王 強(qiáng) 王 魁

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,江蘇 揚(yáng)州 225101;2.解放軍92692部隊(duì),廣東 湛江 524000)

0 引言

聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)(JTIDS)是一種區(qū)域級(jí)綜合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng),主要為美軍各兵種提供大容量、抗干擾、保密的數(shù)據(jù)信息分發(fā),如圖1所示。

圖1 JTIDS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

JTIDS使用了時(shí)分多址(TDMA)通信體系結(jié)構(gòu),能同時(shí)支持大約20個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作,網(wǎng)內(nèi)成員多達(dá)數(shù)百個(gè),并可通過(guò)中繼實(shí)現(xiàn)超視距數(shù)據(jù)傳輸。JTIDS 系統(tǒng)工作在L 頻段,傳輸速率為28.8～238 kbps,JTIDS信號(hào)采用跳時(shí)、跳頻加擴(kuò)頻的抗干擾通信體制,跳頻速率達(dá)76 900次/s,具有良好的抗干擾保密通信能力。表1列出了JTIDS的基本工作參數(shù)。

表1 _JTIDS系統(tǒng)的基本工作參數(shù)

1 JTIDS通信體系結(jié)構(gòu)與消息結(jié)構(gòu)

1.1 通信模式和網(wǎng)絡(luò)體系

JTIDS可設(shè)置3種通信模式,在一個(gè)JTIDS網(wǎng)絡(luò)中的所有成員用戶必須采用同一種通信模式。

(1)模式1:這是JTIDS 系統(tǒng)的常用工作模式,支持跳頻,發(fā)送加密信息,具備多網(wǎng)同時(shí)工作能力。

(2) 模式2:只支持定頻單網(wǎng)工作,工作頻率為969 MHz,發(fā)送加密信息。

(3) 模式4:只支持定頻單網(wǎng)工作,工作頻率為969 MHz,發(fā)送非加密信息。

1.2 TDMA 通信體系結(jié)構(gòu)

JTIDS 系統(tǒng)采用TDMA 通信體系結(jié)構(gòu),將1天24 h劃分為112.5個(gè)時(shí)元,每個(gè)時(shí)元12.8 min,劃分為64幀,每幀12 s,被分為1 536個(gè)時(shí)隙,每個(gè)時(shí)隙7.812 5 ms,每個(gè)時(shí)元總共有98 304個(gè)時(shí)隙,98 304個(gè)時(shí)隙又被分為A、B、C 共3組,每組包含32 768(2×3)個(gè)時(shí)隙。JTIDS 系統(tǒng)按需給成員端機(jī)分配工作時(shí)隙,時(shí)元、時(shí)幀和時(shí)隙劃分見圖2。

圖2 JTIDS時(shí)分多址通信體系結(jié)構(gòu)

1.3 時(shí)隙詳細(xì)結(jié)構(gòu)

JTIDS 時(shí)隙采取射頻脈沖串發(fā)射方式,如圖3所示。1個(gè)時(shí)隙一般分為起始段、傳送段和保護(hù)段。其中起始段和保護(hù)段共占4.458 5 ms,不發(fā)射信號(hào),傳送段占3.354 ms,發(fā)射射頻脈沖串,可傳送對(duì)應(yīng)129個(gè)字符的脈沖串。由于JTIDS主要工作模式下的作用距離為300 n mile(550 km),只要保護(hù)段不小于2 ms,就可以保證本時(shí)隙信號(hào)在下一個(gè)時(shí)隙信號(hào)來(lái)臨之前到達(dá)所有成員用戶。因此,起始段在2.458 5 ms內(nèi)隨機(jī)抖動(dòng)。時(shí)隙結(jié)構(gòu)一般由抖動(dòng)、粗同步、精同步、報(bào)頭、數(shù)據(jù)與傳輸保護(hù)段六大部分組成。

