，另一個是控制面，用于具有尋址功能的控制信令信息傳輸。第三層是呼叫控制層，位于控制面，用于呼叫控制，提供終端支持的業(yè)務(wù)。

2 空口協(xié)議

2.1 物理層

物理層采用TDMA幀結(jié)構(gòu)，每個TDMA幀包含2個時隙，每個時隙30ms。其中一個時隙用于發(fā)射，另一個時隙用于接收，每個TDMA幀使用一個頻點。

2.2 數(shù)據(jù)鏈路層

跳頻通信需要跳頻的附加開銷，如頻率變換的調(diào)諧和相位鎖定時間。為了跳頻通信的同步建立及維持，還需要在用戶通信期間隱蔽的加插一些勤務(wù)信息，這些都將損失用戶信息的有效傳輸時間[3]。對用戶來說，信道應(yīng)是透明的，特別是話音信息是連續(xù)不斷的，為了用戶話音信息不因傳輸時間損失而有所丟失，需要將跳頻信息插入嵌入式信令區(qū)域。

2.2.1 跳頻同步頭幀

為了指示跳頻通信的開始，需要在業(yè)務(wù)發(fā)射開始之前發(fā)送攜帶數(shù)據(jù)同步字的跳頻同步頭幀[4]。跳頻同步頭幀承載了一個跳頻同步信令（FHSS，frequency hopping synchronization signaling）的PDU，該PDU由72比特跳頻同步信息和24比特校驗和組成，如圖2所示。FHSS信令長度為72比特，由跳頻時刻FHT、跳頻序列狀態(tài)碼、TOD信息組成。時隙類型”PDU中的數(shù)據(jù)類型信息單元設(shè)為“跳頻同步頭幀”。

2.2.2 跳頻勤務(wù)幀

為了支持遲后進入[5]功能，F(xiàn)HSS信令也可承載在語音突發(fā)的嵌入?yún)^(qū)域中。如圖3所示， 72比特的FHSS信令經(jīng)過FEC編碼和分片后，置于四個突發(fā)的嵌入?yún)^(qū)域中。這就意味著由六個突發(fā)組成的語音超幀可以由一個攜帶同步字的突發(fā)，四個承載FHSS的突發(fā)和一個空值填充嵌入式消息組成。嵌入式FHSS信令應(yīng)承載于同一個語音超幀內(nèi)，從語音超幀的第一個非同步突發(fā)的位置開始。承載FHSS信令的語音超幀通過勤務(wù)頻點發(fā)送。

圖1：協(xié)議架構(gòu)

圖2：跳頻同步頭幀

2.3 呼叫控制層

2.3.1 TOD

本地實時時間TOD[6][8][9]由兩部分組成，共26bit，其中高位為TODH，用于控制同步頻率及跳頻圖案生成，以跳為單位；低位為TODL，用于控制跳頻計數(shù)，以分鐘為單位。TODL每分鐘計數(shù)1000次，每分鐘向TODH進位。

2.3.2 同步頻率

同步頻率分為初始同步頻率與勤務(wù)同步頻率，作為發(fā)送跳頻同步頭幀和攜帶跳頻同步信息的語音超幀的載波頻率。同步頻率由TODH結(jié)合同步頻率生成算法產(chǎn)生，并隨TODH每分鐘刷新一次。

圖3：語音超幀

圖4：同步頻率產(chǎn)生流程

圖5：跳頻狀態(tài)控制

同步頻率生成及刷新流程圖如圖4所示。終端開機后，將系統(tǒng)時間信息轉(zhuǎn)化為TODH初值。然后將TODH輸入到同步頻率生成函數(shù)中，獲取3個同步頻率F1、F2、F3，其中勤務(wù)頻率默認使用F1。定時器超時后，TODH加1，重新計算3個同步頻率并刷新，這樣保證同步頻率能夠隨時間實時變化。

2.3.3 初始同步

圖6：跳頻發(fā)射流程

圖7：跳頻接收流程

初始同步[7]采用3個頻率交替發(fā)送或掃描。初始同步頻率個數(shù)的選擇是初始同步時間和抗干擾性衡量的結(jié)果，初始同步頻率個數(shù)越多，初始同步時間越長，抗干擾性越好，相反，初始同步頻率個數(shù)越少，初始同步時間越短，抗干擾性越差。

