动态正交的跳频异步组网性能分析*

(总参第六十三研究所，南京 210007)

1 引 言

随着通信电子进攻技术和装备的不断发展，通信电子防御面临着严峻考验。作为通信电子防御的主流装备，跳频通信装备作战效能发挥的问题逐渐被各方所重视。跳频组网是跳频通信装备效能发挥的重要途径，在国内外被普遍使用。目前，对于跳频组网的研究主要集中在同步组网实现技术、异步组网智能技术等方面，这些技术的研究与实现并不能解决同步组网抗阻塞干扰能力差、跳频异步组网效率低等固有的缺点。针对以上问题，本文首先分析了同步组网和异步组网的优缺点，通过借鉴同步组网时频率同步跳变的做法，提出在异步组网时各网跳频频率表同步变化，并且各网使用的频率表始终正交，也就是跳频频率表动态正交的异步组网方式。在此基础上，本文详细分析了动态正交的异步组网方式在组网效率、抗阻塞干扰能力和反侦察能力等方面的优势，以及在时序要求、频谱资源分配和战场管控等方面存在的缺点。

2 跳频组网的常用方式[1]

同步组网和异步组网是跳频组网中最常用的两种方式。所谓同步或者异步均是指跳频网与网之间在射频时序上的制约关系，不能将单独的跳频网归结为同步组网或异步组网。

跳频同步组网是各指跳频网的每一起跳时刻相同，并且任一频率驻留时刻的各跳频网瞬时射频频率正交。根据以上定义，同步组网一般应以相同跳频技术体制装备为基础，所有跳频网络必须工作在同一张跳频频率表上，并采用相同跳频图案算法。因此，由N个频率点组成的跳频频率表以同步组网方式理论上可以组N个跳频网。很明显，同步组网效率很高，这也是同步组网方式最突出的优点。同步组网的另一个优点是使侦察方进行网络分选困难，即难以确定频率表中的某个频率在当前时刻属于哪个跳频网[2]。同步组网主要有两个缺点：一是由于同步组网对射频时序的要求极高，因此组网运用困难；二是由于所有网络均使用同一张跳频频率表，因此抗阻塞干扰能力差。

跳频异步组网是指各跳频网之间的跳频时序、跳频图案、跳频频率表等方面没有约束关系的组网方式。异步组网最突出的优点是组织使用方便、战术运用灵活，因此成为目前最常用的使用方式。根据作战任务，合理组织异步跳频通信网络，可以提高跳频通信网系的整体抗阻塞干扰能力和网络安全性。异步组网的主要缺点是组网效率较低，特别是采用相同的频率表组多个异步网并同时工作时，各异步网之间会出现频率碰撞。理论上，其组网效率只有频率点数量的1/3。因此，在高密度组织异步跳频通信网时，要求有足够的频率资源。在频率资源日趋紧张的现代战场，该缺点严重制约了异步组网的战术运用。另外，由于异步网的跳频频率表、跳频图案等都是相互独立的，网络特征与同步网相比更为明显，因此给侦察方的侦察和分选提供了更大的可能。

由于异步组网对各网使用的频率表没有限制，出于战术目的，在规划跳频频率表时，有些频率表之间是正交的(频率表完全不同)，有些频率表是非正交的(频率表部分重叠)，而有些频率表则完全相同。不同的规划所产生的效果有很大差异，如在全频段范围内规划几张正交的频率表，通信时可造成全频段跳频的效果，如将以上频率表部分重叠，则还可造成多跳速的效果。

3 动态正交的跳频异步组网性能分析

3.1 基本概念

如上文所述，在采用相同的频率表组多个异步网并同时工作时，各异步网之间会出现频率碰撞，因此组网数量受限，导致组网效率较低。为了尽可能提高异步组网效率，在战术使用时最常用的方法是在可用频率集内分成多个宽间隔子频率表跳频[3]。在可用频率集固定的条件下，随着子频率表的增多，单张频率表内的频率点数量越少，每个跳频网络的个体特征趋于明显，特别是在总的网络数量有限的情况下，侦察方的侦察和分选相对更为容易[4]。

