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通信组网论文范文

一、引言
二、快速差分跳频组网的特点和难点
三、传播时延对快速跳频组网的影响
3.1时延分析
3.2时延对跳频通信组网的具体影响
3.2.1点对点双工通信
3.2.2多点单跳组网
4.对传播时延的处理方法
4.1直接测量和估算相结合
组网:DL-LN系列无线自组网多跳通信模块介绍教学第一节无线传感网/物联网

罗建哲

摘要：快速差分跳频技术是近年来出现的一种新型扩频通信技术.而快跳频随着跳频速率的增加．其频隙长度也不断减小．当其减小到接近信道传播延迟时,将对节点间链路构建产生重大影响,在很大程度上制约了快速差分跳频组网同步的实现与拓扑结构的形成.文章简要介绍了快速差分跳频组网的特点和难点,详细分析了传播时延产生的原因,重点研究了传播时延对快速差分跳频组网的影响,并提出了有效的解决方法.

关键词：差分跳频；传播时延：抗干扰：扩频通信

中图分类号：TN914.42 文献标识码：A

文章编号：1673-1131(2010)03-037-05

一、引言

跳频通信是现代通信领域中一种有效的抗干扰通信手段,其独特的保密性和抗干扰性使其在军事和民用领域都得到了广泛的应用.跳频技术等是一种码控载频跳变的通信方式,具有很强的抗干扰、抗衰落能力,能够安全通信,易于实现多址通信等突出的优点.而无线自组织网络(Wireless ad hoc networks)是一种移动通信和计算机网络相结合的网络,整个网络没有固定的基础设施,节点之间通过多跳的无线链路相连接,具有自组织,自修复、自配置、自管理等特点,可以广泛应用于国防战备、抢险救灾、应对突发事件等环境,并在下一代网络(Next GenerationNetwork：NGN)中占有重要地位.无线跳频自组织网络将以上两种技术有机结合．是一种以跳频通信作为无线传输信道,以自组织方式进行组网的一种军事通信网络.跳频方式可提高网络的抗干扰能力,自组织网络技术则可提高网络的灵活性和抗毁性,因此,这种军事网络具有在移动中通信的特点,而且建网时间短、能够极大地提升通信的可靠性、抗干扰性和网络的健壮性,成为较理想的战术无线网络.

二、快速差分跳频组网的特点和难点

跳频通信下实现分布式多跳自组织组网还存在着大量的技术难题.例如,在分布式环境中基于跳频时分复用(FH-TDMA)信道访问机制,高性能的动态网络自组织和路由算法．高效的时隙分配管理策略,跳频同步制约下的随机竞争共享信道的载波论文范文多路访问(C论文范文A)技术,以及高速跳频条件下的自组网通信链路与拓扑结构的构建等.从而研究跳频体制下无线自组织组网技术,就成为很有意义且非常迫切的课题.

跳频可分为快跳频和慢跳频,其中慢跳频使指跳频速率低于信息比特率,即持续传输几个比特跳频一次,而快跳频[4]是指跳频速率远高于信息比特率,即每信息比特跳频一次以上.短波电台通常采用传统的慢跳频或新型的差分式跳频(DFH),跳频速率在100-5000跳／秒左右.而采用快跳频的超短波电台在1000-20000跳／秒之间,每秒十万跳以上的跳频电台也已问世.慢跳频通信直接的威胁主要有跟踪式干扰或转发式干扰,能够有效的对抗这种干扰措施是提高跳频速率,这样研究高速跳频通信系统成为了必然.高速跳频通信系统有着良好的保密性和抗干扰能力,但对其实现面临着如同步、组网等技术难题.

由于跳频通信体制对节点的跳频同步有严格的要求,在较大程度上制约着无线自组网各节点间的灵活、自由地通信和自主地组网需求,使得采用跳频体制构建高性能的自组织网络存在较大的困难.跳频通信中必需的跳频同步机制制约着自组网的信道访问控制方式和自组织拓扑结构形成、跳频体制下严格同步的节点通信方式制约着Ad Hoc网络的通信能力和路由中继能力,使得多跳节点的自组织网络变化灵活的节点间链路构建、自适应动态拓扑结构与动态路由、灵活自适应组网的优势难以发挥.高跳速的跳频通信系统有着良好的保密能力和抗干扰能力,但对其实现也带来了一系列的技术难题.跳频速率越快．对时延精度要求越高．同步技术难度越大,在多跳无线环境下,快速跳频的同步将更加复杂.