圖3 時(shí)隙詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖

1.4 脈沖字符格式

JTIDS數(shù)據(jù)鏈的射頻發(fā)射信號(hào)是脈沖串的形式,JTIDS中設(shè)計(jì)有2種脈沖字符格式:一種是每個(gè)脈沖所載信息不相同,稱為單脈沖字符;另外一種是相鄰的2個(gè)脈沖所載信息完全相同,只是其載波頻率不同,接收機(jī)只要收到2個(gè)脈沖中的一個(gè),就能檢測(cè)出所含的數(shù)據(jù),稱為雙脈沖字符。在多徑效應(yīng)和存在外部干擾的情況下,雙脈沖字符能大大提高正確檢測(cè)信息數(shù)據(jù)的概率,只是信息傳輸速率只有單脈沖字符的一半。

一個(gè)單脈沖字符的持續(xù)時(shí)間為13μs,前6.4μs為載波調(diào)制,即為偽隨機(jī)序列,共32個(gè)碼片,每個(gè)碼片寬度為0.2μs,32 個(gè)碼片通過(guò)循環(huán)碼移位鍵控(CCSK)映射為5 bit信息,后6.6μs為等待間隔時(shí)間,如圖4所示。

圖4 JTIDS 信號(hào)的脈沖格式

1.5 消息封裝結(jié)構(gòu)

JTIDS 系統(tǒng)為支持多種脈沖字符格式、不同的抗干擾性能和信息傳輸速率需求,設(shè)計(jì)了5種不同的消息封裝結(jié)構(gòu)(也稱數(shù)據(jù)包格式),分別是標(biāo)準(zhǔn)雙脈沖消息封裝(STDP)、2倍壓縮單脈沖消息封裝(P2SP)、2倍壓縮雙脈沖消息封裝(P2DP)、4倍壓縮單脈沖消息封裝(P4SP)以及往返定時(shí)詢問與應(yīng)答封裝。圖5介紹了JTIDS 系統(tǒng)產(chǎn)生的4種主要不同數(shù)據(jù)包格式。

圖5 JTIDS數(shù)據(jù)包封裝格式

具有時(shí)間抖動(dòng)和脈沖冗余的封裝格式自然有更強(qiáng)的抗干擾能力,所以標(biāo)準(zhǔn)雙脈沖封裝STDP 結(jié)構(gòu)抗干擾能力最強(qiáng),P2SP 與P2DP 結(jié)構(gòu)次之,P4SP結(jié)構(gòu)抗干擾能力最差。美國(guó)海軍實(shí)際使用時(shí)就優(yōu)先使用STDP 結(jié)構(gòu),以消除多徑效應(yīng)、平臺(tái)機(jī)動(dòng)和各種干擾帶來(lái)的不利影響。

1.6 消息和時(shí)隙類型

JTIDS 系統(tǒng)每個(gè)時(shí)隙所發(fā)射脈沖的總和叫做一條消息,JTIDS 系統(tǒng)發(fā)送2種類型的基本信息:一種是規(guī)范化信息,每一比特都有特定的含義,所以大量信息可以壓縮在很短的發(fā)送時(shí)間中;二是非規(guī)范化信息,即自由電文,自由電文的作用是傳輸面向符號(hào)的數(shù)據(jù),如數(shù)字化語(yǔ)言或者電傳打印文本等,JTIDS 可以發(fā)射下述4種類型的消息:

(1)“0”類型(非編碼自由電文):這種消息未使用糾錯(cuò)編碼,它適合與幾種數(shù)字設(shè)備相接,比如數(shù)字話音和電傳打字,優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)字符格式比較自由,缺點(diǎn)是抗干擾能力較弱。

(2)“1”類型(固定格式):這種類型的消息使用了糾錯(cuò)檢錯(cuò)碼,適合于做格式化信息交換,它是JTIDS 的常用格式,具有數(shù)據(jù)字符格式規(guī)范、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

(3)“2”類型(RTT):只用于有源時(shí)間同步。

(4)“3”類型〔編碼自由電文〕:和0類型一樣,但使用了糾錯(cuò)編碼。自由電文適用于傳送數(shù)字話音、ASCII 消息、傳真、電碼及其它高速數(shù)據(jù)。