传统跳频通信装备，如美国的SINCGARS-V、南非的A55H/B56H等，都是固定频率表跳频，即在通信过程中跳频频率表不改变。有些虽然具备频率自适应功能，但仍可划分为固定频率表跳频。

为提高异步组网的组网效率，同时提高跳频网络的反侦察性能，本文提出一种动态正交变换频率表的异步组网方法，即在通信前将可用频率集按网络数量分成多个宽间隔正交的子频率表，在跳频通信过程中，按预定的约束关系动态地为各跳频网络生成频率表，这些频率表仍是可用频率集的子集，并满足宽间隔、正交的要求。

3.2 优点

(1)组网效率高于常规异步组网

根据可用频率集，可以用两种方式来组织子频率表，一种是常规异步组网使用的非正交组网方式，另一种是动态正交异步组网所使用的正交组网方式。假设每张频率表上的组网数目是相同的，那么动态正交异步组网时的网间碰撞概率为

(1)

式中，N为单张频率表中的频率点数，M为单张频率表上的组网数目。

常规异步组网的网间碰撞概率为

(2)

式中，l为复用的频率点数。

在可用频率集中，频率点数为2 048，单张频率表中频率点数为256，总的组网数目为48的情况下，可以计算出动态正交异步组网的网间碰撞概率为0.194。图1给出了在上述情况下使用常规异步组网方式时网间碰撞概率随复用频率点数的变化曲线，为方便计算，我们假设m是连续的。从图1可以看出，不论复用的频率点如何变化，常规异步组网的网间碰撞概率均大于动态正交异步组网的网间碰撞概率，因而对于动态正交组网而言，一张频率表上可以组更多的网，其组网效率要高于常规异步组网。

图1 常规异步组网时不同频率复用点数下的网间碰撞概率

下面分析采用宽间隔跳频频率表的情况。宽的频率间隔使得影响通信效果的因素——邻道干扰大大减少，不同频率间隔条件下邻道干扰对通信效果的影响如图2所示。试验表明，采用宽间隔频率表可以使跳频电台异步组网效率从频率点数的1/3提高到频率点数的1/2[3]，接近于同步组网的实际组网效率。

图2 不同频率间隔条件下邻道干扰对通信效果的影响示意图

(2)反侦察性能接近于同步组网

随着跳变的频率点数量减少，网络特征相对趋于明显，侦察方相对更为容易进行侦察和分选，动态更换频率表有效解决了这个问题。同步组网时，在每一跳时间段上，各网使用着不同的频率；在动态正交组网时，在每一跳时间段上，各网也同样使用着不同的频率。区别在于：同步组网时，频率在全频率表内跳变；动态正交组网时，频率在当前子频率表内跳变，当子频率表动态重新分配后，频率更换跳变范围。两者区别如图3所示，其中Δt时间后更换子频率表。

图3 同步组网和动态正交组网示意图

(3)抗阻塞干扰能力强于同步组网

同步组网时，所有的跳频网络均使用相同的频率资源，即同一张跳频频率表。干扰方在侦察到该频率表的相关属性后，即可根据三分之一干扰策略实施有效的阻塞干扰，此时，所有的网络均会受到严重干扰。在使用相同频率资源情况下，动态正交组网时，干扰方侦察到的频率表相关属性与同步组网时相似，根据三分之一干扰策略实施阻塞干扰后，一般情况下仍有部分网络能正常工作，如图4所示。