三、传播时延对快速跳频组网的影响

提高跳频速率能够增强网络的抗干扰能力,但同时也增大了多跳自组织组网的难度.随着跳频速率的增加,其频隙长度也不断减小．当其减小到接近信道传播延迟时,将对节点间链路构建产生重大影响,在很大程度上制约了AdHoc组网拓扑结构的形成.以5万跳／秒的电台为例．其频隙长度为20微秒,而当收,发双方间的距离达到6千米时,信道传播延迟也为20微秒,双向通信时需要收发双方一个频隙长度(20微秒)的延迟补偿机制,从而限制了更多的电台参与到组网通信中.这种情况直接制约了Ad Hoc的多节点自组织网络拓扑结构的形成.快速跳频自组织组网呈现出区别于普通低速跳频组网的特殊性,因此需要研究新的跳频组网技术.

3.1时延分析

一个跳频帧从发送节点到其一跳接收节点,按照先后顺序主要经历的时延有发送处理时延、空中传播时延和接收处理时延.

发送处理时延主要由产生跳频帧的时间和跳频帧通过发送通道到达空中的时间组成.由于跳频帧可以在一跳开始前准备好,时间的对齐从跳频帧的发送时刻开始计算,因此这部分的时延只需要考虑经历发送通道的时间.在软件无线电平台下,跳频帧经过发送通道的时延主要取决于数字上变频器的时延,由成形滤波器和其他HBF. CIC滤波器引起.

空中传播时延主要取决于两个节点之间的距离.

接收处理时延主要由跳频帧经过接收通道的时间和在接收缓冲器中等待处理的时间组成.接收通道的时延主要取决于数字下变频器的时延,由半带滤波器引起.DSP/ASIC处理等待时延大小取决于进入缓冲器的数据率和缓冲区的大小,其最大值为数据第一次进入缓冲区时,填满缓冲区的时间.

当系统的参数确定时,可以对发送处理时延和接收处理时延进行准确的估计,估计的精度可控制在几微秒之内.在Adhoc网络中,源节点往往需要经过中间节点的多跳转发才能将数据送到目的节点.在采用TDMA接入时．中间转发节点在收到转发包时,要等到分配给该节点的时隙到达时才将数据包转发出去,也就是节点的各个时隙之间是相互独立的.因此,只有可以直接通信的两个节点之间的传播时延才会影响保护带设定.在移动环境下估计两个节点之间的传播时延比较困难,需要付出较大的系统代价.当网络中可直接通信的两个节点之间的最大距离在几十公里时．其间的传播时延为几十微秒,如果时隙长度为几十毫秒,通过在时隙间增加几十微秒的保护带来允许传播时延的存在不会对系统性能造成很大的影响.因此,系统可以不对节点间的传播时延作具体估计．

3.2时延对跳频通信组网的具体影响

3.2.1点对点双工通信

对于最基本的点对点双工通信而言,目前,多数跳频电台采用“接收方主动同步发送方”的自同步方式实现点对点通信.发送方在数据前插入同步信息,而接收方通过提取同步信息,实现与发送方的同步.当通信方向反向时,新的接收方可能需要重新与当前的发送方进行同步.

与普通低速跳频通信不同,快速跳频下的一对点到点通信电台在两个传输方向上分别同步是必要的.以图l为例,电台A.B的频隙均为20us（即跳频速率为5万跳／秒）,电台A、B之间传播时延tdAB3等于 dAB/C．其中．c表示光传播速度,d表示节点A.B之间的距离.在忽略收发机的处理时延情况下,当A向B发送时．B相对于A的定时偏差为

在战术环境中,站点之间的无线信道是动态变化的,在A—B和B—A两个方向上的传播延迟不尽相同,即tdAB≠tdBA,这样两个站点之间的相对定时偏差存在差异.而随着跳频速率越快．频隙的时长越短,一旦定时偏差接近频隙时,那么两个方向上的跳频图案将不再同步.

