周期统计型TDMA动态频率选择算法

刘宏伟，罗卫兵，李德梅，郑垚睿

(1．武警工程大学，陕西 西安 710086; 2．武警内蒙古总队，内蒙古 呼和浩特 014000)

周期统计型TDMA动态频率选择算法

刘宏伟1，罗卫兵1，李德梅2，郑垚睿1

(1．武警工程大学，陕西 西安 710086; 2．武警内蒙古总队，内蒙古 呼和浩特 014000)

时分多址接入(TDMA)技术是利用时间的正交性实现信道共享，网内各个站点按照时隙方式工作，不存在发生碰撞和相互竞争问题，具有很强的抗干扰能力。但在复杂电磁环境下，由于定频通信模式的限制，其抗干扰性能下降明显，针对这一问题，提出一种周期统计的TDMA动态频率选择(DFS)算法，给出了算法处理过程，并进行了理论分析及实验。结果表明，在复杂电磁环境下，算法可以增强TDMA网络的抗干扰能力，提高系统吞吐量。

TDMA；抗干扰；动态频率选择；周期统计

0 引言

时分多址接入(Time Divide Multiple Access，TDMA)技术具有较强的抗干扰能力［1］，然而，在复杂电磁环境下，不同通信设备之间互相干扰严重，导致背景噪声加剧，TDMA的抗干扰性能明显下降，实际通信效果受到严重制约。广泛应用在IEEE 802．11［2］和HiperLAN［3］等无线网络中的DFS算法，可以自适应地调整频率躲避干扰，是一种提高抗干扰性能的有效方法。文献［4－6］中通过频率判决方法的改进进一步优化了动态频率选择算法，但仅仅局限于发现干扰，躲避干扰，并没有针对系统整体性能进行优化。文献［7］中利用经典算法实现了系统整体性能，但是其算法复杂度高，对基站系统运算资源要求较高，系统损耗较大。复杂电磁环境下，干扰是随机变化的，节点的移动性，每时每刻的测量值都不同，但是其期望值以及方差变化不大［8］。

1 周期统计的DFS算法工作原理

描述算法过程前首先定义频道质量Q(f)来表征信道f的受干扰程度。测试和理论分析表明自身干扰的大小与移动终端的地理位置、相邻同频AP重叠区内终端的数量以及整个系统所加载的业务量大小都有关系，所以干扰值是个随机变量，Q(f)也是个随机变量。系统单位时间内的丢包数量以及系统时延能够直接反映频道质量，因此提出一种以平均丢包率和时延作为标准的频道质量判决方法，CPE在测试阶段连续发送测试包，AP通过统计测试阶段测试包的平均丢包率和时延来判决测试频道的质量，则频率f对于CPE的信道质量Q(f)公式可表示为:

式中，f为测试频率;p0是测量周期内发包总数;p是测量周期内丢包总数;c是丢包率门限值;t0表示信道空闲状态下接收包的时延门限值;t是测量周期内接收到的包的平均时延;当Q(f)=1时，频道f定义为好频率，加入好频率集合集合fg;当Q(f)=0时，频道f被定义为坏频率，加入坏频率集合fb;实际应用中c和t0受不同业务类型影响，Q(f)值实际上反映了跳频周期内，频道f是否能够保证CPE实现相应业务类型数据的高速可靠传输。

周期统计型TDMA动态频率选择算法按照时间顺序可分为4个阶段:初始化阶段、测试阶段、运行阶段和调整阶段。各阶段具体过程如下:

①初始化阶段:网络内CPE向AP发送入网请求，接入点AP根据节点CPE的入网请求，关联相关CPE并记录所有已入网节点信息;AP以广播的形式向所有关联CPE发送测试请求帧，CPE收到测试请求帧后，进入测试阶段;

②测试阶段:AP及CPE扫描所有可用信道，根据频道质量判决机制对可用频道进行分类，形成初始好频率集合fg和初始坏频率集合fb，CPE形成测试报告，以测试报告帧形式向AP发送频道质量信息，AP根据各CPE测试报告及自己测量结果，随即选择使用好频率集合fg中频道f，进入运行阶段;

③运行阶段:CPE向AP发送数据发送请求帧，AP根据各CPE数据传输请求开始轮训调度，网络间隔Tdfs时长进行一次频率变换，变换周期内，每Tdfs/m时长利用DFS帧向所有CPE发送信道切换声明信息元素，CPE只要在频率变换之前收到通告信息，就会在下一个跳频时刻按照预告频率表进行频率变换;

