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基于无碰撞区码的跳频系统准同步组网方案

XXX

摘要： 本文工作受通信抗干扰技术国家级重点实验室基金和国家自然科学基金项目（NSFC/RGC No.60218001）资助。
作者XXX为西南交通大学计算机与通信工程学院研究生，四川成都610031，Email：xxx@。
根据无碰撞区（No-Hit-Zone简称NHZ）跳频码的特点，提出了一种基于NHZ跳频码的跳频通信系统多址接入准同步组网方案。仿真结果表明，该方案保证了跳频系统工作在NHZ跳频码的无碰撞区范围内，有效地降低了系统的多址干扰，改善了系统的整体误码率性能，适合于多用户跳频通信系统。
关键词：跳频通信 跳频序列 跳频同步 ALOHA

Quasi-synchronous Scheme for Frequency Hopping System Based on No-Hit-Zone Hopping Code
XXX
Abstract: According to the characteristics of No-Hit-Zone (NHZ) hopping code, a Multi-Access quasi -synchronous scheme based on NHZ hopping code for frequency hopping communication system was proposed. Simulation results prove that the scheme can assure the frequency hopping system to work within no hit zone of NHZ hopping code. Moreover, it decreases the Multi-Access interference and improves the integral bit error rate performance of the system, and is suitable for multi-user frequency hopping system.
Key Words: frequency hopping system; frequency hopping sequence; frequency synchronization; ALOHA

1. 引言
由于跳频通信在抗干扰、保密性以及多址通信等方面具有窄带通信无法比拟的优越性，所以在各类无线通信系统中得到广泛应用。在跳频通信系统中，组网是关系到跳频通信能否正常建立的关键。跳频组网方法主要有同步组网和异步组网。采用同步组网方法的跳频通信系统所用的跳频序列集在零位移处的汉明相关为零，各用户在统一的时钟下实施同步跳频，因而通信中不同用户的载波频率不会发生碰撞。异步组网则系统中各用户按各自的跳频序列工作，由于各用户之间没有统一的时间标准，因而异步组网时，用户间会发生频率碰撞。显然，这种频率碰撞的机会是随着用户数量的增加而增多。
根据跳频序列的理论界，不存在完全没有碰撞的理想异步组网跳频序列集。本文中采用跳频文献[1,2]所提出的无碰撞区（No-Hit Zone简称NHZ）跳频码，其在零位移附近一段时间内是无碰撞的。为了利用NHZ跳频码的优点，跳频系统需保证工作在跳频码的无碰撞区内，即系统组网时待通信的发信机之间既不是严格的接入同步，也不是完全异步，而是接入准同步。根据ALOHA/CSMA协议思想[3]和NHZ跳频码特点，提出了一种基于无碰撞区码跳频通信系统的多址接入准同步方案，并应用于跳频通信系统中，用MATLAB对其进行仿真，比较分析了系统的仿真结果。

2． 无碰撞区及其新型NHZ跳频码
为了降低甚至消除系统的多址干扰，可以采用在一定相关区域内具有理想相关特性的序列，即新型无碰撞区跳频序列[1][2]作为用户的地址码。无碰撞区的定义为：假定有集合，

其中，，为序列的数目，为序列周期。若分别用和描述自相关函数和互相关函数的无碰撞区的宽度，表示跳频序列的无碰撞区的宽度， 则

相应的无碰撞区跳频序列N(L,M,ZN)具有如下相关特性，

其中，如果x=y，则h(x,y)=1，反之h(x,y)=0。
例如，若长度L=32，序列数目M=4，无碰撞区ZN=2，则相应的NHZ跳频序列集[1]为，
N(1)={28 30 29 31 24 30 17 31 1 28 2 31 1 24 6 23 11 9 21 23 15 9 25 23 22 11 10 23 22 15 14 31}
N(2)={7 5 14 12 28 26 29 19 26 7 17 12 5 28 10 27 16 18 6 4 11 13 21 27 13 16 25 4 18 11 2 19}
作为同步源开始通信
N
N
结束通信？
Y
停止发送拒接同步头，结束通信
Y
N
Y
发送拒接同步头同时接收其他同步头
收到接入同步头？
超过延时？
N
结束通信？
Y
N
A
B
暂时中止传送数据，触发一个定时器
N
开始
监听信道
有同步源？
A或B准同步头
接入开始通信，选择起跳时刻
Y
在定时器期间监测到同步源？
关闭定时器，开始通信
结束
Y
图1 多址接入准同步方案流程图
N(3)={11 9 21 23 15 9 25 23 22 11 10 23 22 15 14 31 28 30 29 31 24 30 17 31 1 28 2 31 1 24 6 23}
r(t)
BPF
检波器

