一种实时自组网波形TDMA帧结构与跳频抗干扰设计.docx

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一种实时自组网波形TDMA帧结构与跳频抗干扰设计

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柏春雷张文学

【摘要】??本文对美军WNW波形进行分析研究，参考其组网协议并针对其跳频抗干扰薄弱处进行改进完善，提出了一种实时自组网波形数据链路层TDMA帧结构与跳频抗干扰设计。

【关键词】??实时自组网???TDMA帧结构??跳频抗干扰

一、美军WNW波形分析

美军JTRS是美军加快各层次网络空间能力建设和发展创新网络战装备，实现“战术级网络空间优势”的重大举措。JTRS主要目的是利用软件无线电技术，联合工业部门共同制定了统一、开放的体系结构标准（SCA），按照该标准研制一个具有开放体系结构和可灵活配置、可升级的战术电台系列。实现平台与波形的松耦合，制定共用波形，实现体系装备的持续演进。

JTRS按照优先发展宽带网络波形的原则，开发了宽带网络波形（WNW）、士兵电台波形（SRW）、联合机载网络-战术边界波形（JAN-TE）、移动用户目标系统波形（MUOS）等新波形。除上述新增波形外，JTRS还兼容了传统的SINCGARS、EPLRS、Link-16、UHFSATCOM、HAVEQUICKⅠ/Ⅱ、HF等现有波形。覆盖了机载、地面移动、固定站、海上通信和个人通信五个应用领域，美军2021年现役波形69种，其中WNW波形在空间信号上最为典型。

为适应不同作战环境的使用需求，WNW目前采用4种空间信号，如图1所示，根据战术环境的运行条件，空间信号可由人工进行模式转换。波形的4种空间信号的信道带宽都是可变的，根据不同信道情况和应用要求变换带宽，以提高频谱利用率和减少宽带干扰的引入。

WNW波形是采用统一时隙分配协议USAP进行组网，如图1，USAP是一种MAC层分布式TDMA时隙和信道分配协议。USAP将时隙分配机制和高层协议区分开来，并且设计了一种通过选择时隙和协调不同层之间的交互作用的通用协议，适用于不同高层在邻居间选择时隙。

USAP每帧的第一个时隙分配给一个固定的节点用于发送控制分组，通过节点之间发送控制分组的交互，每个节点接收到一个新的发送控制分组包时都会对本地的时隙分配信息进行更新，并在下一个帧循环中对应的控制时隙发送更新后的发送控制分组包，这样将本地时隙分配信息发送至两跳范围内邻节点，而本节点也知道两跳范围内邻节点的时隙占用情况，所以一个帧循环内每个节点都知道一帧中没有分配的时隙和可以分配给自己的时隙，可以实现资源的高效利用。

二、一种实时自组网波形TDMA帧设计

本文参考WNW波形统一时隙分配协议USAP进行TDMA帧结构设计如图所示：

三、一种实时自组网波形跳频抗干扰设计

3.1跳结构

跳频模式的基本参数如下：

（1）跳频速率：2000跳/s

（2）符号率：2.133M、4.267M、8.533Msps

（3）前保护开销：20us

（4）后保护开销：50us

（5）有效驻留时间：430us

跳频子帧的时间及射频、数据结构分别见下面的三个图。

跳频子帧内各字段的内容、长度定义如下，

保护字段1用于功放及射频切换，不发射信号，时长20us;

AGC字段在接收機中用于调节电路增益，同时兼做PN字段的循环前缀CP1，时长30us;

导频字段为双PN结构，采用ZC序列，每段30us，两段的内容完全相同。导频字段的作用：估计帧头位置及时延值，估计频偏值、信噪比、信道的频响曲线。CP2是循环后缀。在接收机中进行FFT/IFFT变换时，不包含CP1、CP2字段。

信息字段y1传输控制信息或者用户信息，采用PSK调制，长240us。其循环前缀、循环后缀分别是CP2、CP4。

信息字段y2长60us，原理与y1类似。其循环前缀、循环后缀分别是CP4、CP6。

CP3、CP5分别是y1、y2内的隐含字段，与CP2、CP4配合，使其成为循环前缀。

CP6与保护字段2一起，总长52.5us，在接收机中留做信号延迟到达时的缓冲区，确保可采集到“AGC-CP5”数据段。

图中箭头所指的是复制、填充CP字段时的数据源头及目的地。

CP长度的选定取决于信道的时延扩展范围，该数据可由信道参数估计模块提供;在工程应用中也可由信号的带宽来粗略确定CP的长度。在窄带模式下，单跳通信距离为几公里到数十公里，根据信道建模仿真结果及以往的试验数据，CP范围在3～20us以内。这里将CP的默认长度设为18.75us，允许各条路径之间最大有5.6公里的传播路程差，符合绝大多数信道场景;同时也允许根据信道参数灵活的调整CP长度，以保证可靠性与传输效率的平衡。对于宽带模式，其通信距离较短，将CP设为5us左右，最大路程差为1.5公里，尾保护时间也相应缩短。

基于这种考虑，实例化如下6种基本典型传输方案样例。由于各关键字段都受到循环前缀、循环后缀的严密保护，这种数据格式能够