基于TDMA的自组网系统跳频同步研究

孟旭东

摘要：自组织网络动态的分布形式以及无中心节点的网络结构特性使得跳频的频率同步成为其核心问题之一。本文主要讨论完成跳频同步的前提条件，介绍了几种常见的跳频同步方法，并提出了一种基于同步字头法的频率同步方法，详细介绍了其特殊帧结构及同步序列的选取，并完成了该方法同步性能的仿真，该方法可适应于自组网传输系统，具有抗阻塞式干扰能力且同步可靠性高。

关键词：跳频同步；TDMA；自组网

中图分类号：TN911文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）16-55-5

0引言

跳频通信系统是载波频率按照一定的跳频图案在相对较宽的频率范围内随机跳变的通信收发系统，系统的抗干扰能力强、保密性好、频谱利用率高，并且具有抗多径、抗衰落的性能。

通信的首要問题是搜索和消除收发端频率和时间差。组网是在通信的基础上，解决全网频率和时间差。跳频同步是频率和时间的同步，保证发射机和接收机两端在同一时间范围内的载波一致性，及其两端频率跳变规律的一致性。

自组织网由于其系统动态的分布形式以及无中心节点的网络结构特性，跳频同步是组网通信的关键和难点。跳频同步的设计还与移动速度、通信距离以及抗干扰要求等密切相关。

1同步条件

通信系统实现接收跳频信号的前提条件是，收发双方必须实现跳频同步，即跳频发射机与跳频接收机在同一相对时间使用相同的频率。

跳频同步的内容包括：

①全网跳频频率集相同；

②全网跳频图案相同；

③全网跳变的起始时间一定范围内相同，即时间基准相同。

为保证跳频通信的保密性，跳频图案在不同的时隙不应该重复，而应该做伪随机变化，跳频图案伪随机跳变的周期越长，则敌方破译难度越大。基于时间（Time of Day，TOD）信息控制的跳频图案不仅具有良好的伪随机特性，而且能保证子网中所有节点具有一致的跳频图案。

基本思想是采用小m序列和TOD信息联合控制伪随机码的状态，并由伪随机码的状态映射到相应的跳频频率点上。跳频同步流程如图1所示。

跳频同步性能的好坏对于跳频通信系统性能有极大的影响，跳频同步性能要求：自动、快速、可靠、抗干扰性好、同步信号的隐蔽性（抗侦察性能）、失步后能迅速恢复同步。

2同步方法

目前，跳频同步技术方法主要包括：外同步法、自同步法以及多元组合法。

2.1外同步法

外同步法是指不单纯依赖于通信系统本身，借助外界条件而实现跳频同步的方法，常见的是参考时钟法。

参考时钟法是指用高精度时钟（GPS/北斗等）作为全网的参考时钟，所有网内节点照此来调整本节点的时间基准，完成时间同步。全网预知频率集与跳频系列，从而发射机和接收机都基于同样的时间基准进行跳频信号的发送和解调。该办法具有实现简单、同步快的特点，但对时基的精度和稳定度要求极高，且违背了自主织网通信理念，对外部时钟极度依赖，抗打击能力差。

2.2自同步法

自同步法相对于外同步而言，仅通过通信系统本身完成跳频的同步，在电磁环境极其复杂的战场上，过于依赖外部条件会导致系统的生存能力下降。自同步的过程一般需要先完成频率同步，再通过接收到的有效信息完成时间同步。

同步方法主要包括同步字头法、特征自同步法等。同步字头法是在通信建立前先传送携带有同步信息的数据帧，即同步字头，接收端利用收到的同步信息实现同步。同步字头中包含完成频率同步的全部或部分信息，接收机依照同步信息实现跳频同步。特征自同步法是指通过发射机发送的信息序列中隐含同步信息，接收机将该同步信息提取出来，从而实现跳频同步的方法。采用特征自同步法不需要发射同步码字，可达到无信息功率损失。特征自同步法可根据相关原理直接从接收信号中提取同步信息，在节省频率资源和信号功率方面具有优点，但是信息序列中所能隐含的同步信息非常有限，受恶劣环境影响较大。此方法只适用于简单跳频序列的跳频系统，且同步建立的时间较长。因此，目前高速跳频系统通常采用同步字头法。

建立采用同步字头法的跳频通信系统中，为了接收完整的同步信息，可采取多种措施，包括快跳慢跳法、搜索停止法和并行接收法等。

快跳慢跳法是在系统跳频同步之前，某一端采用区别于正常跳频周期进行跳频，设采用（>1的整数）倍于正常周期，保证同步信息能够完整接收并解析，完成同步。

搜索停止法首先将本地码与接收到的跳频信号进行匹配滤波运算[1]，然后在检测时间内，判定运算结果是否超过门限值（门限可设定绝对值与能量值相结合），若没有，则表示没有跳频同步，继续按照跳频序列发生器进行跳频工作。一定时间调整序列发生器时钟，如此往复，直到检测时间内，本地码与接收跳频信号的匹配运算结果超过门限值，停止跳频工作，直至收完本次跳频突发帧，解析跳频同步信息，完成同步。

并行搜索算法于1981年由Polydoros等[2]提出，其具体工作原理是，对应于多个频点，接收机具有对应数量的多路并联的匹配滤波器，对发射机的跳频信号与接收机信号相关运算的结果进行检测，结果大于门限的那一路频点即为捕获到的发射机频率，从而实现跳频同步。由此可见，该算法需要的硬件成本较高，与频点数量成正比例关系，频点越多则硬件成本越高。

