基于無碰撞區(qū)碼的跳頻系統(tǒng)準同步組網(wǎng)方案

1、基于無碰撞區(qū)碼的跳頻系統(tǒng)準同步組網(wǎng)方案XXX摘要： 本文工作受通信抗干擾技術國家級重點實驗室基金和國家自然科學基金項目（NSFC/RGC No.60218001）資助。作者XXX為西南交通大學計算機與通信工程學院研究生，四川成都610031，Email：xxx。根據(jù)無碰撞區(qū)（No-Hit-Zone簡稱NHZ）跳頻碼的特點，提出了一種基于NHZ跳頻碼的跳頻通信系統(tǒng)多址接入準同步組網(wǎng)方案。仿真結果表明，該方案保證了跳頻系統(tǒng)工作在NHZ跳頻碼的無碰撞區(qū)范圍內(nèi)，有效地降低了系統(tǒng)的多址干擾，改善了系統(tǒng)的整體誤碼率性能，適合于多用戶跳頻通信系統(tǒng)。關鍵詞：跳頻通信 跳頻序列 跳頻同步 ALOHAQuasi-

2、synchronous Scheme for Frequency Hopping System Based on No-Hit-Zone Hopping CodeXXXAbstract: According to the characteristics of No-Hit-Zone (NHZ) hopping code, a Multi-Access quasi -synchronous scheme based on NHZ hopping code for frequency hopping communication system was proposed. Simulation res

3、ults prove that the scheme can assure the frequency hopping system to work within no hit zone of NHZ hopping code. Moreover, it decreases the Multi-Access interference and improves the integral bit error rate performance of the system, and is suitable for multi-user frequency hopping system. Key Wor

4、ds: frequency hopping system; frequency hopping sequence; frequency synchronization; ALOHA1. 引言由于跳頻通信在抗干擾、保密性以及多址通信等方面具有窄帶通信無法比擬的優(yōu)越性，所以在各類無線通信系統(tǒng)中得到廣泛應用。在跳頻通信系統(tǒng)中，組網(wǎng)是關系到跳頻通信能否正常建立的關鍵。跳頻組網(wǎng)方法主要有同步組網(wǎng)和異步組網(wǎng)。采用同步組網(wǎng)方法的跳頻通信系統(tǒng)所用的跳頻序列集在零位移處的漢明相關為零，各用戶在統(tǒng)一的時鐘下實施同步跳頻，因而通信中不同用戶的載波頻率不會發(fā)生碰撞。異步組網(wǎng)則系統(tǒng)中各用戶按各自的跳頻序列工作，由于各用

5、戶之間沒有統(tǒng)一的時間標準，因而異步組網(wǎng)時，用戶間會發(fā)生頻率碰撞。顯然，這種頻率碰撞的機會是隨著用戶數(shù)量的增加而增多。根據(jù)跳頻序列的理論界，不存在完全沒有碰撞的理想異步組網(wǎng)跳頻序列集。本文中采用跳頻文獻1,2所提出的無碰撞區(qū)（No-Hit Zone簡稱NHZ）跳頻碼，其在零位移附近一段時間內(nèi)是無碰撞的。為了利用NHZ跳頻碼的優(yōu)點，跳頻系統(tǒng)需保證工作在跳頻碼的無碰撞區(qū)內(nèi)，即系統(tǒng)組網(wǎng)時待通信的發(fā)信機之間既不是嚴格的接入同步，也不是完全異步，而是接入準同步。根據(jù)ALOHA/CSMA協(xié)議思想3和NHZ跳頻碼特點，提出了一種基于無碰撞區(qū)碼跳頻通信系統(tǒng)的多址接入準同步方案，并應用于跳頻通信系統(tǒng)中，用MATL

6、AB對其進行仿真，比較分析了系統(tǒng)的仿真結果。2 無碰撞區(qū)及其新型NHZ跳頻碼為了降低甚至消除系統(tǒng)的多址干擾，可以采用在一定相關區(qū)域內(nèi)具有理想相關特性的序列，即新型無碰撞區(qū)跳頻序列12作為用戶的地址碼。無碰撞區(qū)的定義為：假定有集合，其中，為序列的數(shù)目，為序列周期。若分別用和描述自相關函數(shù)和互相關函數(shù)的無碰撞區(qū)的寬度，表示跳頻序列的無碰撞區(qū)的寬度， 則相應的無碰撞區(qū)跳頻序列N(L,M,ZN)具有如下相關特性，其中，如果x=y，則h(x,y)=1，反之h(x,y)=0。例如，若長度L=32，序列數(shù)目M=4，無碰撞區(qū)ZN=2，則相應的NHZ跳頻序列集1為，N(1)=28 30 29 31 24 30

