基于智能跳频的短波无线接入网抗干扰性能分析*

段瑞杰，姚富强，李永贵，梅雪艳，齐扬阳

(1.解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007；2.南京电讯技术研究所，江苏 南京 210007；3.解放军73903部队，福建 厦门 361100)



基于智能跳频的短波无线接入网抗干扰性能分析*

段瑞杰1,2，姚富强2，李永贵2，梅雪艳2，齐扬阳3

(1.解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007；2.南京电讯技术研究所，江苏 南京 210007；3.解放军73903部队，福建 厦门 361100)

摘要：针对短波无线接入网采用半双工定频通信方式，存在抗人为干扰的迫切需求，将智能跳频技术引入短波无线接入网，仿真分析智能跳频短波无线接入网的各抗干扰性能指标变化情况；同时针对使用智能跳频通信的各子网内用户用频混乱，互扰严重的问题，将子网内的用户用频建模为基于Markov排队理论的智能用频方式。仿真结果表明，使用排队的智能跳频与使用定频通信相比，可明显降低用户通信的掉线率及互扰率，并能够提高抗干扰能力。

关键词：短波无线接入网；智能跳频；定频通信；Markov排队模型；抗干扰能力

0引言

短波无线接入网是机固一体的接入网络，其虽然具有自适应接入、可通率高等优势，但是仍然存在抗人为干扰能力不足，并且其物理层是网系抗干扰的第一道防线和基础[1]，是被侦察、截获、接入、干扰的重点目标，理论上可能在全球范围内被攻击。为此文献[2]提出了将智能跳频技术应用于短波无线接入网从而提高其抗人为干扰能力的思路。

智能跳频(Intelligent Frequency Hopping,IFH)是一种与通信电磁环境感知、动态频谱配置相结合的基于认知环路的动态频谱抗干扰技术。其通过对授权频谱的自主非对称配置与动态调整，能明显改善用户对恶劣电磁环境的适应能力，有效提高抗动态、时变干扰的能力。因此，将智能跳频技术应用于短波无线接入网，有望提高其频谱资源的高效、动态使用和动态抗干扰能力水平。

另外，若将智能跳频技术应用于短波无线接入网，则各子网(短波无线接入网内的一个基站及其服务的机动用户组成一跳频子网)内的机动用户与基站之间采用非对称频谱配置跳频技术实现通信。当子网内超过一个机动用户时，就面临多个机动用户竞争使用同一段频谱与一个基站通信，存在用频混乱、互扰严重，不能够有效支撑智能跳频通信的问题。为解决此问题，结合使用智能跳频的短波无线接入网接入基站半双工通信特点，提出了基于Markov排队理论的时分通信策略。

近年来，在认知无线电领域使用排队理论来研究动态频谱接入得到了深入研究和广泛关注。文献[3]采用二维连续时间Markov模型建模认知无线电主次用户频谱接入过程，得出该模型可靠的结论。文献[4]利用排队论，使用多维Markov模型分析了随机频谱接入，并进一步分析了认知系统的性能。文献[5]总结比较了带排队频谱聚合与不带排队频谱聚合两种频谱接入策略的优劣，得出带排队策略明显优于不带排队策略的结论。这些排队理论在认知无线电领域的应用已经取得一定成果，但是对于短波天波组网的研究还较少。

文章首先提出了将智能跳频技术应用于短波无线接入网来提高其抗人为干扰能力的思路；其次，给出应用智能跳频的短波无线接入网网络拓扑结构，并且分析其优越性。再次，为了解决子网内多用户通信问题，提出了基于Markov排队理论的时分通信策略；最后做了仿真试验，证明了短波无线接入网使用排队理论的智能跳频相对于半双工定频通信各性能改善明显。

1智能跳频短波无线接入网网络结构

将智能跳频技术应用于短波无线接入网，主要是在底层无线接入部分，对上层网络不做改变。依据短波无线接入网的网络结构[2,6]，提出智能跳频技术应用于短波无线接入网的网络拓扑结构，如图1所示。包括探测系统、网络管理系统、多个可使用智能跳频通信的固定接入基站和若干机动用户，智能跳频机动用户与接入基站之间可采用智能跳频方式通信。

