收稿日期:2009-04-10基金项目:国家自然科学基金资助(60572147);西安市科技创新计划项目资助(YF07015);高等学校学科创新引智计划资助(B08038);国家重点实验室专项基金资助(IS N 02080002)作者简介:何先灯(1982-),男,西安电子科技大学博士研究生,E -mail:x dhe@.认知异步跳频通信系统同步方案研究何先灯,裴昌幸,张正浩,陈 南(西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室,陕西西安 710071)摘要:提出了一种认知异步跳频通信系统同步方案.通过采用两套可选的跳频图案,在当前发射跳期间,认知下一跳两个频点的状况,自适应选择下一跳频点进行信息传输,进一步提高了异步跳频通信系统的抗干扰能力;仿真结果表明,在同步概率大于95%时,新方案将用户容量提高了5倍多;通过引入循环前缀,实现了接收机跳频图案的自适应识别,并解决了跳频信号位同步信息不易提取的难题;最后还给出了异步跳频通信系统和认知异步跳频通信系统的同步性能分析.关键词:跳频;认知系统;认知跳频;位同步;跳频同步中图分类号:T N914.41;T N915.65 文献标识码:A 文章编号:1001-2400(2009)06-0962-06Research on the synchronization scheme of acognitive asynchronou s frequency -hopping communication systemH E X ian -deng ,PE I Chang -x ing ,ZH A N G Zheng -hao,CH EN N an(State Key L ab.of Integr ated Ser vice N etwo rks,X idian U niv.,Xi'an 710071,China)A bstract: A synchronizatio n scheme for a cog nitive asynchronous frequency -ho pping communication system(CA FHCS)is proposed.T here are tw o optional frequency -hopping patterns in this scheme.In transmitinginformatio n in the cur rent hop,the status of the tw o frequency points which are calculated by the two patternsfor the next ho p are sensed simultaneously.T he transmitter selects the frequency po int fo r the next hopadaptively accor ding to the sensing r esults,w hich improves the ant-i jamming performance of the asynchronousfr equency -hopping communication system (AF HCS ).It is observed from simulation results that the users 'capacity o f the CAFH CS increases ov er 6times compared w ith that of the AFH CS when the probability ofsynchronization is abo ve 95%.By introducing the cyclic prefix to a ho p signal,the frequency -hopping patternrecognition is implemented adaptively at the receiver,and the difficult problem of bit sy nchronization of thefr equency -hopping signal is solv ed as w ell.Furthermore,the perfo rmance analysis of the synchronizationscheme for AFH CS and CAFHCS are given.Key Words: f requency hopping;cog nitiv e systems;cog nitiv e fr equency -hopping;bit synchronizatio n;f requency -ho pping synchr onizat ion认知无线电是当前无线通信研究的热点之一[1-6],它以一种/机会方式0接入授权频段内,动态地利用临时空闲的频段,提高了频谱的利用率.