JTIDS的频谱使用效率分析

王 强 王 魁

(1.中国船舶集团有限公司第八研究院,江苏 扬州 225101;2.解放军92692部队,广东 湛江 524000)

0 引言

联合战术信息分发系统(JTIDS)是一种区域级综合战术信息分发系统,主要为美军各兵种提供大容量、抗干扰、保密的数据信息分发,如图1所示。

图1 JTIDS系统网络图

JTIDS使用了时分多址(TDMA)通信体系结构,能同时支持大约20个网络工作,网内成员多达数百个,并可通过中继实现超视距数据传输。JTIDS 系统工作在L 频段,传输速率为28.8～238 kbps,JTIDS信号采用跳时、跳频加扩频的抗干扰通信体制,跳频速率达76 900次/s,具有良好的抗干扰保密通信能力。表1列出了JTIDS的基本工作参数。

表1 _JTIDS系统的基本工作参数

1 JTIDS通信体系结构与消息结构

1.1 通信模式和网络体系

JTIDS可设置3种通信模式,在一个JTIDS网络中的所有成员用户必须采用同一种通信模式。

(1)模式1:这是JTIDS 系统的常用工作模式,支持跳频,发送加密信息,具备多网同时工作能力。

(2) 模式2:只支持定频单网工作,工作频率为969 MHz,发送加密信息。

(3) 模式4:只支持定频单网工作,工作频率为969 MHz,发送非加密信息。

1.2 TDMA 通信体系结构

JTIDS 系统采用TDMA 通信体系结构,将1天24 h划分为112.5个时元,每个时元12.8 min,划分为64帧,每帧12 s,被分为1 536个时隙,每个时隙7.812 5 ms,每个时元总共有98 304个时隙,98 304个时隙又被分为A、B、C 共3组,每组包含32 768(2×3)个时隙。JTIDS 系统按需给成员端机分配工作时隙,时元、时帧和时隙划分见图2。

图2 JTIDS时分多址通信体系结构

1.3 时隙详细结构

JTIDS 时隙采取射频脉冲串发射方式,如图3所示。1个时隙一般分为起始段、传送段和保护段。其中起始段和保护段共占4.458 5 ms,不发射信号,传送段占3.354 ms,发射射频脉冲串,可传送对应129个字符的脉冲串。由于JTIDS主要工作模式下的作用距离为300 n mile(550 km),只要保护段不小于2 ms,就可以保证本时隙信号在下一个时隙信号来临之前到达所有成员用户。因此,起始段在2.458 5 ms内随机抖动。时隙结构一般由抖动、粗同步、精同步、报头、数据与传输保护段六大部分组成。

图3 时隙详细结构图

1.4 脉冲字符格式

JTIDS数据链的射频发射信号是脉冲串的形式,JTIDS中设计有2种脉冲字符格式:一种是每个脉冲所载信息不相同,称为单脉冲字符;另外一种是相邻的2个脉冲所载信息完全相同,只是其载波频率不同,接收机只要收到2个脉冲中的一个,就能检测出所含的数据,称为双脉冲字符。在多径效应和存在外部干扰的情况下,双脉冲字符能大大提高正确检测信息数据的概率,只是信息传输速率只有单脉冲字符的一半。

一个单脉冲字符的持续时间为13μs,前6.4μs为载波调制,即为伪随机序列,共32个码片,每个码片宽度为0.2μs,32 个码片通过循环码移位键控(CCSK)映射为5 bit信息,后6.6μs为等待间隔时间,如图4所示。

图4 JTIDS 信号的脉冲格式

1.5 消息封装结构

JTIDS 系统为支持多种脉冲字符格式、不同的抗干扰性能和信息传输速率需求,设计了5种不同的消息封装结构(也称数据包格式),分别是标准双脉冲消息封装(STDP)、2倍压缩单脉冲消息封装(P2SP)、2倍压缩双脉冲消息封装(P2DP)、4倍压缩单脉冲消息封装(P4SP)以及往返定时询问与应答封装。图5介绍了JTIDS 系统产生的4种主要不同数据包格式。

