基于脉冲干扰的跳频网络同步和随机接入研究*

徐长月，黄高明，侯小阳

（海军工程大学电子工程学院，武汉 430033）

0 引言

脉冲干扰是指在接收机射频带内的短时间、大功率脉冲干扰。相比传统的连续干扰，脉冲干扰提高干扰效率的同时大大降低了平均干扰功率，其具备分布式多目标干扰能力和网络破袭能力，对无线通信网络具有极大的威胁[1]。在现今的数字通信技术中，脉冲信号干扰已被证实是最有效的干扰样式[2]。

跳频组网技术是目前抗干扰领域一种重要的通信方式，但是随着通信干扰技术的发展，这种技术面临着严峻的挑战[3]。

跳频粗同步又称跳频捕获，传统的跳频捕获方法有串行捕获、并行捕获和串并结合等3种方案[4]，这些捕获技术同步时间长、容易被侦查，一旦通信节点同步信息被干扰，跳频网络再次实现同步比较困难；跳频网络组网方式上，当前跳频网络通常采用如载波侦听多路访问CSMA协议的时分多址TDMA方式进行组网，节点间采用基于竞争关系的MAC协议，这样就需要一个中心基站来分配信道传输机会，提供时隙信息，但是这种方式存在基站机动性差、覆盖范围小等缺点，并且中心基站一旦瘫痪将给整个网络带来致命的打击[5]。

因此，基于上述问题，研究了在强烈的脉冲干扰下，基于敌方干扰信号实现跳频通信网络时间粗同步以及基于Boj-S-ALHOA协议随机接入技术。

1 基于干扰信号的无线电跳频网络时间粗同步

基于敌方信号的时间粗同步方法，能使己方的同步信号和敌方的信号几乎混淆在一起，使得敌方很难侦查捕获到，即使侦察到也使得敌方碍于干扰到本方的信号而难以实施有效干扰。

1.1 基于机会信号捕获原理

图1 基于干扰信号的无线电跳频网络时间粗同步示意图

和串行捕获原理实现时间粗同步原理相似，基于机会信号捕获方法利用本地频率跟接收到的跳频信号进行混频，仅当本地频率与接收频率相同时，进入带通滤波和平方律检波后的信号才有能量输出。在一定的检测时间内进行积分，当积分结果大于设定的门限值VT时就判断为捕获到一个频点，进入跳频跟踪阶段。如果没有超过门限，则继续校频。与串行捕获所不同，串行捕获是利用控制器在一系列跳频序列中进行相移搜索，而基于机会信号捕获方法则是收发节点端以接收到干扰机的频点（如干扰信号中心频率）为基准频进行对频。如图1所示，节点1和2对干扰信号进行检测分析，进行相应的变换并约定本地频率和发射频率后，最终实现跳频捕获[4]。

图2 基于干扰信号的无线电跳频网络跳频捕获示意图

设n（t）为高斯白噪声，接收机接收到的信号为：

本地载波频率合成器生成的载波为：

则解跳后得出的信号为：

设Th为每一跳驻留时间，则在时隙内，如接收机的本地频率与发射机发射频率wj以机会信号频率基准选取的频率无误，则，即。

信号经过混频后进入中频滤波器（中心滤波器为0，带宽为B），滤除高频部分经平方律检波后有：

设检测时间长度为L，则包络积分后的输出能量E为：

将输出的能量值E与设定的门限VT进行比较，如果大于门限值则意味着跳频捕获成功，进入跳频跟踪。而如果，则信号经过滤波器后将会被滤除，无能量输出，没有超出门限，说明捕获失败，继续基于机会信号进行较频。

2 基于脉冲干扰信号的Boj-S-ALHOA协议随机接入技术

图3 脉冲干扰模型

如图3所示，设脉冲干扰模型周期为T，发送干扰信号的脉冲时间占比为Dcycl，则不发送干扰信号的脉冲时间宽度占比为1-Dcycl，若干扰机平均发射功率为Pav，则在干扰信号的脉冲时间内的干扰功率为。脉冲干扰就是通过这种功率集中的方式，提高了干扰效率[1]。