因?yàn)椤?”,“1”和“3”類型的消息均有STDP、P2SP、P2DP、P4SP 4種封裝結(jié)構(gòu),所以共形成了12種時(shí)隙封裝格式類型,如表2所示。

表2 12種時(shí)隙封裝格式

1.7 鏈路傳輸損耗模型

JTIDS 系統(tǒng)不同節(jié)點(diǎn)平臺(tái)之間的視距傳輸路除了具備自由空間傳輸損耗特性外,在實(shí)際使中還受到陰影效應(yīng)、遠(yuǎn)近效應(yīng)、多徑效應(yīng)和多普勒應(yīng)等其他因素的影響,這些影響在分析計(jì)算時(shí)需以一定的考慮。鏈用效予

2 JTIDS 系統(tǒng)的抗干擾能力及誤碼率分析

2.1 抗干擾特點(diǎn)

JTIDS采用了RS 糾錯(cuò)編碼、擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)、抖動(dòng)、雙脈沖冗余等多種抗干擾方式,因此JTIDS數(shù)據(jù)鏈有非常強(qiáng)的抗干擾、抗偵察能力。

2.1.1 差錯(cuò)控制技術(shù)

JTIDS 采用了4種不同的差錯(cuò)控制編碼:(70,75)檢錯(cuò)編碼、RS編碼、交織碼與雙脈沖字符編碼。采用(70,75)檢錯(cuò)編碼可以使接收端檢測(cè)到大多數(shù)的傳輸錯(cuò)誤,然后決定是否進(jìn)行重傳。JTIDS 在RS解碼時(shí)采用了糾錯(cuò)與糾刪2種模式,采用糾刪會(huì)使系統(tǒng)性能大幅度提高。如果為錯(cuò)誤的符號(hào)個(gè)數(shù),為刪除的符號(hào)個(gè)數(shù),則對(duì)于數(shù)據(jù)段采用的RS(31,15)編碼,不采用糾刪模式時(shí),它可以糾正的錯(cuò)誤符號(hào)數(shù)=8;在采用糾刪模式時(shí),它可以糾正任何滿足2+≤16的錯(cuò)誤。JTIDS的數(shù)據(jù)段采用了31×3的字符交織,因此理論上可以糾正長(zhǎng)為3×8個(gè)符號(hào)的突發(fā)錯(cuò)誤。

2.1.2 擴(kuò)頻及解擴(kuò)技術(shù)

為了使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力,JTIDS采用了偽碼直序擴(kuò)頻和快速脈間跳頻的混合擴(kuò)頻方式。

JTIDS 采用基于循環(huán)移位的32進(jìn)制直序擴(kuò)頻,它的帶寬僅為傳統(tǒng)二進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的1/5,這使得它特別適合于頻譜寬度限定而又要求一定處理增益的場(chǎng)合。擴(kuò)頻時(shí),按照時(shí)隙的直擴(kuò)偽碼序列圖案,每5 Bit信息去控制特定的32位偽碼循環(huán)移位,脈寬6.4μs,擴(kuò)頻前的帶寬為0.78 MHz,擴(kuò)頻后的帶寬增加到3.5 MHz。JTIDS 采用的這種直序擴(kuò)頻方式,使信號(hào)的功率譜密度下降,提高了該系統(tǒng)抗連續(xù)波干擾、白噪聲干擾和欺騙干擾的能力。同時(shí),這種方式也有助于減少網(wǎng)間干擾。

JTIDS 采用脈間跳頻的方式,從969～1 008 MHz(設(shè)置14個(gè)頻點(diǎn)),1 053～1 065 MHz(設(shè)置5個(gè)頻點(diǎn))和1 113～1 206 MHz(設(shè)置32個(gè)頻點(diǎn))中每隔3 MHz選1個(gè)頻點(diǎn),共可得51個(gè)頻點(diǎn)。系統(tǒng)的工作頻點(diǎn)要在跳頻圖案的控制下從這51個(gè)頻點(diǎn)中選取,跳頻頻率間隔為3 MHz,同時(shí)要保證相鄰頻點(diǎn)間隔大于30 MHz。跳頻圖案集合中的任意2個(gè)跳頻圖案在所有相對(duì)時(shí)延下發(fā)生頻點(diǎn)重合的次數(shù)要盡可能少。