图5 JTIDS数据包封装格式

具有时间抖动和脉冲冗余的封装格式自然有更强的抗干扰能力,所以标准双脉冲封装STDP 结构抗干扰能力最强,P2SP 与P2DP 结构次之,P4SP结构抗干扰能力最差。美国海军实际使用时就优先使用STDP 结构,以消除多径效应、平台机动和各种干扰带来的不利影响。

1.6 消息和时隙类型

JTIDS 系统每个时隙所发射脉冲的总和叫做一条消息,JTIDS 系统发送2种类型的基本信息:一种是规范化信息,每一比特都有特定的含义,所以大量信息可以压缩在很短的发送时间中;二是非规范化信息,即自由电文,自由电文的作用是传输面向符号的数据,如数字化语言或者电传打印文本等,JTIDS 可以发射下述4种类型的消息:

(1)“0”类型(非编码自由电文):这种消息未使用纠错编码,它适合与几种数字设备相接,比如数字话音和电传打字,优点是数据字符格式比较自由,缺点是抗干扰能力较弱。

(2)“1”类型(固定格式):这种类型的消息使用了纠错检错码,适合于做格式化信息交换,它是JTIDS 的常用格式,具有数据字符格式规范、抗干扰能力强等特点。

(3)“2”类型(RTT):只用于有源时间同步。

(4)“3”类型〔编码自由电文〕:和0类型一样,但使用了纠错编码。自由电文适用于传送数字话音、ASCII 消息、传真、电码及其它高速数据。

因为“0”,“1”和“3”类型的消息均有STDP、P2SP、P2DP、P4SP 4种封装结构,所以共形成了12种时隙封装格式类型,如表2所示。

表2 12种时隙封装格式

1.7 链路传输损耗模型

JTIDS 系统不同节点平台之间的视距传输路除了具备自由空间传输损耗特性外,在实际使中还受到阴影效应、远近效应、多径效应和多普勒应等其他因素的影响,这些影响在分析计算时需以一定的考虑。链用效予

2 JTIDS 系统的抗干扰能力及误码率分析

2.1 抗干扰特点

JTIDS采用了RS 纠错编码、扩频、跳频、跳时、抖动、双脉冲冗余等多种抗干扰方式,因此JTIDS数据链有非常强的抗干扰、抗侦察能力。

2.1.1 差错控制技术

JTIDS 采用了4种不同的差错控制编码:(70,75)检错编码、RS编码、交织码与双脉冲字符编码。采用(70,75)检错编码可以使接收端检测到大多数的传输错误,然后决定是否进行重传。JTIDS 在RS解码时采用了纠错与纠删2种模式,采用纠删会使系统性能大幅度提高。如果为错误的符号个数,为删除的符号个数,则对于数据段采用的RS(31,15)编码,不采用纠删模式时,它可以纠正的错误符号数=8;在采用纠删模式时,它可以纠正任何满足2+≤16的错误。JTIDS的数据段采用了31×3的字符交织,因此理论上可以纠正长为3×8个符号的突发错误。

2.1.2 扩频及解扩技术

为了使系统具有较强的抗干扰能力,JTIDS采用了伪码直序扩频和快速脉间跳频的混合扩频方式。

JTIDS 采用基于循环移位的32进制直序扩频,它的带宽仅为传统二进制扩频系统的1/5,这使得它特别适合于频谱宽度限定而又要求一定处理增益的场合。扩频时,按照时隙的直扩伪码序列图案,每5 Bit信息去控制特定的32位伪码循环移位,脉宽6.4μs,扩频前的带宽为0.78 MHz,扩频后的带宽增加到3.5 MHz。JTIDS 采用的这种直序扩频方式,使信号的功率谱密度下降,提高了该系统抗连续波干扰、白噪声干扰和欺骗干扰的能力。同时,这种方式也有助于减少网间干扰。

JTIDS 采用脉间跳频的方式,从969～1 008 MHz(设置14个频点),1 053～1 065 MHz(设置5个频点)和1 113～1 206 MHz(设置32个频点)中每隔3 MHz选1个频点,共可得51个频点。系统的工作频点要在跳频图案的控制下从这51个频点中选取,跳频频率间隔为3 MHz,同时要保证相邻频点间隔大于30 MHz。跳频图案集合中的任意2个跳频图案在所有相对时延下发生频点重合的次数要尽可能少。

