窄带抗干扰通信终端空口波形设计

伦立宝 康志杰 白清 李怀禄

（河北远东通信系统工程有限公司 河北省石家庄市 050200）

随着通信技术的发展，专网无线通信设备越来越多地被应用到轨道交通、公安、应急等行业。目前专网无线通信设备通常采用定频通信方式，该通信方式的缺点是抗干扰能力差，易受到频率干扰[1]。跳频通信作为扩频通信的一种，是在收发双方约定的情况下不断改变工作频率而进行的通信。由于工作频率的改变受伪随机码的控制，因此跳频通信具有很强的抗截获、抗窃听及抗干扰能力。通过对窄带通信终端进行抗干扰波形设计与实现，采用跳频通信技术提高设备的抗干扰性能，从而为用户提供稳定可靠的通信保障。

1 总体设计

窄带抗干扰终端协议架构遵循通用的协议分层架构[2]，定义了三层架构模型，如图1所示。协议的第一层是物理层，是协议的最底层。第二层是数据链路层，处理多个用户共享媒介，在这一层协议被垂直分成两部分，一个是用户面，用于无寻址功能的业务信息传输，另一个是控制面，用于具有寻址功能的控制信令信息传输。第三层是呼叫控制层，位于控制面，用于呼叫控制，提供终端支持的业务。

2 空口协议

2.1 物理层

物理层采用TDMA帧结构，每个TDMA帧包含2个时隙，每个时隙30ms。其中一个时隙用于发射，另一个时隙用于接收，每个TDMA帧使用一个频点。

2.2 数据链路层

跳频通信需要跳频的附加开销，如频率变换的调谐和相位锁定时间。为了跳频通信的同步建立及维持，还需要在用户通信期间隐蔽的加插一些勤务信息，这些都将损失用户信息的有效传输时间[3]。对用户来说，信道应是透明的，特别是话音信息是连续不断的，为了用户话音信息不因传输时间损失而有所丢失，需要将跳频信息插入嵌入式信令区域。

2.2.1 跳频同步头帧

为了指示跳频通信的开始，需要在业务发射开始之前发送携带数据同步字的跳频同步头帧[4]。跳频同步头帧承载了一个跳频同步信令（FHSS，frequency hopping synchronization signaling）的PDU，该PDU由72比特跳频同步信息和24比特校验和组成，如图2所示。FHSS信令长度为72比特，由跳频时刻FHT、跳频序列状态码、TOD信息组成。时隙类型”PDU中的数据类型信息单元设为“跳频同步头帧”。

2.2.2 跳频勤务帧

为了支持迟后进入[5]功能，FHSS信令也可承载在语音突发的嵌入区域中。如图3所示， 72比特的FHSS信令经过FEC编码和分片后，置于四个突发的嵌入区域中。这就意味着由六个突发组成的语音超帧可以由一个携带同步字的突发，四个承载FHSS的突发和一个空值填充嵌入式消息组成。嵌入式FHSS信令应承载于同一个语音超帧内，从语音超帧的第一个非同步突发的位置开始。承载FHSS信令的语音超帧通过勤务频点发送。

图1：协议架构

图2：跳频同步头帧

2.3 呼叫控制层

2.3.1 TOD

本地实时时间TOD[6][8][9]由两部分组成，共26bit，其中高位为TODH，用于控制同步频率及跳频图案生成，以跳为单位；低位为TODL，用于控制跳频计数，以分钟为单位。TODL每分钟计数1000次，每分钟向TODH进位。

2.3.2 同步频率

同步频率分为初始同步频率与勤务同步频率，作为发送跳频同步头帧和携带跳频同步信息的语音超帧的载波频率。同步频率由TODH结合同步频率生成算法产生，并随TODH每分钟刷新一次。

图3：语音超帧

图4：同步频率产生流程

图5：跳频状态控制

同步频率生成及刷新流程图如图4所示。终端开机后，将系统时间信息转化为TODH初值。然后将TODH输入到同步频率生成函数中，获取3个同步频率F1、F2、F3，其中勤务频率默认使用F1。定时器超时后，TODH加1，重新计算3个同步频率并刷新，这样保证同步频率能够随时间实时变化。

2.3.3 初始同步

图6：跳频发射流程

图7：跳频接收流程

初始同步[7]采用3个频率交替发送或扫描。初始同步频率个数的选择是初始同步时间和抗干扰性衡量的结果，初始同步频率个数越多，初始同步时间越长，抗干扰性越好，相反，初始同步频率个数越少，初始同步时间越短，抗干扰性越差。

发射端以3个初始同步频率交替发送跳频同步头帧，共发送12个。接收端以3个初始同步频率循环慢扫描，每个频率扫描时间为4个TDMA帧。

初始同步频率由TODH控制，长度为m。预先设定一个m×n的随机矩阵，用TODH与矩阵中每一列做运算。每次运算结果中若有奇数个1，则计为1，若有偶数个1，则计为0，得到一个长度为n的二进制数。然后将其转换成十进制后取值范围是0～2n-1，在频率数目为2n个的频率集上，利用上述算法获得的值就可以对应唯一的同步频率。3个初始同步频率记为F1、F2、F3，他们与TODH的关系为：TODH→F1、TODH-1→F2、TODH-2→F3。每分钟进行一个同步频率替换，具体替换算法为：TODH每分钟进位后计算出一个新的F1，然后用旧F1和旧F2分别替换为新F2和新F3。