④调整阶段:初始阶段之后，关联CPE默认在跳频间隔前进行频道质量测试并向AP发送测试报告信息，AP收到测试报告信息后，更新fg和fb，AP从集合fg中选择频率f，进入运行阶段。

2 算法性能分析

2.1 收敛性分析

算法的收敛性证明主要是指在存在干扰的情况下，频率的周期性变化能否确保系统干扰收敛。虽然应用网络环境不同，但是可以采取与文献［9］类似的方法保证算法的收敛性。

2.2 吞吐量分析

考虑点对多点(PTMP)模式，一个基站AP，m个接入点CPE，N个备选频率，i个干扰源。假设AP为TDD双工工作方式，与CPE同频，CPE与干扰源分布在半径a的区域范围内，均采用半双工工作方式，发送功率相同。在跳频间隔T时长内，发送分组的概率为p，接收分组的概率为1－p，如果节点(包括CPE及干扰源)在网络覆盖范围内的分布位置服从泊松点过程，节点分布密度为λ，那么，根据泊松分布性质，在每个时隙宽度T0时间内发送分组的节点数目服从参数为pλ的泊松分布，因此，在T0时间内有k个节点发送分组的概率可以表示为:

则k个CPE发送数据的概率可以表示为:

k个干扰源产生干扰的概率可以表示为:

若对于第k个CPE，每个数据分组成功传输的概率为Qs(k)，信息传输速率为R，则单位时间内网络成功发送数据分组的平均数量，即系统上下链路总吞吐量可以表示为:

假设无线传输环境为瑞利衰落信道，P0，PI均为随机变量，那么其概率密度函数可表示为［10］:

则干扰功率的联合密度函数可表示为:

由式(6)可得:

由式(7)、式(8)、式(9)可得，在每个跳频间隔内发送分组的节点k，在干扰源数为i的情况下，分组被正确接收的平均概率ps(k)可以表示为在多维随机变量Ep和Er上求ps(k)的期望:

代入式(5)可得，在跳频间隔内存在i个干扰源的情况下，其系统吞吐量为:

引入DFS算法后，系统损耗为跳频间隔内DFS通告及测量结果上报所占用的时隙，假设经过DFS测量后，则其系统吞吐量为:

式中，tm为跳频间隔前CPE的信道质量测试时间，ntdfs表示跳频间隔AP向CPE发送n次DFS帧的时间。

由式(13)可得以下结论:i个干扰点的情况下，通过降低干扰产生概率Gi(k)可以使系统吞吐量实现i次方的提升。

不同干扰情况下，算法存在最佳频率变换周期使得系统吞吐量最优。频率变换周期决定干扰检测准确率和系统损耗，干扰点数量一定的情况下，随着频率变换周期的减小，系统损耗增大，干扰检测准确率增大。频率变换周期较小或者较大时，系统损耗或干扰检测准确率都会制约系统吞吐量，只要选取合适的频率变换周期就能实现系统吞吐量最优。

3 实验与结果分析

实验环境参考文献［12］描述的硬件平台，设置有1个AP，10个CPE，按照星型拓扑结构分布，5个干扰源，随机放置。加入频率选择功能，设置调制方式为QPSK，带宽为20 MHz，备选频率数为10。网络带宽测试软件采用IxChariot，测试指标为不同干扰源及频率变换周期Tdfs下的系统的吞吐量。

跳频间隔为500 ms时，不同干扰情况下本文算法与文献［12］所提算法系统平均吞吐量对比如图1所示，在理想情况下，算法产生系统损耗导致了吞吐量的降低，但是随着干扰的增加，与未加入DFS算法的文献［12］所提算法相比，系统的吞吐量有了明显提高。这说明在干扰较强时，本文算法可以优化信道，实时避开干扰，提高系统性能。

图1 不同干扰下吞吐量对比

干扰源数量为5时，不同跳频间隔对吞吐量的影响如图2所示，随着跳频间隔的增大，系统吞吐量先增大后减小，在300 ms时，系统吞吐量达到最优。实验结果与上节理论分析结论相同，这说明算法系统损耗与抗干扰性能存在相互制约的关系，在干扰源数量一定的情况下，存在最佳频率变换间隔使得系统吞吐量最优。