3自组网系统同步

针对自组网通信系统，本文基于同步字头法介绍一种改进的组网跳频同步方法，该方法能够完成在低信噪比下同步信号的识别，且具有较强的抗阻塞式干扰能力。

3.1同步字头法帧同步

格雷互补序列相关器只需要个乘法器、个加法器和个减法器，实现算法简单，节省硬件资源，在通信和雷达领域应用广泛。

针对跳频系统，利用格雷互补对设计的突发帧的帧结构，如图4所示。

利用4段重复序列，设计前导匹配滤波器，其由7阶GHGS匹配滤波器、延时差分以及PreambleC匹配滤波器三部分组成，如图5所示。

对Preamble分别做差分匹配滤波，差分间隔128个符号，GHGS7匹配滤波器对7阶（128长度）的GHGS序列进行匹配滤波，得到匹配滤波结果。过匹配滤波器后的结果如图6所示。

对匹配滤波结果做间隔个符号的延迟自相关。自相关之后的结果如图7和图8所示。

利用Preamble C匹配滤波器对相关信号能量进行收集，Preamble C匹配滤波器时域如图9所示。

经过滤波后，输出结果如图10所示。

3.2信号识别与确认

以上同步字头法，其高峰值特点即使在多径条件下，效果依然很好。下一步需要对信号进行识别与确认：第1步，根据前导匹配滤波后结果与预设的门限值阈值进行比较，并且采取相应措施防止峰值位置的误判；第2步，计算当前接收信号能量，当滑动前导匹配滤波器输出结果大于当前POWER（信号能量×系数）信号能量时，锁定并识别信号，完成信号确认。

3.3快慢跳法

簇头节点周期性发送同步信号，该簇头节点一跳范围内的邻居节点具备入网和跳频通信的能力。为保证抗干扰能力，同步信号需要在多个频点上发送，为正常频率集子集。簇头节点以较低的跳频周期发送同步信号，其他节点以正常跳速度侦听同步信号，簇头节点和其他节点预先知道跳频图案。

基本工作方式：

①以2000跳/秒的跳频通信系统为例，将每个子网的簇头节点作为时间基准节点。该节点发送同步信号，跳频速度为250跳/秒，跳频周期为4 ms，分别在8个频点（频率集子集）上发送同步信号。因此，每秒钟需要消耗32 ms发送同步信号。

②子网中其他节点分为已入网节点和未入网节点。对于未入网节点，则在已知的8个频点上持续侦听网络中的同步信号。跳频速度为2 000跳/秒，跳频周期为500 us。该从节点在4 ms内能侦听所有8个频点信号。当簇节点发送同步信号时，该从节点能在32 ms內能侦听到所有8个频点上的同步信号，即使网络中部分频点被干扰，该从节点依旧以很高的概率至少能侦听到一个频点上的同步信号（50%频点被干扰时，所有8个频点均被干扰的概率为0.39%）。从节点只要侦听到一个同步信号，即可完成时间同步。

③对于已入网节点，大部分时隙需要用来发送或者接收信号，不能持续侦听网络中的同步信号。已入网节点完成了时间同步，因此获得了子网中的时间基准信息，只需周期接收簇头节点的同步信号，更新时间信息，防止时钟漂移过大引起的时间信息不准确。

4结束语

本文自同步法中，快跳慢跳法采用发射端慢跳，接收端正常跳速，发送端发送信息量为倍接收端的重复，保证信息传达的同时，兼具抗干扰能力；在多元组合法中应用独立信道与步进搜索相结合的方法解决迟入网和跨网等问题。

随着需求的多样化，更高跳速、优化的跳频序列以及自适应跳频同步等还可以进一步研究。此外，某些特殊系统还可充分利用多种方法进行组合，适配系统特殊需求。例如：

特殊系统①：外同步+自同步法

窄带的通信系统中，由于传输有效信息有限，在进行时间同步时，不能完全地传输精确信息。可以利用外同步进行粗校准，如对表法等，把时间限定在某一误差范围，再传输误差范围的基准信息即可完成精确同步。

特殊系统②：并行搜索+步进搜索

超远距离通信中，为了减少传输保护预留时间，可采用并行搜索与步进搜索相结合的办法。假设时隙对齐，发射端在F1频点传送的信息，接收端已经跳到F2频点，可以通过并行的方式在通道2并行接收完成同步，可以提升同步效率、减少传输保护预留时间、减少握手冗余信息传输。

特殊系统③：独立信道+步进搜索法

自适应跳频通信系统中，根据信道状态，利用频谱感知技术，对频率集进行更新，若已入网同步节点通过感知信息已经切换了频率集，此时迟入网节点未知新的频率集而无法入网，可利用固定的或者无业务的空闲时隙切换到原来的频率集进行迟入网的频率同步。原来的频率集为独立信道，新的频率集根据感知信息实时更新。

此方法还可用于跨网系统中，同步正交组网中所有的网都在统一的时钟下使用同一个跳频图案进行同步跳频，但每个网的频率顺序不同，因此在相同时刻不同网络使用的频率都不同，这样在网间任一时隙均不会发生频率的碰撞。各网都使用同一张频率表（但频率顺序不同），理论上有多少个跳频频率就可组成多少个正交跳频通信网。由于网间均为正交频率，网间通信问题可采用独立信道与步进搜索相结合的方法，跨网节点，固定或空闲时隙均可切换到网间其他的正交频率集进行通信。

参考文献

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