2.2 JTIDS系统的误码率

误码率是指在实际通信中传输的出错概率,也就是传输中出错的位数()与传输的数据总位数()之比。它是衡量一个通信系统可靠性的重要指标。

为了定量评估各种JTIDS 波形传输的符号差错概率,建立了JTIDS的传输链路模型,如图6所示。由图6可以看出,我们需要计算接收机输出端最小频移键控(MSK)解调、CCSK解扩和RS 解码的差错概率,才能最终计算出JTIDS系统误码率。

图6 JTIDS的传输链路模型

2.2.1 MSK 解调误码率

式中:E /表示信噪比,E 为平均每个码片的能量(设E 为平均每符号的能量,E 为平均每比特的能量,对于JTIDS则有E =5E =32E );表示JTIDS 波形脉冲字符格式,=1或2,分别代表单、双脉冲字符格式。

JTIDS波形传输时采用了单脉冲字符格式或双脉冲字符格式,当采用双脉冲字符格式时,由于每个符号传输在2个不同的载波上,因此每个符号的平均能量为E =2E ,E 为每个脉冲的平均能量。

2.2.2 CCSK解扩误码率

对于CCSK 解扩,设事件表示CCSK 相关判决错误的误符号率,事件表示经过MSK 解调后的误码片概率,P 表示CCSK 解扩后系统输出的误符号率,P 为JTIDS 波形经过MSK 解调的误码片概率。P 为MSK 解调后的CCSK数据码中有个码片错误的概率,为CCSK 编码后的码片数,为32。

由此得出经CCSK解扩后的误符号率为:

式中:0≤≤32;条件概率{|=}表示经过MSK 解调后有个码片错误的条件下又经过CCSK 相关解扩的误符号率。

参考文献[2]采用蒙特卡洛法,通过Matlab仿真得出在从0～32变化时,条件概率{|=}分别为:[0,0,0,0,0,0,0,0.001 5,0.020 662,0.113 12,0.362 4,0.712,0.934 4,0.995 6,0.999 9,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1]。

对元扩频通信,误比特率与误符号率关系:

式中:P 为元扩频通信解扩后的误符号率。

由以上讨论可得,JTIDS经过CCSK解扩后的系统误比特率公式为:

2.2.3 RS 解码误码率

RS解码的误码率可用信道误码率表示:

式中:表示码本能够纠正的错误码元的个数,每个比特组成1个码元。

当一个由比特组成的符号出错时,其中有个比特出错的情况共有C 种,因此每个比特符号出错的平均比特差错概率为:

JTIDS进行信号传输时,数据段部分采用了(31,15)RS纠删纠错编码。当此RS编码仅用于纠错时,能纠正8个以内的错误字符。将经CCSK 解扩的误码率公式(2)代入式(5),得出JTIDS 系统经RS 码纠错以后的误符号概率近似为:

JTIDS经RS 码纠错后的平均误比特概率为:

最终的误码率计算结果如图7、图8所示。

图7 单脉冲形式下的JTIDS系统误码率

图8 双脉冲形式下的JTIDS系统误码率

3 JTIDS系统的频谱使用效率分析

3.1 通信系统的频谱使用效率

根据无线电系统频谱使用和效率的定义——ITU-R SM.1046建议书,通信系统的频谱利用效率可通过下式计算给出:

式中:为通信系统的频谱利用效率;为该通信系统的效用;为该通信系统的频谱利用因子。

3.2 JTIDS系统的效用

对于JTIDS系统,可以使用有效传输速率乘以信息传输的总距离来衡量其效用:

式中:为使用JTIDS系统得到的效用;为系统的有效传输速率;为信息传输的距离;S 为抗干扰补充因子,主要反映频域和极化域特性。

通信装备的接收基带处理部分特性包括解码、解调、解扩、解多址等因素的改善作用在后续禁用几何空间的计算中体现。对于JTIDS 系统,S 主要包括频率跳变因子S :

式中:B 为允许的频率跳变占用范围;B 为信号瞬时带宽。

对于JTIDS系统,在跳频状态下,S =51×3/3.5=43.7,可得S =43.7;在定频状态下,S =S =1。

JTIDS的终端具有多种功率模式,常规模式峰值功率为200 W,中等模式峰值功率为25 W;低功率模式峰值功率为1 W;JTIDS的部分终端还配置有高功放组(HPA)(输出功率1 000 W),实际使用时根据抗干扰要求决定是否需要加高功放组。