即使电台系统时钟能够完全同步（例如采用GPS同步）,点到点通信电台在两个传输方向上也必须分别同步.在图2中,当A向B传输时,B的跳频图案将比A的跳频图案延迟nAB个频点,而B向A传输时．A的跳频图案将比B的跳频图案延迟nBA个频点.频点数nAB和nBA与A.B间两个方向的传播延迟有关.

目前实现基于快跳的点对点双工通信,一般采用双向分别同步的方式,但这种方式无可避免的引入额外的通信延迟.可见,接收方主动同步发送方的同步方式已经不适用于高速跳频通信.

3.2.2多点单跳组网

在多跳无线环境下,快速跳频的同步将更加复杂.因为当站点间距较大时,信号的传播延迟与跳频系统的频隙可比拟,使得网络中部分站点即便在彼此的通信范围之内．也无法直接通信.这时,可以通过中心站点进行中继来实现多点单跳组网通信.

如图3所示,以5万跳／秒为例（频隙为20us）,若电台A、B和C均位于彼此的传输覆盖范围内,理论上电台A、B和C彼此之间可以直接通信．,假如按照某种初始同步机制,电台B、C已经与电台A实现正常的点到点通信,即电台B和C获得了相对于电台A的定时偏差△tBA和△tCA并进行了延迟补偿（这里假设A为主站．B.C为从站,从站跟随主站保持跳频同步）.定时偏差包括两个电台间的绝对时间偏移和它们之间的传播时延（忽略收发机的处理时延）,如图4(a)所示.AB和AC之间的定时偏差分别为：

(1)当AB和AC之间的空间距离相差较大,且BC之间的传播时延也比较大时,所引入的相对传播时延可与数据帧的频隙相比拟,此时△tBc>,DT,其中DT表示与频隙相关的系统常量,如图4(b).此时B和C之间频隙错位,必须重新同步才可以直接通信.

(2)当AB和AC之间的空间距离相差不大,且BC之间的传播时延较小时,所引入的相对传播时延与频隙相比要小．即当满足△tBL<,DT,如图4(c)所示．B和C之间频隙同步,故无需再次同步即可直接通信.此时,站点A.B和C彼此之间可以实现双向通信.

通过上述分折可知,由于快跳系统对时延敏感,电台间的传播延迟的差异,可能会造成部分站点间的跳频图案不同步,从而形成了“B.C在各自的通信范围之内,且都与主站A同步．双方仍然无法通信”的特殊情况.所以在有中心的点对多点(PMP)组网结构中,从站间无法直接通信,而必须通过主站中继.但是在这种组网结构中,主站容易形成瓶颈．并且网络的抗毁性较差.

如果采用自组织组网方式,由于网内电台（电台）间的物理距离各不相同,加上无线信道的动态变化特性,造成传播延迟也各不相同.即使全网能够实现时钟同步,电台还必须掌握与所有邻居电台的传播延迟,并根据通信电台的不同,不断修正跳频图案.这对电台提出了很高的要求,也严重地制约了电台的组网规模.

4.对传播时延的处理方法

4.1直接测量和估算相结合

当一个通信系统模型构建好以后,对于发送接收处理时延,可根据系统的硬件指标,进行精确的估算得到.对于传播时延,如果节点静止,则可以先测出信息在两点间往返所用的时间△t．或者测出两点之间的距离dAB,则可通过计算得出传播时延Td．然后进行系统时间信息的补偿.

重视,应用领域也不断在扩大.跳频技术主要应用在军事通信上,特别是战场通信,这是由它良好的抗干扰性能决定的.各国军方对跳频技术都非常重视,均投人了大量的人力、财力进行研究.在民用通信领域也有成功的应用．蓝牙技术就是典型案例,它是开放性、低功率、短距离无线通信技术标准,可在各种数字设备之问实现灵活、低成本、小功耗的话音和数据通信.但是,随着人们对保密性能及抗干扰性能的要求越来越高,高速跳频正被深入的研究,然而,跳频速率越快,对时延精度要求越高,同步技术难度越大,在多跳无线环境下,由于传播时延的影响,快速跳频的同步将更加复杂.