2.3.4 勤务同步

勤务同步频率采用1个频率承载勤务超帧，勤务同步频率采用当前TODH值通过上述初始同步频率算法计算出的频率F1。勤务同步有两个作用，一是初始同步完成并建立呼叫后，接收终端需要接收发送方插入数据帧中的勤务信息来实现同步保持；二是实现组呼中未收到初始同步信息的终端迟后加入呼叫。勤务同步包含跳频同步的全部信息，通过勤务超帧格式定时发送。

跳频语音通话过程中，发送方定期将跳频信令插入语音帧的嵌入式信令区，组成勤务超帧，迟后加入终端通过搜索勤务频点来接收勤务超帧，通过解码勤务帧中的跳频同步信息完成跳频同步。

3 控制逻辑设计

3.1 状态控制

跳频状态转移图如图5所示。

终端进入跳频模式后，首先进入跳频接收流程下的勤务扫描状态。驻留在勤务频点上搜索当前组下是否有业务正在传输，一定时间间隔内搜索到勤务超帧，则进入勤务同步状态，若未搜索到勤务超帧，则进入慢搜索状态等待。慢搜索状态下，若接收并解析出同步头帧，进入初始同步状态。初始同步状态和勤务同步状态下建立呼叫并接收语音呼叫，呼叫结束后回到慢搜索状态。

当按下PTT发射时，终端由跳频接收转到跳频发射流程，发射完毕释放PTT后，又回到跳频接收流程。

3.2 跳频发射流程

跳频发射流程如图6所示。终端按下PTT后，根据TODH计算出的同步频率为载波，发送跳频同步头帧。为了平衡同步频率的抗干扰性和同步时间，每次初始同步采用3个同步频率，3个同步频率交替发送同步头帧，共发送12个同步头帧。

每一帧同步头帧中都携带起跳标志，指示跳频图案开始起跳的时刻，帧格式中FHT根据发送同步头帧个数计数，每一帧指示当前同步头帧序号，根据该序号可以计算出后续待发送同步头帧个数和起跳时刻。例如：若当前帧FHT参数为5，说明当前发送的是第5个同步帧，后续还有7个同步帧待发送，跳频图案起跳时刻为当前帧以后第8帧。当FHT计数到12时，意味着下一个TDMA帧需要起跳。跳频图案起跳后，按照计算出的序列状态输出频率并连续发送语音LC头帧和后续的语音帧。终端释放呼叫后，返回接收慢扫描状态。

语音业务中，为了实现同步保持和组呼迟后加入功能，需要在语音帧中定期插入勤务信息，并通过勤务频点发送。勤务信息以语音超帧为单位，一个完整勤务信息分片插入语音帧的嵌入式信令区。

3.3 跳频接收流程

跳频接收流程如图7所示。终端开机或转组后，首先进入勤务扫描状态，在勤务频点上扫描有无当前组业务。在扫描时间内，如果搜索到勤务超帧，根据勤务超帧中跳频信息同步跟跳，接收后续的标准语音超帧并通过解析嵌入式LC判断是否加入呼叫。如果在勤务扫描时间内没有搜索到勤务超帧，则转到初始同步慢扫描状态。

4 测试验证及指标

4.1 测试验证

4.1.1 性能指标测试

为了验证方案的可行性，对跳频终端进行了相关指标测试。终端在跳频模式下，按照每个TDMA帧长进行频率切换，切换时间间隔60ms，跳频速率为跳频速率为1000hop/min。TDMA帧之间预留2.5ms频率切换时间能够满足切换频率过程所需的稳定时间，保证了有效载荷的传输效率。

初始同步时间是从发起业务到收发终端建立起稳定的频率同步所需时间，该时间决定业务建立的快慢，影响用户的使用体验。本设计初始同步所采用的跳频同步头帧法是通过扫描跳频同步头帧中的跳频信息实现收发端同步，同步头帧发送的个数决定了初始同步建立时间长短，同步头帧个数越多，抗干扰性越强，初始同步时间越长，相反，同步头帧个数越少，抗干扰能力越弱，初始同步时间越短，因此同步头帧个数选择需要衡量同步时间和抗干扰性能去确定，本方案选择发送12个同步头帧，理论同步时间最大为720ms，实测初始同步时间不超过800ms。

勤务同步时间是通过勤务频率建立勤务同步所需时间，本方案勤务频率发送间隔为5个语音超帧时间，每个勤务频率保持一个语音超帧时间，因此理论勤务同步时间为2160ms，实测勤务同步时间不超过3000ms。

4.1.2 抗干扰性测试

为了验证方案的抗干扰性能，对跳频终端进行了抗干扰性测试。实验选择了两组共4个终端。I组终端为具备抗干扰功能的终端，II组终端为普通终端。将两组终端均工作在正常模式，选择当前频点为F1。终端进行呼叫业务，两组终端均能够正常接收和发送语音。开启干扰源，对频点F1进行干扰。此时两组终端均无法正常进行语音业务。将I组终端进行模式切换，切换为跳频模式，然后发起语音呼叫，I组两个终端可以正常建立呼叫，语音收发正常。通过对比实现可以确定，跳频终端切换到跳频模式后，可以有效应对频率干扰问题，保证了语音业务的正常进行。

5 结束语

本文针对窄带抗干扰通信终端空口波形进行了总体设计，并且按照分层的软件架构对物理层时隙控制、数据链路层的帧结构设计、呼叫控制层的同步方法等功能进行了设计及说明，然后对软件控制逻辑的状态控制、跳频发射流程和跳频接收流程进行了详细描述。最后对空口波形设计方案进行了实验验证，得出了窄带抗干扰通信终端空口波形的主要技术指标，验证了该设计方案的可行性和抗干扰性能。