跳频通信因其良好的保密性、抗远近效应及抗阻塞式干扰等性能而广泛用于军事通信和民事通信中.将无线认知技术引入到跳频通信系统中,可以降低跳频通信系统的频点碰撞概率,提高子网容量.跳频通信系统包括同步跳频通信系统(同步组网)和异步跳频通信系统(异步组网)两种[7].同步跳频网络要求整个网络定时一致,组网要求高.而异步跳频网络不要求整个网络同步,组网更加灵活.目前将无线认知技术和跳频通信系统相结合的论文[3-5],绝大部分基于中心站式认知系统或同步跳频通信系统.在现代军事通信系统及Ad -ho c 网络中,为提高通信系统的抗干扰性能及增加组网灵活性,常选用无中心站式的异步跳频通信系统(A FH CS).而AFH CS 的最大缺点是网间碰撞概率高、用户容量小[8].笔者2009年12月第36卷 第6期 西安电子科技大学学报(自然科学版)JOUR NAL OF XIDI AN UNIV ER SI TY Dec.2009Vol.36 No.6提出了一种基于认知无线电的认知异步跳频通信系统(CAFH CS )同步方案,不同于采用一套跳频图案的AFH CS,该方案采用两套可选的跳频图案.在发射信号的同时对两个图案产生的下一跳频点进行感知[9-11],并选择干扰小的频点进行下一跳通信,降低了AFH CS 的网间碰撞概率,提高了用户容量.1 C AFHCS 同步方案简介AFH CS 采用一个发射信道和一个接收信道,利用一个跳频图案随机通信[12-14].在跳频通信过程中,频点的干扰主要来自于两个方面,一个是其他系统对频点的干扰,另一个是系统内部用户之间的干扰.当系统共有m p 个频点,n u 个用户随机发送时,对任意一个用户,其他n u -1个用户对它的干扰概率为[7,12]P c =1-(1-1/m p )n u -1 .(1)系统频点被干扰概率为P c 0=P 0+(1-P 0)P c ,(2)其中P 0为其他系统对本系统频点的干扰概率.由于是异步跳频且在发送前不做检测,在一个用户发送期间,其他用户也可能会在该频点上传输信息,造成频点干扰.随着用户数的增多,这种干扰变得越来越严重,故异步跳频通信系统的用户容量很小.图1 CA FH CS 原理示意图笔者提出的CAFH CS 同步方案采用两个接收信道和一个发射信道,如图1所示.其两个接收信道在发射期间分别对两个跳频图案的下一跳频点进行信号检测[9-11],并根据检测结果选择能量较小的一个频点作为下一跳的传输频点.由于该方案是在发射的同时进行下一跳感知,因而并没有间断发射信号.为解决CAFH CS 接收机对两个跳频图案的识别问题,该方案将OFDM 系统的循环前缀理念运用到跳频系统的一跳信号上,CAFH CS 接收机同时对两个跳频图案进行接收,利用循环前缀进行相关运算,并选择相关峰值大的一个跳频图案进行解调.文献[15]给出了3种基于循环前缀的OFDM 符号同步估计,分别是基于接收信号的估计、基于量化复数的估计和基于统计平均的估计.本文采用其第一种估计方式.该方案通过循环前缀的相关运算,实时选择每一跳相关峰最大的时刻作为位同步信号,配合系统的高精度时钟,即可实现一跳信号的位同步,解决了跳频信号位同步信息不易提取的难题.CAFH CS 循环前缀的添加可以在数字中频完成.由于CAFH CS 是提前感知下一跳的信道状况,并选择干扰小的信道进行信息传输的,除CAFH CS 用户同时跳频或感知错误外,CAFH CS 用户间的干扰将大大降低.设循环前缀的成功检测概率为P cr ,虚警概率为P cf .则CAFH CS 的频点碰撞概率为P d 0=P c 02+2(1-P c 20)(1-P cr )P cf .(3)系统采用超短波跳频电台常用的同步字头和时间信息(T OD)相结合的方式[7,12-14]实现跳频同步.文献[7,12]对该系统的同步原理有详细的描述.这类系统同步的关键在于T OD 的同步.我们将跳频图案分为两种,即勤务跳频图案和数据跳频图案,分别用以传输TOD 信息和数据信息.勤务跳频图案采用较粗略的时间(TODH )产生.通过收发双方精准的实时时钟模块,可以保证双方的勤务跳频图案的快速同步.系统在勤务跳频图案上传输更精确的时间信息,实现收发双方时间的精确同步.数据跳频图案利用该精确的时间产生.在勤务跳频图案阶段捕获到精确的时间信息后,即可实现数据跳频图案的同步.