2.2 JTIDS系統(tǒng)的誤碼率

誤碼率是指在實(shí)際通信中傳輸?shù)某鲥e(cuò)概率,也就是傳輸中出錯(cuò)的位數(shù)()與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總位數(shù)()之比。它是衡量一個(gè)通信系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。

為了定量評(píng)估各種JTIDS 波形傳輸?shù)姆?hào)差錯(cuò)概率,建立了JTIDS的傳輸鏈路模型,如圖6所示。由圖6可以看出,我們需要計(jì)算接收機(jī)輸出端最小頻移鍵控(MSK)解調(diào)、CCSK解擴(kuò)和RS 解碼的差錯(cuò)概率,才能最終計(jì)算出JTIDS系統(tǒng)誤碼率。

圖6 JTIDS的傳輸鏈路模型

2.2.1 MSK 解調(diào)誤碼率

式中:E /表示信噪比,E 為平均每個(gè)碼片的能量(設(shè)E 為平均每符號(hào)的能量,E 為平均每比特的能量,對(duì)于JTIDS則有E =5E =32E );表示JTIDS 波形脈沖字符格式,=1或2,分別代表單、雙脈沖字符格式。

JTIDS波形傳輸時(shí)采用了單脈沖字符格式或雙脈沖字符格式,當(dāng)采用雙脈沖字符格式時(shí),由于每個(gè)符號(hào)傳輸在2個(gè)不同的載波上,因此每個(gè)符號(hào)的平均能量為E =2E ,E 為每個(gè)脈沖的平均能量。

2.2.2 CCSK解擴(kuò)誤碼率

對(duì)于CCSK 解擴(kuò),設(shè)事件表示CCSK 相關(guān)判決錯(cuò)誤的誤符號(hào)率,事件表示經(jīng)過(guò)MSK 解調(diào)后的誤碼片概率,P 表示CCSK 解擴(kuò)后系統(tǒng)輸出的誤符號(hào)率,P 為JTIDS 波形經(jīng)過(guò)MSK 解調(diào)的誤碼片概率。P 為MSK 解調(diào)后的CCSK數(shù)據(jù)碼中有個(gè)碼片錯(cuò)誤的概率,為CCSK 編碼后的碼片數(shù),為32。

由此得出經(jīng)CCSK解擴(kuò)后的誤符號(hào)率為:

式中:0≤≤32;條件概率{|=}表示經(jīng)過(guò)MSK 解調(diào)后有個(gè)碼片錯(cuò)誤的條件下又經(jīng)過(guò)CCSK 相關(guān)解擴(kuò)的誤符號(hào)率。

參考文獻(xiàn)[2]采用蒙特卡洛法,通過(guò)Matlab仿真得出在從0～32變化時(shí),條件概率{|=}分別為:[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]。

對(duì)元擴(kuò)頻通信,誤比特率與誤符號(hào)率關(guān)系:

式中:P 為元擴(kuò)頻通信解擴(kuò)后的誤符號(hào)率。

由以上討論可得,JTIDS經(jīng)過(guò)CCSK解擴(kuò)后的系統(tǒng)誤比特率公式為:

2.2.3 RS 解碼誤碼率

RS解碼的誤碼率可用信道誤碼率表示:

式中:表示碼本能夠糾正的錯(cuò)誤碼元的個(gè)數(shù),每個(gè)比特組成1個(gè)碼元。

當(dāng)一個(gè)由比特組成的符號(hào)出錯(cuò)時(shí),其中有個(gè)比特出錯(cuò)的情況共有C 種,因此每個(gè)比特符號(hào)出錯(cuò)的平均比特差錯(cuò)概率為:

JTIDS進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí),數(shù)據(jù)段部分采用了(31,15)RS糾刪糾錯(cuò)編碼。當(dāng)此RS編碼僅用于糾錯(cuò)時(shí),能糾正8個(gè)以內(nèi)的錯(cuò)誤字符。將經(jīng)CCSK 解擴(kuò)的誤碼率公式(2)代入式(5),得出JTIDS 系統(tǒng)經(jīng)RS 碼糾錯(cuò)以后的誤符號(hào)概率近似為:

JTIDS經(jīng)RS 碼糾錯(cuò)后的平均誤比特概率為:

最終的誤碼率計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 單脈沖形式下的JTIDS系統(tǒng)誤碼率

圖8 雙脈沖形式下的JTIDS系統(tǒng)誤碼率

3 JTIDS系統(tǒng)的頻譜使用效率分析

3.1 通信系統(tǒng)的頻譜使用效率

根據(jù)無(wú)線電系統(tǒng)頻譜使用和效率的定義——ITU-R SM.1046建議書,通信系統(tǒng)的頻譜利用效率可通過(guò)下式計(jì)算給出:

式中:為通信系統(tǒng)的頻譜利用效率;為該通信系統(tǒng)的效用;為該通信系統(tǒng)的頻譜利用因子。

3.2 JTIDS系統(tǒng)的效用

對(duì)于JTIDS系統(tǒng),可以使用有效傳輸速率乘以信息傳輸?shù)目偩嚯x來(lái)衡量其效用:

式中:為使用JTIDS系統(tǒng)得到的效用;為系統(tǒng)的有效傳輸速率;為信息傳輸?shù)木嚯x;S 為抗干擾補(bǔ)充因子,主要反映頻域和極化域特性。

通信裝備的接收基帶處理部分特性包括解碼、解調(diào)、解擴(kuò)、解多址等因素的改善作用在后續(xù)禁用幾何空間的計(jì)算中體現(xiàn)。對(duì)于JTIDS 系統(tǒng),S 主要包括頻率跳變因子S :

式中:B 為允許的頻率跳變占用范圍;B 為信號(hào)瞬時(shí)帶寬。

對(duì)于JTIDS系統(tǒng),在跳頻狀態(tài)下,S =51×3/3.5=43.7,可得S =43.7;在定頻狀態(tài)下,S =S =1。

JTIDS的終端具有多種功率模式,常規(guī)模式峰值功率為200 W,中等模式峰值功率為25 W;低功率模式峰值功率為1 W;JTIDS的部分終端還配置有高功放組(HPA)(輸出功率1 000 W),實(shí)際使用時(shí)根據(jù)抗干擾要求決定是否需要加高功放組。

表3 不同模式下的發(fā)射功率和通訊作用距離

3.3 JTIDS系統(tǒng)的的頻譜利用因子

JTIDS系統(tǒng)的頻譜利用因子可以使用下面的公式確定:

式中:為JTIDS系統(tǒng)的頻譜利用因子;為禁用的頻率帶寬;為禁用的幾何空間(面積);為禁用時(shí)間,該值取為1。

3.3.1 禁用的頻率帶寬

當(dāng)工作在960～1 215 MHz頻段上,JTIDS系統(tǒng)除了實(shí)際使用的969～1 008 MHz,1 053～1065 MHz和1 113～1 206 MHz共3段頻率外,美軍把960～968 MHz頻段和1 207～1 215 MHz頻段留作保護(hù)頻段,沒有分配給任何設(shè)備使用,以免對(duì)JTIDS產(chǎn)生干擾。此外,美軍為了避免JTIDS和敵我識(shí)別(IFF)之間的相互干擾,把1 009～1 052 MHz頻段和1 066～1 112 MHz頻段的兩端也各留了8 MHz做保護(hù)頻段。因此JTIDS系統(tǒng)在跳頻情況的禁用頻率帶寬可按下式進(jìn)行估算:

而JTIDS系統(tǒng)在非跳頻狀態(tài)下的禁用頻率帶寬可按如下值進(jìn)行估算:

3.3.2 禁用幾何空間

JTIDS系統(tǒng)主要采用全向天線,禁用幾何空間可以采用下式計(jì)算:

式中:為禁用的幾何空間(km);為禁用半徑(km),并有:

式中:為發(fā)射功率(dBm);為發(fā)射電路的損耗(dB),約為3 dB;為發(fā)射機(jī)天線增益(d B),約為3 dB;為接收機(jī)的天線增益(dB),約為3 dB;為接收機(jī)電路的損耗(dB),約為3 dB;為極化損耗(dB);I 為接收機(jī)干擾門限(d Bm);為工作的中心頻率(取1 000 MHz);A 為附加損耗(d B),取4 dB。

(1) 接收機(jī)干擾門限電平計(jì)算方法

式中:為接收機(jī)干擾門限電平(d Bm);為接收機(jī)噪聲功率電平;為波爾茲曼常數(shù),-228.6 dB;為標(biāo)準(zhǔn)溫度,=290=24.6 dB;為接收機(jī)噪聲系數(shù),3 d B;為接收機(jī)帶寬,通常等于1.2～1.5(=3.5 MHz),約為5 MHz;/為被干擾系統(tǒng)接收機(jī)所允許的最大干噪比,取值可參考達(dá)到規(guī)定系統(tǒng)誤碼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) 常規(guī)模式下的計(jì)算

JTIDS 常規(guī)模式下的信息傳輸距離約為555.6 km,接收到的最小信號(hào)約為-99 d Bm W,則在無(wú)外界干擾下,信號(hào)信噪比(/) 為5 d B。

對(duì)于幾種典型的時(shí)隙類型,系統(tǒng)允許誤碼率分別為10、10、10時(shí),所需的最小信噪比(/)可通過(guò)圖7和圖8查到,如表4所示,據(jù)此可根據(jù)公式(16)計(jì)算出不同允許誤碼率指標(biāo)下的值,如表5所示。

表4 不同允許誤碼率指標(biāo)下的 (S/N)min 值

表5 不同允許誤碼率指標(biāo)下的Ir 值

3.4 JTIDS系統(tǒng)的頻譜使用效率計(jì)算

以JTIDS 工作在常規(guī)功率模式(=53 d Bm W,信息傳輸距離=555.6 km)為例,假定受干擾情況下允許的誤碼率為10,分別計(jì)算不同通信模式下的頻譜使用效率。

(1) 通信模式1下的頻譜使用效率計(jì)算

通信模式1是JTIDS系統(tǒng)的常用工作模式,頻譜使用效率計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 通信模式1下的頻譜使用效率計(jì)算結(jié)果

(2) 通信模式2、4下的頻譜使用效率計(jì)算

模式2和模式4下JTIDS 系統(tǒng)定頻工作,頻譜使用效率計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 通信模式2和4下的頻譜使用效率計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

從表6和表7看出,無(wú)論JTIDS 系統(tǒng)工作在何種通信模式下,使用時(shí)隙類型100(采用RS編碼的雙脈沖時(shí)隙類型)時(shí),雖然有效傳輸速率(28 800 b/s)最低,但由于抗干擾能力最強(qiáng),能在更惡劣的電磁環(huán)境下工作,所以其頻譜使用效率反而更高。

對(duì)比表6和表7,采用相同時(shí)隙類型,跳頻情況下的頻譜使用效率只比定頻時(shí)略高一點(diǎn),這主要是因?yàn)橹挥?jì)算了單網(wǎng)工作時(shí)跳頻情況下的頻譜使用效率,而JTIDS跳頻支持多網(wǎng)工作時(shí)會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)整體有效傳輸速率的提高,也會(huì)帶來(lái)頻譜使用效率的提高,但由于缺乏JTIDS多網(wǎng)工作的技術(shù)細(xì)節(jié),此問題有待后續(xù)進(jìn)一步仿真計(jì)算。