發(fā)射端以3個初始同步頻率交替發(fā)送跳頻同步頭幀，共發(fā)送12個。接收端以3個初始同步頻率循環(huán)慢掃描，每個頻率掃描時間為4個TDMA幀。

初始同步頻率由TODH控制，長度為m。預(yù)先設(shè)定一個m×n的隨機矩陣，用TODH與矩陣中每一列做運算。每次運算結(jié)果中若有奇數(shù)個1，則計為1，若有偶數(shù)個1，則計為0，得到一個長度為n的二進制數(shù)。然后將其轉(zhuǎn)換成十進制后取值范圍是0～2n-1，在頻率數(shù)目為2n個的頻率集上，利用上述算法獲得的值就可以對應(yīng)唯一的同步頻率。3個初始同步頻率記為F1、F2、F3，他們與TODH的關(guān)系為：TODH→F1、TODH-1→F2、TODH-2→F3。每分鐘進行一個同步頻率替換，具體替換算法為：TODH每分鐘進位后計算出一個新的F1，然后用舊F1和舊F2分別替換為新F2和新F3。

2.3.4 勤務(wù)同步

勤務(wù)同步頻率采用1個頻率承載勤務(wù)超幀，勤務(wù)同步頻率采用當前TODH值通過上述初始同步頻率算法計算出的頻率F1。勤務(wù)同步有兩個作用，一是初始同步完成并建立呼叫后，接收終端需要接收發(fā)送方插入數(shù)據(jù)幀中的勤務(wù)信息來實現(xiàn)同步保持；二是實現(xiàn)組呼中未收到初始同步信息的終端遲后加入呼叫。勤務(wù)同步包含跳頻同步的全部信息，通過勤務(wù)超幀格式定時發(fā)送。

跳頻語音通話過程中，發(fā)送方定期將跳頻信令插入語音幀的嵌入式信令區(qū)，組成勤務(wù)超幀，遲后加入終端通過搜索勤務(wù)頻點來接收勤務(wù)超幀，通過解碼勤務(wù)幀中的跳頻同步信息完成跳頻同步。

3 控制邏輯設(shè)計

3.1 狀態(tài)控制

跳頻狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。

終端進入跳頻模式后，首先進入跳頻接收流程下的勤務(wù)掃描狀態(tài)。駐留在勤務(wù)頻點上搜索當前組下是否有業(yè)務(wù)正在傳輸，一定時間間隔內(nèi)搜索到勤務(wù)超幀，則進入勤務(wù)同步狀態(tài)，若未搜索到勤務(wù)超幀，則進入慢搜索狀態(tài)等待。慢搜索狀態(tài)下，若接收并解析出同步頭幀，進入初始同步狀態(tài)。初始同步狀態(tài)和勤務(wù)同步狀態(tài)下建立呼叫并接收語音呼叫，呼叫結(jié)束后回到慢搜索狀態(tài)。

當按下PTT發(fā)射時，終端由跳頻接收轉(zhuǎn)到跳頻發(fā)射流程，發(fā)射完畢釋放PTT后，又回到跳頻接收流程。

3.2 跳頻發(fā)射流程

跳頻發(fā)射流程如圖6所示。終端按下PTT后，根據(jù)TODH計算出的同步頻率為載波，發(fā)送跳頻同步頭幀。為了平衡同步頻率的抗干擾性和同步時間，每次初始同步采用3個同步頻率，3個同步頻率交替發(fā)送同步頭幀，共發(fā)送12個同步頭幀。

每一幀同步頭幀中都攜帶起跳標志，指示跳頻圖案開始起跳的時刻，幀格式中FHT根據(jù)發(fā)送同步頭幀個數(shù)計數(shù)，每一幀指示當前同步頭幀序號，根據(jù)該序號可以計算出后續(xù)待發(fā)送同步頭幀個數(shù)和起跳時刻。例如：若當前幀F(xiàn)HT參數(shù)為5，說明當前發(fā)送的是第5個同步幀，后續(xù)還有7個同步幀待發(fā)送，跳頻圖案起跳時刻為當前幀以后第8幀。當FHT計數(shù)到12時，意味著下一個TDMA幀需要起跳。跳頻圖案起跳后，按照計算出的序列狀態(tài)輸出頻率并連續(xù)發(fā)送語音LC頭幀和后續(xù)的語音幀。終端釋放呼叫后，返回接收慢掃描狀態(tài)。