图1　应用智能跳频的短波无线接入网拓扑结构

如图1所示，使用智能跳频的短波无线接入网其机动用户一旦接入就将在此子网内与基站使用智能跳频通信，由于智能跳频强大的抗干扰能力，机动用户与基站之间的通信掉线率低，抗干扰能力强；而使用定频通信的短波无线接入网，此时机动用户会选择频谱环境最好的基站接入通信，若受到较强干扰，机动用户很容易掉线，抗干扰能力很弱。

2Markov排队理论

排队论是研究各种排队概率规律性从而解决有关排队系统的最优化问题[7]。Markov排队具有如下特征：顾客到达排队系统的方式遵循一个Poisson过程，即顾客的相继到达间隔时间是相互独立的(一般也独立于到达过程)、同指数分布的随机变量。服务员可以是一个、多个甚至是无穷多个。按照顾客数量有限、无限及成批次到达，服务员数量有限、无限及成批次到达分为不同的模型；按照顾客类型及服务员类型的多少可以分为一维和多维Markov排队。

二维Markov排队中，假设两种不同类型的顾客都以Poisson达到系统接受服务，到达速率分别为λ1和λ2。两种类型顾客在系统中接受服务的时间分别服从均值为μ1和μ2的负指数分布。Pi,j是任何瞬间有i个第一类型顾客和j个第二类型顾客正在接受服务的统计平衡联合概率。对于状态(i,j)，根据其“流入速率=流出速率”可得其平衡方程：

(λ1+λ2+iμ1+jμ2)Pi,j=λ1Pi-1,j+λ2Pi,j-1+(i+1)μ1Pi+1,j+(j+1)μ2Pi,j+1

(1)

根据平衡方程可以研究排队系统的稳定性，计算顾客的接入成功率、阻塞率等。

3使用Markov排队的短波无线接入网模型

使用Markov排队理论建模短波无线接入网子网内用户的通信过程之前，作如下假设：

(1)机动用户接入网络后的一定时间段内，短波无线接入网的拓扑结构不发生改变，直到通信结束或者通信受阻。

(2)探测系统的感知是理想无差错的，且感知过程瞬间完成，延时时间可忽略不计。

(3)干扰都是由电磁频谱环境发生恶化造成的。假设未恶化的频点误码率为10-4，发生恶化的频点误码率为0.98。电磁频谱恶化率p(0≤p≤1)可定义为：误码率由10-4变为0.98的频点数与频率表总频点数的比值。其恶化率增大会造成遭受干扰的子网增多，设短波无线接入网中总共有N个子网，则受干扰子网数为：pN。

结合使用智能跳频技术的短波无线接入网的机动用户一旦接入基站，将不会随意掉线的特点，提出在子网内机动用户与基站之间的通信采用排队通信模型，智能跳频与定频通信采用排队模型示意图，如图2所示。子网的每一频带同一时刻只能够容纳一个用户，业务传输在同一频带上采用时分复用方式通信，由图可知，当无干扰时，子网使用定频通信和智能跳频都能够保证各用户与基站间的正常通信；当干扰到达，使用智能跳频通信的子网，通信质量会受到一定的影响，但是还可以继续通信，用户不会掉线；而使用定频通信的子网，用户会立刻掉线。

图2　智能跳频与定频通信通信对比框

利用Markov排队理论建立智能跳频短波无线接入网各子网的状态转移过程。将短波无线接入网子网内用户通信过程建模为具有两种类型的顾客，服务员唯一的二维Markov排队过程。干扰和子网内用户业务的到达是相互独立的，且服从指数分布，此时定义二维状态{Ei,j}，其中i、j分别表示干扰和业务传输占用的信道数，且满足{(i,j)∈Ei,j|0≤i≤N,0≤j≤N,0≤i+j≤N}，N表示总的信道数量；此状态对应的平衡概率为Pi,j，设Pi,j是在任何瞬间有i个信道被干扰所占据，j个信道正在传输业务的统计平衡联合概率。根据Markov排队理论的平衡方程可得：