搜索控制
时钟控制
时钟
PN序列发生器
频合器
图2 搜索自等待式同步方法
N(4)={16 18 6 4 11 13 21 27 13 16 25 4 18 11 2 19 7 5 14 12 28 26 29 19 26 7 17 12 5 28 10 27}
其汉明自相关和互相关函数分别为
Huu(τ)={xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 00 32 00 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx},
Huv(τ)={xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 00 0 00 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx}.

3. ALOHA通信与CSMA协议
ALOHA网首次在无线信道中引入了数据包(又称分组)广播这一结构，这种结构与传统的点对点信道及分组交换网有很大不同，故称之为ALOHA信道[3]。通过这一公共的广播信道，网中的每个用户随时都可以给另一用户发送信息，完全不需要同步。ALOHA信道的主要优点是：
图3 跳频通信系统误码率曲线比较
(1) 允许大量间断性工作的发射机共享同一信道；
(2) 利用ALOHA信道进行数据通信时，中心台或服务器只需要一个高速接口，而不必为网中的每个用户提供一个单独的接口。
ALOHA多址通信是指采用ALOHA信道结构的通信。目前，已设计了多种用于卫星通信和地面通信的ALOHA多址协议，其中最基本的有三种：ALOHA，分隙ALOHA和预约ALOHA。除了上述三种协议外，还提出了各种各样的ALOHA随机多址协议，其中比较著名的是载波监听多址(CSMA)和分组预约多址(PRMA)。
CSMA多址协议的原理：采用“先听后发”的原则来减少“碰撞”，即网络中用户将其接收机调到公用的载波频率上，以便监听是否有其它用户在使用信道，若发现信道闲，则发送信息，否则一直等待，直至无其它用户使用信道为止。

4. 跳频通信系统多址接入准同步原理及实现
在网络中进行通信的用户，以最先接入网络进行通信的发信机作为同步源，周期性地发送准同步头。延迟入网的发信机在接入网络时，先监听信道，当收到准同步头时接入网络，其与同步源从同一时刻开始跳频，使得发送信息采用的跳变频率起跳点控制在跳频码的无碰撞区内，从而保证跳频通信网中工作的各发信机控制在跳频码的无碰撞区内。多址接入准同步的实现流程图如图1所示。
多址接入准同步方案利用了NHZ跳频码的优点并借鉴了ALOHA通信CSMA协议。多址接入准同步方案与CSMA协议均采用“先听后发”的原则来减少“碰撞”。在CSMA协议中，信道始终只有一个
用户在占用。而在多址接入准同步方案中，信道可以多个用户同时使用。
准同步头用来控制发射机之间的接入准同步，有三种格式：
A. 接入准同步头（设为A）：当其它发信机收到这个准同步头时，可继续通信或接入通信；
B. 拒接准同步头（设为B）：当前发送准同步头的发信机要结束通信时所传送的信息。为保证切换过程准同步源的唯一性和可靠性，退出前准同步头要再循环发送一段时间（即结束前有一段延时），在延时阶段所发送的准同步头要区别于之前的准同步头。其它发信机收到拒接同步头B时，暂时中止传送数据，并触发定时器开始竞争作同步源；
C. 切换同步头（设为B’）：在切换时竞争作同步源成功，在第一个周期发送B’，以后发送A；当其它发信机收到这个同步头时，可继续通信或接入通信。
在监听过程中，采用搜索自等待式同步方法[5]。搜索自等待式同步方法的工作原理即接收端在同步捕获之前保持在跳频序列对应的某一频率上，等待发信机的信号，一旦检波器得到相关输出，则认为是捕获到了同步而与发信机同步进行跳频。搜索自等待式同步方法的流程图如图2所示。