7、17 31 1 28 2 31 1 24 6 23 11 9 21 23 15 9 25 23 22 11 10 23 22 15 14 31N(2)=7 5 14 12 28 26 29 19 26 7 17 12 5 28 10 27 16 18 6 4 11 13 21 27 13 16 25 4 18 11 2 19作為同步源開始通信NN結束通信？Y停止發(fā)送拒接同步頭，結束通信YNY發(fā)送拒接同步頭同時接收其他同步頭收到接入同步頭？超過延時？N結束通信？YNAB暫時中止傳送數(shù)據(jù)，觸發(fā)一個定時器N開始監(jiān)聽信道有同步源？A或B準同步頭接入開始通信，選擇起跳時刻Y在定時器期間監(jiān)測到同步源？關閉

8、定時器，開始通信結束Y圖1 多址接入準同步方案流程圖N(3)=11 9 21 23 15 9 25 23 22 11 10 23 22 15 14 31 28 30 29 31 24 30 17 31 1 28 2 31 1 24 6 23r(t)BPF檢波器 搜索控制時鐘控制時鐘PN序列發(fā)生器頻合器圖2 搜索自等待式同步方法N(4)=16 18 6 4 11 13 21 27 13 16 25 4 18 11 2 19 7 5 14 12 28 26 29 19 26 7 17 12 5 28 10 27其漢明自相關和互相關函數(shù)分別為Huu()=xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

9、xxxxxx 00 32 00 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx,Huv()=xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 00 0 00 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx.3. ALOHA通信與CSMA協(xié)議ALOHA網(wǎng)首次在無線信道中引入了數(shù)據(jù)包(又稱分組)廣播這一結構，這種結構與傳統(tǒng)的點對點信道及分組交換網(wǎng)有很大不同，故稱之為ALOHA信道3。通過這一公共的廣播信道，網(wǎng)中的每個用戶隨時都可以給另一用戶發(fā)送信息，完全不需要同步。ALOHA信道的主要優(yōu)點是：圖3 跳頻通信系統(tǒng)誤碼率曲線比較(1) 允許大量間斷性工作的發(fā)射機共享同

10、一信道；(2) 利用ALOHA信道進行數(shù)據(jù)通信時，中心臺或服務器只需要一個高速接口，而不必為網(wǎng)中的每個用戶提供一個單獨的接口。ALOHA多址通信是指采用ALOHA信道結構的通信。目前，已設計了多種用于衛(wèi)星通信和地面通信的ALOHA多址協(xié)議，其中最基本的有三種：ALOHA，分隙ALOHA和預約ALOHA。除了上述三種協(xié)議外，還提出了各種各樣的ALOHA隨機多址協(xié)議，其中比較著名的是載波監(jiān)聽多址(CSMA)和分組預約多址(PRMA)。CSMA多址協(xié)議的原理：采用“先聽后發(fā)”的原則來減少“碰撞”，即網(wǎng)絡中用戶將其接收機調(diào)到公用的載波頻率上，以便監(jiān)聽是否有其它用戶在使用信道，若發(fā)現(xiàn)信道閑，則發(fā)送信息，

11、否則一直等待，直至無其它用戶使用信道為止。4. 跳頻通信系統(tǒng)多址接入準同步原理及實現(xiàn)在網(wǎng)絡中進行通信的用戶，以最先接入網(wǎng)絡進行通信的發(fā)信機作為同步源，周期性地發(fā)送準同步頭。延遲入網(wǎng)的發(fā)信機在接入網(wǎng)絡時，先監(jiān)聽信道，當收到準同步頭時接入網(wǎng)絡，其與同步源從同一時刻開始跳頻，使得發(fā)送信息采用的跳變頻率起跳點控制在跳頻碼的無碰撞區(qū)內(nèi)，從而保證跳頻通信網(wǎng)中工作的各發(fā)信機控制在跳頻碼的無碰撞區(qū)內(nèi)。多址接入準同步的實現(xiàn)流程圖如圖1所示。多址接入準同步方案利用了NHZ跳頻碼的優(yōu)點并借鑒了ALOHA通信CSMA協(xié)議。多址接入準同步方案與CSMA協(xié)議均采用“先聽后發(fā)”的原則來減少“碰撞”。在CSMA協(xié)議中，信道始

12、終只有一個用戶在占用。而在多址接入準同步方案中，信道可以多個用戶同時使用。準同步頭用來控制發(fā)射機之間的接入準同步，有三種格式：A. 接入準同步頭（設為A）：當其它發(fā)信機收到這個準同步頭時，可繼續(xù)通信或接入通信；B. 拒接準同步頭（設為B）：當前發(fā)送準同步頭的發(fā)信機要結束通信時所傳送的信息。為保證切換過程準同步源的唯一性和可靠性，退出前準同步頭要再循環(huán)發(fā)送一段時間（即結束前有一段延時），在延時階段所發(fā)送的準同步頭要區(qū)別于之前的準同步頭。其它發(fā)信機收到拒接同步頭B時，暫時中止傳送數(shù)據(jù)，并觸發(fā)定時器開始競爭作同步源；C. 切換同步頭（設為B）：在切換時競爭作同步源成功，在第一個周期發(fā)送B，以后發(fā)送A