(iμg+jμs)Pi,j=λgPi-1,j+λsPi,j-1

(2)

其中：i+j=N。

当网络中有k个信道被占用时，其概率Pk由二项式定理可得：

(3)

(4)

反解式(4)可得：

(5)

将c值代入式(3)中可得：

(6)

短波无线接入网使用半双工的定频通信与使用智能跳频及排队理论前后通信过程可描述如下：

(1)短波无线接入网使用半双工的定频通信时，当干扰到达，通信频带被覆盖时，正在传输的业务将会直接掉线；若子网内的新用户想要与此基站通信，由于此信道已经被干扰所覆盖，新用户很难通信。

(2)短波无线接入网使用智能跳频通信时，子网通信采用Markov排队机制，①当干扰到达，通信频带被覆盖时，将会采用非对称频谱配置跳频技术继续保持通信，而避免掉线，能够很大程度的提高抗干扰能力；若有新的机动用户想要接入网络时，也只能进入队列排队，待产生可用信道方才可使用。②当干扰褪去或者此用户与基站之间的业务传输结束并释放频谱时，队列中的等待业务将使用此信道传输，队列中的等待业务按照先到先服务的原则排队。③如果队列中的等待业务所等待时间超过其最大排队时间将掉线。

由于短波无线接入网是集中式的管理模式，排队系统可由网管中心和接入基站共同实现虚拟队列，其中队列长度可设置为不小于最大业务数，最大排队时间可设置为业务的平均传输时间。

为了清楚的展示使用智能跳频及子网内使用Markov排队理论的短波无线接入网带来的优势，可用以下性能指标衡量。

掉线率定义为机动用户与基站通信过程中，受到干扰而中断通信的概率，即单位时间内未能完成业务传输的机动用户数量与所有试图实现业务传输的机动用户数量的比值：

(7)

频谱利用率表示频谱利用效率的高低，是指使用的频谱带宽占可用频谱总带宽的比重[9]：

(8)

抗干扰能力可以用传输信道遭受干扰时，业务正常传输的信道数与所有信道数的比值来刻画，可定义为：单位时间内业务传输没有被迫中断的机动用户数量或接入基站数量与成功完成业务传输的机动用户总数量的比值：

(9)

4仿真分析

对使用两种方法的短波无线接入网的子网内用户通信的掉线率、抗干扰能力和互扰率等参数进行仿真分析。采用适应于离散系统的事件调度法[10]对通信过程进行仿真验证。其仿真参数如表1所示。

表1　仿真参数

文章在Matlab软件中使用时间调度法对文章各性能指标进行仿真验证，其步骤如下：

步骤1：初始化仿真参数。具体有仿真时间、干扰及业务到达速率、服务时间平均值、服务完成时间等；

步骤2：在仿真时间T内进行时间扫描，按照时间顺序来计算并统计干扰和业务到达的总数量、业务掉线数量，业务受到干扰未掉线数量等；

步骤3：到下一个事件发生，更新各统计数据；

步骤4：仿真时间到达，退出程序。

4.1掉线率仿真分析

对于具有N个可用频点的定频通信，其掉线率表示为：所有频点掉线率的平均值。

对于具有N个频点的智能跳频频率表，由于智能跳频能够始终选择传输质量最好的频点通信，因此，其掉线率会明显降低。

在一个频带中含有M(M>>1)个频点的情况下，对子网内机动用户掉线率进行仿真，如图3所示。

(a)机动用户掉线率随频谱恶化率变化曲线

(b)机动用户掉线率随干扰到达率变化曲线

由图3可知：当电磁频谱受到干扰时，使用排队的智能跳频明显低于采用定频通信所带来的掉线率；随着电磁频谱恶化率和干扰到达率的增大，使用定频通信的短波无线接入网子网内用户的掉线率逐渐增大，而使用排队的智能跳频所带来的掉线率基本保持不变，直到完全没有频谱可用掉线率才增大。

