一种多信道跳频通信系统信道控制方法*

2014-02-10谢宇

通信技术 2014年8期

关键词：话音数据业务时隙

谢宇

(中国电子科技集团第30研究所,四川成都610041)

一种多信道跳频通信系统信道控制方法*

谢宇

(中国电子科技集团第30研究所,四川成都610041)

提出了一种多个物理信道共同工作的无线跳频通信系统的跳频同步及信道分配控制方法,采用独立的控制信道实现多个物理信道间的跳频同步控制,并在多个信道保持跳频同步的基础上利用高效的分段轮询方式实现控制信道和业务信道的时隙分配,同时利用控制信道实现多个业务信道间的用户调度,提高了信道的利用率,可广泛应用于各类多信道无线跳频通信系统,尤其是窄带信道的战术无线通信系统中。

多信道跳频跳频同步信道分配

0 引言

跳频通信技术是一种重要的抗干扰技术,其原理可以描述为通信收发双方在一组指定的频率上按编码序列规定的顺序同步、离散地跳变,从而扩展频谱并实现通信。与传统通信方式相比,跳频通信具有强抗干扰能力、低截获概率性、良好的多址组网能力、强抗衰落及高保密性等优点,在军事领域及民用领域被广泛应用[1]。

作为典型的抗干扰通信手段,目前,跳频通信多采用多信道接入协议来解决站点隐藏和站点暴露的问题,一般将多个信道分成控制信道和数据信道。控制信道上使用载波监听等机制避免数据冲突,数据信道采用重传和跳频机制支持多路数据并发[2]。但这些多信道跳频通信技术实质上是采用的物理信道虚拟化技术,在逻辑信道上进行同步处理及信道控制。虽然也有在多信道系统中通过选择各接口的工作信道,在不同的信道上同时传输避免域内的节点的碰撞来提高网络传输容量的方法[3],但是对于独立物理信道的跳频接入系统的同步和信道控制技术基本来说仍让处于空白状态,而对于如战术无线通信系统中使用的窄带多信道跳频接入系统的同步和信道分配来说没有合适的技术手段。

本论文针对采用独立物理信道的多信道跳频接入系统,提出一种基于独立控制信道配合业务信道实现跳频同步和信道分配的方法,重点解决多个独立信道间跳频同步问题,以及根据不同用户、不同业务进行高效的信道控制和分配问题。

1 方案设计

跳频通信中同步的基础是实时时钟信息(TOD)的同步,TOD是一个时间变量,随时间的变化而变化,它是由一高精度时钟提供。收发双方的TOD信息保持完全一致是跳频图案同步的关键[4]。在使用独立物理信道的多信道跳频接入通信系统中,各信道之间采用物理连接形成信道实体间的时钟同步总线,作为跳频同步的物理通道[5],其连接结构如图1所示。在多个物理信道中选定或配置一个信道作为主信道,主信道将自身时钟信息通过时钟同步总线输出,其余物理信道作为从信道接收主信道的时钟信号,根据收到的主信道时钟信号调整自身时钟,以保持与主信到的时钟同步。主信道的时钟信号可利用内置晶振、时钟源产生,或通过接收GPS、北斗等外部时钟源。

图1 多信道跳频同步连接示意Fig.1 Connection of FH synchronization for multiple physical channel

由于各物理信道均采用相同的跳频图案,使用相同的跳频表,各信道在保持时钟同步的基础上可实现跳频同步。多个信道在维持同步的基础上统一进行时隙分配,典型的时隙分配模型如图2所示。其中信道0作为控制信道用于实现系统的接入和同步控制[3],信道1用于数据业务通信,信道2用于双工话音业务通信。考虑到多信道跳频系统的可靠性、实效性等因素,一般来说,用于数据通信的信道最好不超过2个,用于话音业务的信道最好不超过5个。控制信道(信道0)和数据信道(信道1)采用相同的时隙结构,每个时帧根据跳频系统特性分为2n×hops个时隙,其中hops为跳频系统每秒的跳频速率,n值的选择可灵活调整,一般情况下n＞6;话音信道(信道2)为每路话音用户预留1个时隙,最大支持i对用户同时通话,i的大小取决于跳频系统的信道带宽能力、用户业务带宽需求等特性指标,信道带宽越宽则支持同时通话的用户数越多,但至少需保证每个用户时隙的有效带宽大于4 800 b/s,以满足基本的双工话音需求。

图2 一种多信道跳频同步结构示意Fig.2 FH synchronization structure for multiple physical channel

多信道跳频系统中的控制信道和其它信道均采用相同的跳频表F0,由于跳频表相同,各信道间必然产生相互干扰,尤其是在多信道系统的基站侧存在多个物理信道,干扰问题尤其严重。因此各信道间采用频率偏移机制解决相互干扰问题。如图2所示,信道1在与信道0时钟同步的基础上跳频图案向后偏移M,M值(一般来说M就是常用的跳频网网号)可根据频率范围和频率间隔进行调整,由于各信道间保持跳频同步,偏移后信道之间的跳频频点在同一跳频图案基础上可保证不会相同,也就保证了信道之间不产生相互干扰,同理信道2向后偏移N(N＞M)可使信道0、信道1、信道2均不会相互干扰。多信道跳频通信系统根据实际物理信道的数量,可分别对每个信道进行偏移,保证各信道间频率均不产生相互干扰。由于多信道跳频系统多数存在同台多机问题,因此实际系统在通过信道偏移保证信道间不相互干扰的基础上,各信道间的隔离度还将影响多信道跳频系统的频率利用效率。多个信道间的隔离度越高,则有效的可用频率资源越多,也就是用于信道偏移的M/N数值可以越小,可支持更多的信道调度,更大的信道带宽分配,有利于提高信道的利用率。