图2 不同跳频间隔吞吐量对比

4 结束语

本文提出的周期统计的DFS算法，通过发送测试包的方式进行周期性的信道质量估计，可以及时的发现受干扰频点，躲避干扰，增强TDMA网络在复杂电磁环境下的抗干扰能力，提高系统吞吐量。相比传统动态频率算法，本文算法可以实现类似慢跳频的功能，提高了网络的保密安全性能。跳频技术作为目前军事通信抗干扰的主要手段之一［13］，虽然也能够实现抗干扰以及保密功能，但是系统损耗严重。本文算法在实现抗干扰的前提下，提高了系统保密性能，可以应用于军事抗干扰通信中。实验分析表明，在不同的电磁干扰环境下，可以通过优化算法中频率变换间隔这一参数实现系统吞吐量最优。

［1］王塬琨，毛玉泉，丁笑亮，等．一种基于优先级的TDMA动态时隙分配算法[J]．舰船电子工程，2009(11):83－86．

［2］Brian P C，Indra W，Jeong G K，et al．IEEE 802．11 wireless local area networks[J]．IEEE Communications Magazine，1997，35(9):116－126．

［3］ETSI TR 101 683 V1．1．1(2000－02)，Broadband Radio Access Networks(BRAN)，HiperLAN Type 2;System O-verview[S]．

［4］Jorg H，Gerd Z．Impact of decentralizedadaptive frequency allocation on the system performance of HIPERLAN/2［C］∥2000 IEEE 51stVehicular Technology Conference Proceedings，Tokyo，2000:895－900．

［5］许国军，沈连丰，胡静，等．小区域移动通信系统动态频率选择算法的研究[J]．电子学报，2003(10):1598－1600．

［6］姜静，曾艳，孙长印，等．基于联合优化的WLAN动态频率选择改进算法[J]．电讯技术．2013，53(7): 873－877．

［7］许国军，沈连丰，宋铁成，等．WLAN/WPAN环境中模拟退火动态频率选择算法的研究[J]．通信学报，2004，25(5):60－66．

［8］Christer J，Jonas N，Magnus M．EricssonRadio Systems AB，Adaptive Frequency Allocation of BCCH Frequencies In GSM［C］∥Proceeding 45th IEEE VTC，USA，1995 (1):107－111．

［9］许国军，沈连丰．WLAN/WPAN系统中DFS算法参数对性能的影响[J]．东南大学学报:自然科学版，2004，03，34(2):143－147．

［10］Hou ting-chao，Victor L．Transmission Range Control in Multihop Packet Radio Networks[J]．IEEE Transactions on communications，1986，34(1):38－44．

［11］Elvino S S，John A S．Optimum Transmission Ranges in A Direct-Sequence Spread-Spectrum Multihop Packet Radio Network[J]．IEEE Journal On Selected Areas In Communications，1990，8(5):762－771．

［12］史明伟．基于IEEE 802．11硬件平台的TDMA多址协议设计与实现[D]．西安:西安电子科技大学，2013．

［13］杨同茂．军事通信抗干扰技术的发展现状及趋势[J]．通信技术，2014，7(47):707－712．

Dynamic Frequency Selection Algorithm Based on Cycle Statistics in TDMA

LIU Hong-wei1，LUO Wei-bing1，LI De-mei2，ZHENG Yao-rui1
(1．Department of Information Engineering，Engineering University of CAPF，Xi'an Shaanxi 710086，China; 2．Headquarters，Inner MongoliaUnit of CAPF，Huhhot Inner Mongolia 014000，China)

The Time Division Multiple Access(TDMA)network uses time orthogonality to achieve channel sharing and various nodes of network work in term of timeslot mode，so collision and competition do not exist．However，in the complex electromagnetic environment，the anti-jamming performance degradation of TMDA decreases obviously because of the limitation of fixed frequency communication mode．In view of this problem，a dynamic frequency selection algorithm based on cycle statistics in TDMA is put forward．The processing procedure of the algorithms is given，and the theoretical analysis and experiment are performed．The results show that the algorithm can enhance the anti-jamming capability of the TDMA network and improve the system throughput in the complex electromagnetic environment．

TDMA;anti-jamming;DFS;cycle statistics

TN919．4

A

1003－3114(2015)05－50－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.13

刘宏伟，罗卫兵，李德梅，等．周期统计型TDMA动态频率选择算法［J］．无线电通信技术，2015，41(5):50－52，63．

2015－05－06

国家自然科学基金项目(61309008)

刘宏伟(1991—)，男，硕士研究生，主要研究方向:军事信息学。罗卫兵(1969—)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向:军事信息学。