为缩短勤务跳频序列的长度,提高跳频系统的抗干扰性,接收方采用快跳频的方案实现初始序列的捕获.为提高T OD 信息传输的可靠性和抗干扰性,采用扩频和重复发送多次的方式实现T OD 信息传输,只要成功接收到一次T OD 信息即可完成该信息的传输.系统的帧格式如图2所示.T OD 包含T ODL,T ODM 和T ODH.TODL 每跳增加一963第6期 何先灯等:认知异步跳频通信系统同步方案研究图2 CA FH CS系统的帧格式示意图图3 CA F HCS 的同步过程示意图及概率转移图次,T ODM 每帧增加一次,T ODH 每分钟增加一次.通过将T ODH 信息和发送扩频码字绑定的方式,可以实现T ODH 信息的传输.只要相关捕获到一跳TODH ,即可实现TODH 的同步.由于系统按帧方式传输,一旦相关捕获到TODM ,就已知T ODL 信息了,因而在勤务跳频阶段,系统仅仅需要传输T ODM 信息即可.当勤务跳频图案包含n 个频点时,可设定接收方的跳频速率为发送方的(n +1)倍.TODH 的捕获过程如图3所示.在收方快跳频扫描阶段,通过信道的能量来检测是否出现收发频点碰撞(能量捕获)[9-11].当在收方快跳频扫描阶段中,收方相隔n 个频点的两频点都能量捕获成功,则进入驻留相关捕获TODH 阶段,捕获成功后收方就获知发方的T ODH 值,并依此修改自己的勤务图案,跟跳并接收后续TODM 信息,否则重返快跳频扫描阶段.2 AFHCS 和C AFHCS 性能分析211 AFHC S 性能分析除循环前缀和频谱感知外,AFH CS 的同步方案与CAFH CS 相似.设跳频速率为h v hop/s,系统解调误码率为P b ,并假定频点碰撞后在该频点传输信息的误码率为015[7],则AFH CS 的平均误码率可以由下式计算:P c b =P b (1-P c 0)+015P c0 .(4)在一个m 位的扩频码字允许错误m e 个码元的情况下,成功相关捕获一个码字的概率为P f1=E m e i=0C i m P c b i (1-P c b )m-i .(5)则TODH 和T ODM 成功捕获的概率分别为P 2=P f1 ,(6)P 3=E n i=1C i n P i f1(1-P f1)n -i n 2 ,(7)其中n 2为TODM 所需传输的扩频码字的个数,每个扩频码字在n 个勤务频点上重复传输,共传输nn 2跳964 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第36卷TODM 信息.对于初始入网过程,收方先开机,故发方的所有TODH 序列收方都能收到.设收发双方时差为t d 分钟,则收发双方共有(n-t d )个频点相同.只要收方成功接收到一跳TODH ,即可进入TODM 捕获阶段.一旦同步失败,系统将进行再次同步.跳频同步系统的概率转移情况如图3所示.状态转移S 0-S 1-S 0的平均步长为l =(1-P 1)+t d /2+P 1(1-P 2)(015+n+2) ,(8)其中P 1为两跳能量捕获成功的概率.状态转移S 0-S 1-S 2-S 0的平均步长大于n 1n/2+n 2n.TODH 同步捕获失败的步长 l 比较小,在发送一次同步头期间,可进行多次的TODH 同步捕获,最大次数为k 1=n 1n/ l ,其中x 表示取不大于x 的最大整数.T ODM 信息提取失败的步长很大,通常在发送一次同步头期间不可能再次进行同步.故初始同步概率为P h =P 3E k 1-1i=0(1-P 1P 2)i P 1P 2 .(9)在同步概率为P h 时的初始同步时间为t 1=(n 1+n 2)n/h v .(10)当收方后开机或没有捕获到初始同步头或同步失败再次入网时,收方可以通过捕获勤务入网序列实现勤务入网.设收方开机后,进入TODH 捕获程序,此时,正处于发方一帧的第l 跳上,则(1)当0<l [n 1n 时,在本帧内,收方可进行TODH 同步的最大次数为k 2=(n 1n -l)/ l .(11)(2)当n 1n <l [l 1,l 1=(n 1+n 2)n+n 3时,收方在本帧内不会捕获到TODH 序列,从而不会入网,之后将会捕获下一帧的TODH 而入网.收方可能会在K 帧内实现勤务入网,勤务同步概率P c h 可由下式计算P c h =P h1 ,K =1 ,P h1+(1-P h 1)E K-2j=0(1-P h )j P h ,K \2 .(12)P h1=E n 1n l =11l 1E k 2-1i=0(1-P 1P 2)i P 1P 2+l 1-(n 1n +1)l1P h .