基于概率映射的短波自适应跳频方法

殷文龙， 陈浩楠， 沈 良， 程云鹏， 王金刚

（解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007）

0 引言

短波信道质量较差，原因主要是一方面来自电离层的多径传输，另一方面来自其他用户的干扰[1]。信号在短波频段中可靠传输，需要一个躲避干扰机制来支持。跳频技术作为一种常用的扩频技术，能够有效地提高用户之间的通信[1]质量。

跳频通信的概念出现以后，为提高跳频系统的抗干扰能力，人们一直在追求跳频处理增益。然而，由于跳频通信抗阻塞干扰的门限效应，使得仅仅依靠提高跳频处理增益难以解决抗阻塞干扰问题[2]。自适应跳频技术是进一步提高抗阻塞干扰能力的重要途径。自适应跳频技术在传统跳频机制中引入了链路质量分析，可提高通信的可靠性和抗干扰能力，并且在无干扰或弱干扰的跳频信道上可以长时间保持优质的通信,克服了盲跳频[3]的弱点。

短波自适应跳频技术有效的提高了短波通信系统的抗干扰和抗截获性能，提高了信息吞吐量。对于掌握战场信息有着重要的研究意义。文章提出了在短波通信中有概率的进行选频跳频的思想，有效地降低了在复杂信道环境下信息传输的误码率，增强了系统的抗干扰能力。

1 系统模型

自适应跳频通常分为3种类型，文章工作基于第3种类型，即在跳频通信过程中，自动进行频谱分析，自适应地改变跳频图案，以提高通信系统的抗干扰性能并尽可能增加系统的隐蔽性[4]。

系统模型如图1所示，通信双方在通信前约定好跳变频率集以及跳频图案。通信过程中,监测信道将各个载波频点上的信噪比发送到接收方。接收方按照一定得算法处理这些信噪比，生成一个概率分布函数。具体实施办法将在下一节详细介绍。生成的函数在允许接收方发送数据时反馈到发送方。发送方确认反馈信息正确接收后，回复一个确认信息。此时发送方和接收方同时更新频率集或跳频图案。

图1 系统模型

2 自适应跳频算法

传统自适应跳频算法是将坏频点从频率集中剔除或者用备用频率表中选取一个质量较好的频点替代它。文章提出的算法利用信噪比检测反馈到发送方，发送方依照质量越好的频点选择概率大，质量差的频点选择概率小的原则进行跳频通信。具体算法如下述。

2.1 频率集不变

当信道只经历瑞利衰落和热噪声时，算法一考虑在通信过程中保留所有的频点，当某一频点被选中时检测信道就可以对其进行信噪比估计进而反馈回去，这样就没有必要分配其他的时隙来重新评估那些从频率集中剔除的频点。具体流程如下：①信噪比检测：跳频通信过程中，监测信道对每一个信道的信噪比进行实时检测，并告之接收方。接收方将记录下频率集中所有频点的信噪比。②信道映射：接收方利用记录下的信噪比，生成一个概率分布函数，该函数决定发送方频点选取的概率；③下一跳频点的选择：收发两方根据相同的概率分布函数同步选取下一跳的频点。

信道映射定义了信噪比映射产生概率分布函数的步骤。文章中假设频率集中信道总数为32，用i表示每一个信道号。如果文章定义 SNR _dec( i)为信道i上检测出的信噪比，信道映射就可以表示为：

f0首先简单的将信噪比映射成一个概率分布函数。

其中α为调整因子，随着α的变化跳频系统也会有不同的性能表现。α越低，每个信道使用的概率就越接近；α越高，信道质量的差异给信道使用概率带来的影响就越明显。在下一节仿真分析中将会具体体现出来。

f1函数中把f0得到的每一个数据加上Pmin，乘上因子(1 -M×Pmin)就构成了一个新的概率分布函数。

f2函数对f1得到的数据做最后的调整，削减所有大于Pmax的概率值，将超出Pmax多余的部分平均加到其他的概率值上。这样整个映射过程就完成了。

2.2 跳频图案不变

算法二以不改变跳频图案为基础。当信道遇到强干扰或者强衰落时，信息传输极有可能丢失。因此该信道会从频率集中剔除，但信道号依然保留。当某跳到达该信道号时，发送方从频率集中其他较好的频点中按照上文提出的信道映射方法选择频点传输信息。

3 仿真分析

基于上文提出的系统模型和跳频算法，本节给出了系统的仿真分析。

文章设定频率集信道总数 Nh= 32，信号编码方式采用的是级联码[6-7]：（2，1，7）卷积码作为内码和（7，3）RS码作为外码，数据经过BPSK调制经过瑞利衰落信道。仿真流程框图如图2所示。

图2 仿真流程

图3表示的是算法一的性能分析，Q表示当前信道环境的阻塞程度，当信息在信道中传输时误码率低于某一门限值，文章则定义该信道阻塞。仿真中，调整因子α分别取0.5，1，4，在不同的取值下，跳频系统所表现的性能也有很大的差异，如图3所示，算法一下的跳频系统性能较盲跳频有所提高，并且随着α值的提高，质量好的信道被选择的概率越来越高，质量差的信道选择的概率基本上维持在最低选择概率附近，系统对信道质量转变更敏感。

图3 算法一性能仿真

图 4(a)和图 4(b)分别表示，当调整因子α=0.5和α=4时，频率集中每个信道使用的次数，2张图对比中可以很明显的看出，随着α值的调整，好坏信道选择差异越明显。

图4 α取不同的值时，频率使用情况

图5所示为算法二下的性能分析。图中横坐标J表示信道受干扰程度，即表示频率集中被干扰频率数的比例。文章中，分别对半双工和全双工2种环境下的自适应跳频系统性能进行了仿真。在半双工通信过程中，接收方只能在分配好的时隙里向发送方反馈信息；而全双工允许接收方根据信道质量的变化实时反馈信息从而使得发送方可以做出及时调整。由图可以看出，全双工性能明显比半双工性能要好并高出一个数量级。

图5 算法二性能仿真

4 结语

文章中提出了利用信噪比检测，生成概率分布函数作为反馈信息实现自适应跳频的方法，并且分别给出了无干扰和干扰下两种情况下的仿真分析。仿真结果表明，文章中提出的算法能够较为明显的改善短波跳频通信系统的通信质量。以上所有工作都是基于点对点传输的假设条件上。然而在短波通信组网时，多对点与点之间的传输会带来频率碰撞的问题，因而通信质量也会降低。在下一步工作中，将重点研究网络环境下自适应跳频方法以提高系统性能。

[1]ZANDER J.Adaptive Frequency Hopping in HF Communications[J]. Military Communications Conference, 1993,142(02):338-341.

[2]姚富强.通信抗干扰工程与实践[M].北京：电子工业出版社，2008.

[3]俞世荣.自适应跳频通信及其抗干扰性能[J].通信技术,1999(02):50-55.

[4]赵慧霞，许从方.短波自适应跳频技术的研究[J].通信技术,2011,44(06):1-3.

[5]梅文华,王淑波,邱永红,等.跳频通信[M].北京:国防工业出版社,2005.

[6]STABELLINI L, SHI Lei, AL R A, et al.A New Probabilistic Approach for Adaptive Frequency Hopping[C].USA:IEEE,2009:13-16.

[7]MASSE M R, MICHAEL B.Adaptive Coding for Frequency-Hop Transmission over Fading Channels with Partial-Band Interference[J].IEEE Transactions on Communications,2011,59(03):854-862.