脉冲干扰这种特性类似于S-ALOHA协议的导频信号分发特点，相当于将连续的时间划分成了一个个时隙。基于这种脉冲干扰特性，完全可以把该种信号来为跳频网络提供时隙信息。这种方法的基本原理类似于S-ALOHA协议，也是将时间划分成离散的时间片，节点只有等到一个时间片才能发送数据，因此，将这种协议简称为Boj-S-ALHOA协议。

与S-ALOHA相比，同样是通过把信道时间划分成离散的时间槽的方法，降低了信道产生的冲突概率。不同的是S-ALOHA协议需要用专门的中心节点或者基站来提供统一的时钟信号，而Boj-S-ALHOA协议则由敌方脉冲干扰信号提供。

在节点接入方面，遵循两个原则：

1）先听先发原则：节点一旦接收到干扰脉冲下降沿信号，就立即发送信息，如果在规定时间内收到应答，则表示发射成功，否则重新发送；

2）冲突重发原则：节点如果重新发送，就随机等待一段时间后再发送信息，如若再次冲突，则再次随机等待一段时间，直至发射成功。

基于干扰机信号的Boj-S-ALHOA方法，有两种情况，一是干扰机信号与节点的信道频段一致，其次是干扰机信号信道频段与节点的信道频段不一致。对于第1种情况，节点要避免在干扰机信号活跃的时刻发送信息；对于第2种情况，干扰机信号给节点提供时隙信息，却在不同的信道上发送信息，要求节点必须具有同时收发的功能。

3 基于干扰信号的无线电跳频网络性能分析

基于干扰信号的跳频通信网络抗干扰技术，以下将从跳频捕获的平均时间以及网络信道利用率两个方面分析。

3.1 基于干扰信号的跳频捕获时间

假设跳频序列长为N，即对应N个同步频率，跳频周期的驻留时间为Th。

串行方案中，假设发射机和接收机的跳频序列的相位差为均匀分布，在不考虑干扰情况下，同步捕获时间的期望为[4]：

并行方案中，接收到的信号要和所有本地频率支路混频，只有所有支路累加的和值达到最大值才能超过门限，完成跳频捕获，这就需要一个跳频序列周期来完成，因此，用公式表示为[4]：

基于敌方机会信号实现粗同步，从干扰信号或者雷达信号等机会信号发射开始，如图1所示，分别是收发节点和干扰机之间的相对距离，按照上述的原理，假设节点基于机会信号的频点选点精确，这样除了需要节点用来处理机会信号选频花费的时间 ，还需要一个跳频驻留时间依据门限来判断是否捕获成功，则实现同步捕获时间为：

3.2 基于Boj-S-ALHOA协议的跳频网络系统开销

在分析基于干扰信号的跳频网络信道利用率之前，首先分析跳频网络的系统开销。

图4 敌方信号覆盖范围及通信节点分布

假设节点之间不知道离敌方发射机多远，一旦探测到敌方脉冲干扰信号的下降沿就立即开始传输信息。但是，为了保证这个节点与敌方信号没有冲突，传输时间只有。设干扰机最大覆盖范围是D，则安全的节点传输时间为：。即由干扰信号传输延时造成的系统预计开销时间Tguard可表示为：

图5 干扰信号基带脉冲的时间分布

节点在探测到干扰信号下降沿的时候，在信号被发射之前有一段处理的时间，用TRF表示。

在实际情况中，干扰机信号在传输过程中受到噪声干扰，因而节点检测时解调器输出的基带脉冲存在着时间上的抖动，干扰信号Tgap不会是一个恒定的常数。设抖动产生的时间误差为Ts时，其概率为 cs，且则有：

设 F（·）为误差函数，则有

也即：

研究表明，这种时间上的随机抖动近似服从于均方误差为σ正态分布[6]，则有：

则整个过程主要由脉冲干扰宽度、干扰信号传输延时、节点信号处理时间以及接收信号时间上的随机抖动造成的系统开销可以归一化表示为：

3.3 基于Boj-S-ALHOA协议的跳频网络信道利用率

基于机会信号的跳频捕获技术，除了实现跳频捕获的时间因素，跳频网络的信道利用率也是另一个重要的考虑因素。

设信道利用率为S（即信道吞吐量），G为单位时间内的平均发帧数（即发帧率，包括发送成功和未成功的）。对于传统的纯ALOHA和S-ALOHA协议，其信道利用率各为[7]：