表3 不同模式下的发射功率和通讯作用距离

3.3 JTIDS系统的的频谱利用因子

JTIDS系统的频谱利用因子可以使用下面的公式确定:

式中:为JTIDS系统的频谱利用因子;为禁用的频率带宽;为禁用的几何空间(面积);为禁用时间,该值取为1。

3.3.1 禁用的频率带宽

当工作在960～1 215 MHz频段上,JTIDS系统除了实际使用的969～1 008 MHz,1 053～1065 MHz和1 113～1 206 MHz共3段频率外,美军把960～968 MHz频段和1 207～1 215 MHz频段留作保护频段,没有分配给任何设备使用,以免对JTIDS产生干扰。此外,美军为了避免JTIDS和敌我识别(IFF)之间的相互干扰,把1 009～1 052 MHz频段和1 066～1 112 MHz频段的两端也各留了8 MHz做保护频段。因此JTIDS系统在跳频情况的禁用频率带宽可按下式进行估算:

而JTIDS系统在非跳频状态下的禁用频率带宽可按如下值进行估算:

3.3.2 禁用几何空间

JTIDS系统主要采用全向天线,禁用几何空间可以采用下式计算:

式中:为禁用的几何空间(km);为禁用半径(km),并有:

式中:为发射功率(dBm);为发射电路的损耗(dB),约为3 dB;为发射机天线增益(d B),约为3 dB;为接收机的天线增益(dB),约为3 dB;为接收机电路的损耗(dB),约为3 dB;为极化损耗(dB);I 为接收机干扰门限(d Bm);为工作的中心频率(取1 000 MHz);A 为附加损耗(d B),取4 dB。

(1) 接收机干扰门限电平计算方法

式中:为接收机干扰门限电平(d Bm);为接收机噪声功率电平;为波尔兹曼常数,-228.6 dB;为标准温度,=290=24.6 dB;为接收机噪声系数,3 d B;为接收机带宽,通常等于1.2～1.5(=3.5 MHz),约为5 MHz;/为被干扰系统接收机所允许的最大干噪比,取值可参考达到规定系统误码率要求下的最小信噪比(/),其中=+,=++10 lg()+=-228.6+24.6+67+3+30=-104 dBm W。

(2) 常规模式下的计算

JTIDS 常规模式下的信息传输距离约为555.6 km,接收到的最小信号约为-99 d Bm W,则在无外界干扰下,信号信噪比(/) 为5 d B。

对于几种典型的时隙类型,系统允许误码率分别为10、10、10时,所需的最小信噪比(/)可通过图7和图8查到,如表4所示,据此可根据公式(16)计算出不同允许误码率指标下的值,如表5所示。

表4 不同允许误码率指标下的 (S/N)min 值

表5 不同允许误码率指标下的Ir 值

3.4 JTIDS系统的频谱使用效率计算

以JTIDS 工作在常规功率模式(=53 d Bm W,信息传输距离=555.6 km)为例,假定受干扰情况下允许的误码率为10,分别计算不同通信模式下的频谱使用效率。

(1) 通信模式1下的频谱使用效率计算

通信模式1是JTIDS系统的常用工作模式,频谱使用效率计算结果见表6。

表6 通信模式1下的频谱使用效率计算结果

(2) 通信模式2、4下的频谱使用效率计算

模式2和模式4下JTIDS 系统定频工作,频谱使用效率计算结果见表7。

表7 通信模式2和4下的频谱使用效率计算结果

4 结束语

从表6和表7看出,无论JTIDS 系统工作在何种通信模式下,使用时隙类型100(采用RS编码的双脉冲时隙类型)时,虽然有效传输速率(28 800 b/s)最低,但由于抗干扰能力最强,能在更恶劣的电磁环境下工作,所以其频谱使用效率反而更高。

对比表6和表7,采用相同时隙类型,跳频情况下的频谱使用效率只比定频时略高一点,这主要是因为只计算了单网工作时跳频情况下的频谱使用效率,而JTIDS跳频支持多网工作时会带来系统整体有效传输速率的提高,也会带来频谱使用效率的提高,但由于缺乏JTIDS多网工作的技术细节,此问题有待后续进一步仿真计算。