13、；當其它發(fā)信機收到這個同步頭時，可繼續(xù)通信或接入通信。 在監(jiān)聽過程中，采用搜索自等待式同步方法5。搜索自等待式同步方法的工作原理即接收端在同步捕獲之前保持在跳頻序列對應的某一頻率上，等待發(fā)信機的信號，一旦檢波器得到相關輸出，則認為是捕獲到了同步而與發(fā)信機同步進行跳頻。搜索自等待式同步方法的流程圖如圖2所示。5. 多址接入準同步方案性能分析（1）多址接入準同步頭捕獲時間：在多址接入準同步方案中，發(fā)信機之間先進行的是準同步頭的捕獲，然后才是收發(fā)機的收發(fā)同步過程。在對準同步頭進行捕獲時采用的是搜索自等待式同步方法，因此其性能與搜索自等待式同步方法的性能基本相同4。為了便于比較，本文分別給出匹配濾波法

14、，滑動相關法及準同步的同步捕獲時間。定義切普時間為（S），跳頻序列長為，則，匹配濾波器法的捕獲時間為：滑動相關法的捕獲時間為： 準同步的捕獲時間為： （>>1）經(jīng)比較可知，匹配濾波器的捕獲時間最短，但實現(xiàn)電路很復雜；滑動相關法的捕獲時間最長。準同步法捕獲時間較短，電路簡單。（2）性能仿真與結果分析比較：表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)采樣速率跳頻工作帶寬信道間隔跳頻速率信道400KHz10K-50KHz250Hz480h/sAWGN基帶信號速率調(diào)制方式RS跳頻碼6NHZ跳頻碼160HzBFSK（27-1,5）（128,8,4）為比較和分析本文多址接入準同步方案的性能，用MATLAB對基于上述多址

15、接入準同步方案及NHZ碼的跳頻通信系統(tǒng)進行了仿真，仿真參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)在不同用戶數(shù)和不同信噪比條件下的誤碼率曲線如圖3所示，由該圖可見：本文提出的多址接入準同步方案是可行的；當跳頻系統(tǒng)是單用戶時，采用NHZ跳頻碼的新型多址接入準同步方案的跳頻通信系統(tǒng)與采用RS碼的跳頻通信系統(tǒng)性能基本相同；當跳頻系統(tǒng)是多用戶時，采用NHZ跳頻碼的新型多址接入準同步方案的跳頻通信系統(tǒng)優(yōu)于采用RS碼的系統(tǒng)。仿真結果表明NHZ跳頻碼及本文所提出的接入準同步方案在單用戶跳頻通信系統(tǒng)中優(yōu)勢不明顯，但在多用戶跳頻通信系統(tǒng)中誤碼率性能會有明顯改善和提高。本文提出的多址接入準同步組網(wǎng)方案，由于保證了通信系統(tǒng)發(fā)信機間的時延在

16、跳頻碼的無碰撞區(qū)內(nèi)，因而系統(tǒng)的多址干擾明顯下降，使系統(tǒng)的整體誤碼率性能得到改善。因此，無碰撞區(qū)跳頻碼及本文所提出的接入準同步組網(wǎng)方案能有效降低系統(tǒng)的多址干擾，適合于多用戶跳頻通信系統(tǒng)。6. 結論根據(jù)無碰撞區(qū)跳頻碼的特點，基于ALOHA/CSMA協(xié)議思想，提出并實現(xiàn)了一種接入準同步組網(wǎng)方案及其跳頻通信系統(tǒng)。該方案使得通信雙方在通信前發(fā)射端先進行多址接入準同步，保證通信系統(tǒng)工作在無碰撞區(qū)范圍內(nèi)，從而體現(xiàn)了無碰撞區(qū)跳頻碼的特點，降低了系統(tǒng)的多址干擾，提高了系統(tǒng)的性能。仿真結果表明，無碰撞區(qū)跳頻碼及本文所提出的接入準同步組網(wǎng)方案適合于多用戶跳頻通信系統(tǒng)，方案可行, 在多用戶環(huán)境中優(yōu)于采用RS碼的系統(tǒng)。

17、7. 參考文獻1 Xiaoning Wang, Pingzhi Fan, A Class of Frequency Hopping Sequences with No Hit ZoneA. Proceedings of The Fourth International Conference on Parallel and Distributed Computing, Applications and TechnologiesC. August 27-29, 2003 Chengdu, China. pp.896-898.2 W. X. Ye and P. Z. Fan, Two Classes of Frequency Hopping Sequences with No-Hit ZoneA. Proceedings of the Seventh International Symposium on Communications Theory and Applications (ISCTA