而对于在ALOHA基础上改进的载波侦听多路访问CSMA协议，设a为信道单向传播时延与帧的发送时间之比，则非持续，1-持续，P-持续型CSMA的利用率如下[7]：

基于干扰信号的Boj-S-ALHOA协议，本质上是S-ALOHA协议的改进型，除去上述的系统开销，则有：

4 性能比较分析

4.1 跳频捕获平均时间

对式（6）～式（8）3种平均捕获时间公式进行比较，对跳速为2 500 Hop/s，即每跳驻留时间为0.4 ms，且基于干扰信号选频消耗的时间 =0，进行仿真比较，如图6所示。

图6 不同序列长度下跳频网络平均捕获时间

从仿真结果来看，传统的并行捕获和串行捕获随着跳频序列长度的增加，平均捕获时间明显增加；尤其是串行捕获，当跳频序列长度很大时，平均捕获时间增加迅速；而基于干扰信号的捕获方法，平均捕获时间几乎是一个常数，这是由于这种方法只占用节点参考干扰机信号选频与经过一次门限判别消耗的时间。因此，从实际的捕获时间与实际应用中，参考干扰信号的跳频捕获方法，明显优于传统的串行和并行捕获方法。

4.2 系统开销

对式（15），在抖动时间误差概率分别在cs=0.9、cs=0.8、cs=0.7下，干扰信号占比Dcycl=0.2，干扰信号间隙Tgap=320 us，随机时间得均方误差σs=5 us，节点处理干扰信号时延TRF忽略不计，系统开销随节点与干扰机距离变化如图7所示。

图7 干扰机不同覆盖范围下无线电跳频系统开销

从图7中可以看出，系统开销随着与干扰机的距离增加而增加，这是因为干扰机距离变远，则相应的节点接收干扰信号的时延变长，而留有节点信号传输的时间变短；而随着误差概率的增加，系统的开销也会随之增加。

4.3 信道利用率与利用率

对式（16）～式（20）中，信道单向传播时延与帧的发送时间的比率a=0.1时进行仿真分析，如图8所示。可以看出，在这些协议下，Boj-S-ALOHA协议下的信道利用率，与传统的纯ALOHA、S-ALOHA以及3种CSMA协议相似，随着发帧率G变化而变化，先增大到极值后又开始减小直至为零；通过比较系统开销overhead=0.05与overhead=0.10，可以发现信道利用率随着系统开销的增大而减小；Boj-S-ALOHA协议下的信道利用率比纯ALOHA有所增加，但比S-ALOHA型的要有所损耗，这是由于Boj-S-ALOHA协议型是在S-ALOHA型演变而来，但系统开销影响了信道利用率，然而就干扰条件而言，Boj-S-ALOHA协议型显然更加合理。

图8 不同协议下信道利用率与发帧率关系

在这些协议下，信道容量与信道单向传播时延与帧的发送时间的比率a的关系，如图9所示。对于CSMA型而言，信道容量随着信道单向传播时延与帧的发送时间的比率增大而急剧减小，这是由于传输时延的增加导致信道反馈信息时间增长，造成信道容量的下降。CSMA这种特性，使得它适合应用在局域网（LAN）中，而不适合战术通信，这是因为局域网中有着近似恒定的信道传播时延，而在战术通信中各个节点的位置分布是不确定的。而ALOHA型不同于CSMA类型，它不需要感知信道状况，因此，其信道容量与a无关，是一个恒定值，比较适合战术通信。就Boj-S-ALOHA协议型而言，其信道容量虽不如S-ALOHA型，但比纯ALOHA协议型信道容量更大。

图9 不同协议下信道容量与信道单向传播时延和帧发送的时间之比关系

5 结论

现今的信息网络，面临着越来越多的干扰威胁，研究敌方干扰信号特性并利用敌方干扰信号来增强己方信息网络的坚固性，适应复杂的战场电磁环境，保障己方信息共享的通畅，具有重大的意义。本文就对数字通信方式最具干扰效果的脉冲干扰进行了深入的分析，提出了基于敌方机会信号的时间粗同步实现方法以及基于脉冲干扰信号的Boj-S-ALHOA协议随机接入技术，并给出了相应的仿真分析。基于脉冲干扰的无线电跳频网络的抗干扰技术，为干扰条件下的无线网络信息顺利传输提供了新的方法，对信息网络坚固性的提升具有很好的参考价值。