(13)第一帧入网的平均时间为t 2=E n 1n l=11l 1l 2-l h v E k 2-1i=0(1-P 1P 2)i P 1P 2+E l 1l=n 1n +11l 1P h l 1+l 2-l h v ,(14)l 2=(n 1+n 2)n .(15)收方在K 帧内勤务同步的平均时间为t 3=t 2 ,K =1 ,t 2+(1-P h1)E K-2j=0(1-P h )j P h l 1h v ,K \2 .(16)收方在K 帧内勤务同步的最长时间为t 4=K l 1/h v .212 CAFH CS 性能分析CAFH CS 系统的频点碰撞概率由式(3)给出,该系统的平均误码率为P d b =P b (1-P d 0)+015P d 0 .(17)当码字相关和循环前缀相关都超过门限时,认为成功捕获到一个码字,其概率为P c f1=E me i=0C i m P d i b (1-P d b )m -i P cr .(18)利用P c f1代替式(6)~(16)中的P f1,就可以得到CAFH CS 的各种概率和时间性能.3 仿真结果及分析理论性能仿真采用matlab 数值计算实现,模拟仿真采用matlab 的simulink 实现.由于勤务同步的仿真965第6期 何先灯等:认知异步跳频通信系统同步方案研究很复杂,文中仅给出了初始同步的仿真结果.仿真用的两个跳频图案分别为f (T OD)和f (T OD+64),其中f (x )=x 异或本网地址.仿真中系统的相关参数为h v =500hop/s ,P 0=012,P b =011,t d =3,m =31,m e =6,P cr =019 ,n =6,m p =128,n 1=6,n 2=3,n 3=561,P 1=019,P cf =011.图4 用户数对初始同步概率、误码率和频点碰撞概率的影响 图4给出了用户数对初始同步概率、误码率和频点碰撞概率的影响曲线.由该图可以看出,在相同的用户数下,CAFH CS 的误码率和频点碰撞概率均比AFH CS 下降近50%;当用户数达到60的时候,AFH CS 的初始入网概率低于011,而CAFH CS 的初始入网概率高于019,这说明在AFH CS 性能很差的情况下,CAFH CS 仍能可靠的工作;当初始入网概率为0195时,AFH CS 的用户数为12,而CAFH CS 的用户数高达60;当初始入网概率为012时,AFH CS的用户数为49,而CAFH CS 的用户数高达110.可见CAFH CS 的用户容量最高可达到AFH CS 系统的5倍.同时,图4还给出了利用sim ulink 仿真出的初始入网概率和误码率,由图可以看出,simulink 仿真出的性能和利用笔者推导出的公式的计算结果基本吻合,表明本文的理论分析结果是可靠的.由于理论推导过程中忽略了虚警概率对系统性能的影响,导致了理论的性能比仿真的性能略高.理论仿真曲线出现不光滑的原因在于k 1和k 2的取整运算.图5 AF H CS 和CA F HCS 性能对比图5(a)给出了不同帧数下勤务入网性能.由图可以看出CAFH CS 的勤务同步性能同样优于AFH CS.且AFH CS 和CAFH CS 在3帧内入网的概率接近于1,表明系统的同步方案具有较高的性能.图5(b)给出了在不同的其他系统对频点干扰概率P 0下的初始同步概率.在P 0=015时,AFH CS 的初始同步概率接近于0,而CAFH CS 的初始同步概率仍可高达016以上,它表明CAFH CS 的抗干扰性能更优,具有更好的鲁棒性.4 结 论将认知无线电原理引入到异步跳频通信系统中,提出了一种基于认知无线电的认知异步跳频通信系统同步方案.该方案降低了异步跳频通信的频点碰撞概率和误码率,提高了异步跳频通信的用户数和抗干扰性能.本同步方案实现复杂度低,具有较好的鲁棒性,不需要接收机返回任何信息,无需中心站,可以方便地应用到现有的异步跳频通信系统中.966 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第36卷参考文献:[1]李维英,陈东,邢成文,等.认知无线电系统中O FDM 多用户资源分配算法[J].西安电子科技大学学报,2007,34(3):368-372.L i W eiying ,Chen Dong,X ing Chengw en,et al.M ultiuser OF DM R eso ur ce A llocation A lg or ithm for Cog nitiv e Radio[J].Journal o f Xidian U niver 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