語音業(yè)務(wù)中，為了實現(xiàn)同步保持和組呼遲后加入功能，需要在語音幀中定期插入勤務(wù)信息，并通過勤務(wù)頻點發(fā)送。勤務(wù)信息以語音超幀為單位，一個完整勤務(wù)信息分片插入語音幀的嵌入式信令區(qū)。

3.3 跳頻接收流程

跳頻接收流程如圖7所示。終端開機或轉(zhuǎn)組后，首先進入勤務(wù)掃描狀態(tài)，在勤務(wù)頻點上掃描有無當前組業(yè)務(wù)。在掃描時間內(nèi)，如果搜索到勤務(wù)超幀，根據(jù)勤務(wù)超幀中跳頻信息同步跟跳，接收后續(xù)的標準語音超幀并通過解析嵌入式LC判斷是否加入呼叫。如果在勤務(wù)掃描時間內(nèi)沒有搜索到勤務(wù)超幀，則轉(zhuǎn)到初始同步慢掃描狀態(tài)。

4 測試驗證及指標

4.1 測試驗證

4.1.1 性能指標測試

為了驗證方案的可行性，對跳頻終端進行了相關(guān)指標測試。終端在跳頻模式下，按照每個TDMA幀長進行頻率切換，切換時間間隔60ms，跳頻速率為跳頻速率為1000hop/min。TDMA幀之間預(yù)留2.5ms頻率切換時間能夠滿足切換頻率過程所需的穩(wěn)定時間，保證了有效載荷的傳輸效率。

初始同步時間是從發(fā)起業(yè)務(wù)到收發(fā)終端建立起穩(wěn)定的頻率同步所需時間，該時間決定業(yè)務(wù)建立的快慢，影響用戶的使用體驗。本設(shè)計初始同步所采用的跳頻同步頭幀法是通過掃描跳頻同步頭幀中的跳頻信息實現(xiàn)收發(fā)端同步，同步頭幀發(fā)送的個數(shù)決定了初始同步建立時間長短，同步頭幀個數(shù)越多，抗干擾性越強，初始同步時間越長，相反，同步頭幀個數(shù)越少，抗干擾能力越弱，初始同步時間越短，因此同步頭幀個數(shù)選擇需要衡量同步時間和抗干擾性能去確定，本方案選擇發(fā)送12個同步頭幀，理論同步時間最大為720ms，實測初始同步時間不超過800ms。

勤務(wù)同步時間是通過勤務(wù)頻率建立勤務(wù)同步所需時間，本方案勤務(wù)頻率發(fā)送間隔為5個語音超幀時間，每個勤務(wù)頻率保持一個語音超幀時間，因此理論勤務(wù)同步時間為2160ms，實測勤務(wù)同步時間不超過3000ms。

4.1.2 抗干擾性測試

為了驗證方案的抗干擾性能，對跳頻終端進行了抗干擾性測試。實驗選擇了兩組共4個終端。I組終端為具備抗干擾功能的終端，II組終端為普通終端。將兩組終端均工作在正常模式，選擇當前頻點為F1。終端進行呼叫業(yè)務(wù)，兩組終端均能夠正常接收和發(fā)送語音。開啟干擾源，對頻點F1進行干擾。此時兩組終端均無法正常進行語音業(yè)務(wù)。將I組終端進行模式切換，切換為跳頻模式，然后發(fā)起語音呼叫，I組兩個終端可以正常建立呼叫，語音收發(fā)正常。通過對比實現(xiàn)可以確定，跳頻終端切換到跳頻模式后，可以有效應(yīng)對頻率干擾問題，保證了語音業(yè)務(wù)的正常進行。

5 結(jié)束語

本文針對窄帶抗干擾通信終端空口波形進行了總體設(shè)計，并且按照分層的軟件架構(gòu)對物理層時隙控制、數(shù)據(jù)鏈路層的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計、呼叫控制層的同步方法等功能進行了設(shè)計及說明，然后對軟件控制邏輯的狀態(tài)控制、跳頻發(fā)射流程和跳頻接收流程進行了詳細描述。最后對空口波形設(shè)計方案進行了實驗驗證，得出了窄帶抗干擾通信終端空口波形的主要技術(shù)指標，驗證了該設(shè)計方案的可行性和抗干擾性能。