5. 多址接入准同步方案性能分析
（1）多址接入准同步头捕获时间：
在多址接入准同步方案中，发信机之间先进行的是准同步头的捕获，然后才是收发机的收发同步过程。在对准同步头进行捕获时采用的是搜索自等待式同步方法，因此其性能与搜索自等待式同步方法的性能基本相同[4]。
为了便于比较，本文分别给出匹配滤波法，滑动相关法及准同步的同步捕获时间。定义切普时间为（S），跳频序列长为，则，
匹配滤波器法的捕获时间为：
滑动相关法的捕获时间为：
准同步的捕获时间为： （>>1）
经比较可知，匹配滤波器的捕获时间最短，但实现电路很复杂；滑动相关法的捕获时间最长。准同步法捕获时间较短，电路简单。
（2）性能仿真与结果分析比较：
表1 系统仿真参数
采样速率
跳频工作带宽
信道间隔
跳频速率
信道
400KHz
10K-50KHz
250Hz
480h/s
AWGN
基带信号速率
调制方式
RS跳频码[6]
NHZ跳频码

160Hz
BFSK
（27-1,5）
（128,8,4）

为比较和分析本文多址接入准同步方案的性能，用MATLAB对基于上述多址接入准同步方案及NHZ码的跳频通信系统进行了仿真，仿真参数如表1所示。系统在不同用户数和不同信噪比条件下的误码率曲线如图3所示，由该图可见：
①本文提出的多址接入准同步方案是可行的；
②当跳频系统是单用户时，采用NHZ跳频码的新型多址接入准同步方案的跳频通信系统与采用RS码的跳频通信系统性能基本相同；
③当跳频系统是多用户时，采用NHZ跳频码的新型多址接入准同步方案的跳频通信系统优于采用RS码的系统。
仿真结果表明NHZ跳频码及本文所提出的接入准同步方案在单用户跳频通信系统中优势不明显，但在多用户跳频通信系统中误码率性能会有明显改善和提高。本文提出的多址接入准同步组网方案，由于保证了通信系统发信机间的时延在跳频码的无碰撞区内，因而系统的多址干扰明显下降，使系统的整体误码率性能得到改善。因此，无碰撞区跳频码及本文所提出的接入准同步组网方案能有效降低系统的多址干扰，适合于多用户跳频通信系统。

6. 结论
根据无碰撞区跳频码的特点，基于ALOHA/CSMA协议思想，提出并实现了一种接入准同步组网方案及其跳频通信系统。该方案使得通信双方在通信前发射端先进行多址接入准同步，保证通信系统工作在无碰撞区范围内，从而体现了无碰撞区跳频码的特点，降低了系统的多址干扰，提高了系统的性能。仿真结果表明，无碰撞区跳频码及本文所提出的接入准同步组网方案适合于多用户跳频通信系统，方案可行, 在多用户环境中优于采用RS码的系统。

7. 参考文献
[1] Xiaoning Wang, Pingzhi Fan, A Class of Frequency Hopping Sequences with No Hit Zone[A]. Proceedings of The Fourth International Conference on Parallel and Distributed Computing, Applications and Technologies[C]. August 27-29, 2003 Chengdu, China. pp.896-898.
[2] W. X. Ye and P. Z. Fan, Two Classes of Frequency Hopping Sequences with No-Hit Zone[A]. Proceedings of the Seventh International Symposium on Communications Theory and Applications (ISCTA’2003)[C]. July 13-18, 2003. Ambleside, U.K., pp. 304-306.
[3] 郑碧月，赵广金，姜辉，扩展ALOHA随机多址通信技术，信息技术，2002年第4期，pp.10-13
[4] 郭黎利，跳频通信中一种缩短同步捕获时间的方法-----位移等待式自同步方案，哈尔滨船舶工程学院学报，1994年12月第15卷第4期，pp.70-77
[5] 郭黎利，卢盛杰，短波跳频通信系统的同步，黑龙江通信技术，1994年第3期，pp.6-13
[6] 王育红，一种基于RS码的跳频码序列的编写方法，遥测遥控，2002年第23卷第3期，pp.11-14