图4 同步组网和动态正交组网受干扰后效果示意图

由图4可见，在相同干扰条件下，同步组网所有跳频网络均不能有效工作时，动态正交异步组网的部分网络仍能正常工作。

3.3 缺点

(1)网间时序要求较常规异步组网高

对于常规异步组网，各网间无任何约束关系，组织实施相对容易，对通信装备的要求也相对较低。动态正交异步组网时，各网按预定的约束关系动态地生成、更换子频率表，这里的约束关系包含两层意思，一是子频率表的生成，二是子频率表的更换。按动态正交的要求，各网应在相同时刻生成、更换频率表，对时序有较高的要求，这就要求通信装备有较高的时钟精度，否则在各网同步变化跳频频率表时，会使各网间产生频率碰撞。在当前时钟技术条件下，各网间最多出现几跳的碰撞，对通信的影响是可以接受的[5]。

(2)频谱资源再分配具有盲目性

同步组网时，各网使用完全相同的频率表，即使受到严重干扰，也不存在频率表的再分配问题。动态正交异步组网时，各网所使用的子频率表在不停地更换，更换的规则是预先编制好的，因此具有盲目性。在实际通信过程中，干扰方所能施加的干扰频段、干扰方向都有一定的限制，在人为更换子频率表时，可以在一定程度上结合干扰的实际情况，从而获得最佳子频率表。如果不与实时频谱管理设备相连接，动态正交异步组网不可能结合干扰频段、干扰方向等数据得到最佳子频率表。

(3)跳频参数战场管理难度增加

对于常规异步组网，只需单独为各网编制跳频参数，如存在指挥关系和互通要求，则需为相应网络进行跳频参数调整；动态正交异步组网时，需为所有网络编制相同的可用频率集、相同的时间、不同的子频率表等，因此需要统一规划，至少需要按统一的要求规划。另外，在跳频图案的设计上，较常规跳频图案设计更为复杂，特别是考虑到网络间存在互通要求时，动态生成的参数要能保证互通。

4 结束语

本文研究的动态正交跳频异步组网，当跳变的频率表频率数为1时，即为同步组网；当跳变的时间间隔无限大时，即为常规异步组网，因此该组网方式是介于同步组网和异步组网中间的一种组网方式，虽然在技术实现难度上远低于同步组网，却可以同时具备两者的优点。该组网方式可以普遍应用于短波和超短波跳频通信装备，从而更好地发挥这些装备的作战效能。下一步的研究重点是如何确定频率表跳变的时间间隔、频率表的频率数和跳频图案的生成算法。

参考文献：

[1] 姚富强.军事通信抗干扰及网系应用[M].北京：解放军出版社,2004.

YAO Fu-qiang.Military Communications Anti-jamming and Network Application[M].Beijing:PLA Publishing House,2004. (in Chinese)

[2] 吴凡，姚富强，李玉生.跳频网台信号分选技术研究[J].通信对抗，2005(1)：11-14.

WU Fan,YAO Fu-qiang,LI Yu-sheng.The Research on the Distinguishing Technology of FH Network Signal[J].Communication Countermeasures,2005(1):11-14.(in Chinese)

[3] 毛虎荣，李永贵，李勇.超短波跳频电台高密度异步组网试验与分析[C]//2005军事通信抗干扰研讨会论文集.成都：军事通信抗干扰研讨会组织委员会：1082-1085.

MAO Hu-rong,LI Yong-gui,LI Yong.A test and analysis of UHF FH radio dense Asynchronous network[C]//Proceedings of 2005 Military Communications Anti-Jamming Conference(MCAJC).Chengdu:2005 MCAJC Organizing Committee，2005:1082-1085. (in Chinese)

[4] 姚富强，信俊民，扈新林.跳频通信有效反侦察组网数的确定[J].现代军事通信，1995，3(3)：30-35.

YAO Fu-qiang,XIN Jun-ming,HU Xin-lin. Efficient decision method of the network number in frequency hopping communication[J].Journal of Modern Military Communications,1995,3(3):30-35.(in Chinese)

[5] 王清泉，姚富强.战术跳频电台的组网运用及性能分析[J].通信技术与发展,1993(6)：39-42.

WANG Qing-quan,YAO Fu-qiang.Netting Application and Performance Analysis For Tactical Hopping Radios[J]. Communication Technology and Development,1993(6):39-42.(in Chinese)