4.2抗干扰能力仿真分析

业务传输过程中抗干扰能力仿真如图4所示。

(a)机动用户抗干扰能力随频谱恶化率变化曲线图

(b)机动用户抗干扰能力随干扰到达率变化曲线

由图4可知：当电磁频谱受到干扰时，使用排队的智能跳频明显高于采用定频通信的短波无线接入网子网的抗干扰能力；随着电磁频谱恶化率和干扰到达率的增大，使用定频通信的短波无线接入网子网的抗干扰能力逐渐减小，而使用排队的智能跳频所带来的抗干扰能力基本保持不变且维持在较高水平，直到完全没有频谱可用时抗干扰能力才减小。

4.3互扰率仿真分析

互扰率是指：子网内的一机动用户与基站通信过程中受到其它机动用户干扰的概率。使用排队理论前后互扰率的对比如图5所示。

(a)互扰率随电磁频谱恶化率变化曲线

(b) 互扰率随干扰到达率变化曲线

频谱受到干扰时，使用智能跳频小于使用定频通信的短波无线接入网子网内用户之间的互扰率；同时，使用排队的智能跳频能够进一步降低子网内各用户之间的互扰率。

5结语

针对短波无线接入网链路层抗干扰的迫切需求，提出了将智能跳频技术应用于短波无线接入网的思路，仿真分析了其抗干扰性能指标变化情况；同时针对使用智能跳频通信的各子网内用户用频混乱，互扰严重的问题，将子网内的用户用频建模为基于Markov排队理论的智能跳频用频方式并进行了仿真与分析。结果表明，使用排队的智能跳频与使用定频通信相比，可明显降低用户通信的掉线率及互扰率，并能够提高抗干扰能力。

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Anti-Jamming Performance of HF Radio Access Network based on Intelligent Frequency Hopping

DUAN Rui-jie1,2，YAO Fu-qiang2，LI Yong-gui2，MEI Xue-yan2，QI Yang-yang3

(1.College of Communication Engineering,PLAUST,Nanjing Jiangsu 210007,China;2.Nanjing Telecommunication Technology Institute,Nanjing Jiangsu 210007,China;3.Unit 73903 of PLA,Xiamen Fujian 361100,China)

Abstract：Aiming at the problem that the existing half duplex communication mode of HF radio access network could not satisfy the new requirement of anti-jamming,the intelligent frequency hopping technology is introduced into HF radio access network,and some analysis on this situation also done.At the same time,in view of the problem that the use of frequency by the users in each subnet is in confusion,the scheme is proposed that the use of frequency by subnet user is modeled on the basis of Markov queuing theory in the network.Simulation results indicate that the intelligent frequency-hopping communication using the queuing,as compared with the communication using fixed frequency,could clearly reduce the communication drops and inter-jamming rate,and raise the anti-jamming ability of the system.

Key words：HF radio access network; intelligent frequency hopping; fixed frequency communication; Markov queue model; anti-jamming

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.02.007

* 收稿日期：2015-09-03；修回日期：2015-12-14Received date:2015-09-03；Revised date：2015-12-14

基金项目：国家自然科学基金项目(No.61401505)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.61401505)

中图分类号：TN915

文献标志码：A

文章编号：1002-0802(2016)02-0153-06

作者简介：

段瑞杰(1991—)，男，硕士研究生，主要研究方向为智能跳频组网，无线通信抗干扰；

姚富强(1957—)，男，博士，研究员，博士后/博士/硕士生导师，主要研究方向为宽带通信系统、频谱管理、通信抗干扰理论与技术；

李永贵(1964—)，男，硕士，高级工程师，硕士生导师，主要研究方向为通信抗干扰理论与技术;

梅雪艳(1976—)，女，硕士，高级工程师，主要研究方向为无线通信;

齐扬阳(1989—)，男，硕士，助理工程师，主要研究方向为无线通信抗干扰。