控制信道(信道0)作为同步和控制的专用信道,典型的1个时帧约2n×hops个时隙,所有时隙可分为3大部分,每个时隙由65个字节组成,如图3所示。

图3 一种多信道时隙分配示意Fig.3 Time slot division pattern structure for multi-carrier

其中第一部分为同步时隙,共2个时隙,主要完成用户接入的跳频同步和维持,在系统中存在多个接入点时,通过同步时隙内的信道搜索可实现接入点间的切换;第二部分为控制时隙,共2n×hops/2-1个时隙,主要完成话音用户的信道申请和分配,通过此部分时隙,指定相应的空闲话音信道,将信道号、偏移量通知申请用户,同时还将完成信令交换,获得信道分配的用户将直接转入对应的业务信道,使用指定的业务时隙进行业务通信。第三部分为轮询时隙,共2n×hops/2+1个时隙,这部分时隙主要用于对接入用户以轮询方式逐一查询是否需要数据业务通信,如轮询过程中用户响应则分配相应的数据业务信道的时隙给该用户,根据每个时帧轮询的结果完成数据业务信道的分配,也就是每个用户分配的时隙数等于2n×hops/申请用户数(结果取整),多余时隙可综合分配到下一时帧使用。由于当申请用户数量较多时,轮询周期将会变长,每个用户分配的信道带宽会下降,因此综合考虑一般接入的数据业务用户需根据实际系统带宽、用户需求等进行相应的限制。

数据信道(信道1)每个时隙也是65个字节,格式与控制信道相同,由于数据信道要为所用接入系统的数据用户提供数据通道,因此考虑到为了给每个数据用户提供尽量大的带宽、尽量短的通信时延,一般来说每个用户分配4个时隙为宜,支持的最大接入用户数N与信道的物理带宽相关,信道带宽越宽则可支持的用户数越大。但是,在带宽固定的情况下,支持用户数越多,必然导致每个用户的有效带宽下降。因此,最大接入用户数N的选择要根据具体系统的通信保障需求进行综合考虑。

话音信道(信道2)采用数字信道分配,每个用户时隙至少保证2 400b/s(声码话编码),在物理信道带宽有保障的情况下可以支持损失更小的话音编码方式,如G.729、CVSD、PCM编码。总的来说,每个信道支持的最大接入话音用户数,采用的话音编码都与实际物理系统参数有关,针对如窄带电台等典型跳频物理信道,一般来说每个信道最大支持4个以内的话音用户为宜。

图4 一种多信道接入控制方法示意Fig.4 Method of multi-carrier control

用户在突发话音业务时,如图4所示,首先在控制信道(信道0)利用控制时隙向接入基站发出话音通信申请,基站响应后将空闲话音业务信道的分配时隙号发送给申请用户,用户获得信道时隙信息后,在同步条件下切换自身跳频表,接入话音业务信道(信道2),并利用分配的时隙进行话音通信,直到话音业务完成后释放话音业务信道(信道2)的分配时隙,并回到控制信道(信道0)释放对话音业务信道(信道2)的控制。

由于数据用户在基站侧注册时已根据用户接入情况分配了各用户在控制信道(信道0)内的轮询时隙号,因此当用户突发数据业务时,首先在控制信道(信道0)响应轮询查询,获得空闲数据业务信道(信道1)的分配时隙号后,在同步条件下切换自身跳频表,接入数据业务信道(信道1),同时利用分配的时隙进行数据通信,在一个时帧结束后回到控制信道(信道0),响应基站发出的控制信息。如无其它抢占业务(如话音)则再次跳转到数据业务信道(信道1)继续1个时帧的数据通信,如此反复;如长期没有数据业务时用户可释放数据信道时隙,直到下次数据突发轮询时再重新分配新的业务时隙。如果用户在信道0接收到基站侧的突发业务控制信息(如话音呼叫),则优先响应突发业务,其信道控制方式按话音业务响应处理,直到突发业务结束后回到控制信道0重新响应数据业务。在实际的多信道跳频通信系统中采用集中式的控制设备同时对多个物理信道进行统一的调度处理可以更好的解决多个物理信道间的跳转和控制。

2 结语

本文通过提出一种应用于多信道跳频通信系统的信道接入及同步控制方法,适用于多个独立物理跳频信道在处理同步和话音、数据业务接入时的信道控制和分配技术,提高多信道跳频系统间信道同步的可靠性和业务信道分配效率,提升系统整体性能。文中所描述的时隙划分、部分时隙长度、帧结构长度和先后顺序仅是一种典型的设计方式,根据实际系统的不同特性可进行适当的调整和优化。其设计理念和机制是,利用可靠高效的帧结构设计,并通过各信道之间的有效同步调度,提高多信道跳频通信系统的同步可靠性和传输效率,可广泛应用于存在多个独立物理信道的无线跳频通信系统,尤其适用于窄带信道的无线军用跳频通信系统的接入与信道控制[6]。

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A Method of Channel Assignment for Multi-Channel Frequency-Hopping Communication System

XIE Yu
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

This paper presents the frequency-hopping(FH)synchronization and channel allocation control method of multiple physical channel FH communication system,which adopts the independent channel control to achieve the FH synchronous control among multiple physical channels.On the basis of multiple channel hopping synchronization,the channel control and the slot allocation of business channel is implemented with the efficient subparagraph polling,and more business users in other channels schedule are achieved by the control channel,thus to improve the utilization of channel,and can be widely applied to all multi-channel wireless FH communication system,especially the tactical wireless communication systems.

multi-channel frequency-hopping;frequency hopping synchronization;channel allocation

TN918

1002-0802(2014)08-0915-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.015