CN101645725B - 认知无线电tfh-cdma系统中的时-频跳序列构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种认知无线电TFH-CDMA系统中的时-频跳序列簇构造方法。其构造过程如下：首先，根据系统当前可用频点n，构造q个长度为L的最优的跳频序列簇；然后，构造L个长度为L的直扩序列，使任一的一对跳频序列和直扩序列成为一个时-频跳序列，构造数量为Lq的时-频跳序列簇；当系统的可用频点数增加或减少时，构造相应的跳频序列，此时，重新构造与跳频序列长度相等的直扩序列，从而生成新的时-频跳序列簇。本发明构造的时-频跳序列簇具有序列数量多、无碰撞区间大和频谱利用率高的优点，可直接应用于基于认知的TFH-CDMA通信系统中。

Description

认知无线电TFH-CDMA系统中的时-频跳序列构造方法

技术领域

本发明属于数字通信技术领域，涉及时-频跳序列构造，可应用于基于认知无线电的时-频跳码分多址通信系统。

背景技术

在CDMA通信系统中采用扩频技术，可以大大提高系统的传输速率和抗干扰能力。当前，CDMA系统根据扩频的方式不同，可以分为：直接序列扩频CDMA、跳频CDMA和跳时CDMA。但是，单独使用直接序列扩频技术或跳频技术已不能满足系统的容量和传输速率的需求。时-频跳CDMA系统的提出，有效的解决了这个问题，该系统可以大大提高信息传输速率和系统容量。与此同时，认知无线电技术由于可以感知无线环境中的频谱空洞，从时间和空间上自适应、智能、动态地选择空闲的频谱资源，所以可以大大提高系统的频谱利用率。因此，将认知无线电技术应用于时-频跳CDMA系统，可以大大提高系统的性能。

在认知无线电时-频跳CDMA系统中，系统为每个用户都分配了一个唯一的时-频跳序列，每个时-频跳序列都由两个不同的序列组成，一个用来进行直接序列扩频，另一个用来产生跳频图案。直扩和跳频采用不同的序列能够协同分配时域和频域资源，协同调节直扩序列和跳频序列的自相关函数和互相关函数的矛盾，解决序列集当中序列数目不足和抗干扰优化的问题。

参照图1，认知无线电TFH-CDMA系统的原理如下：某个用户的数据在经过编码后，首先由PN序列进行直接序列扩频，得到直扩调制信号，该直扩调制信号再经过跳变频率合成器进行频率调制后，就与其他用户的数据一起在信道中传输，在对用户数据进行直接序列扩频和频率调制的过程中，用户的PN序列和跳变频率合成器分别由其时-频跳序列中的直扩序列和跳频序列控制；在信号的接收端，由于用户拥有与发端相同的时-频跳序列，所以首先用该时-频跳序列中的跳频序列控制频率合成器，匹配基于跳频模式的频率，然后，再用直扩序列对信号进行解扩，并进行译码，最终得到原始数据。

当前，应用于认知的时-跳频CDMA通信系统中的无碰撞区时-频跳序列，由于从跳频序列中消除某些频点时，序列仍然具有无碰撞区，因此具有很好的抗多径干扰和多址干扰的能力，但这种序列仍存在以下一些问题：

1、序列簇中的序列个数太少，直接限制了TFH-CDMA通信系统中用户的数量。

2、序列的无碰撞区间太小，即抗多址干扰的区间太小。

发明内容

本发明的目的在于克服上述时-频跳序列的缺点，提出了一种新的认知无线电TFH-CDMA系统中的时-频跳序列构造方法，以增加TFH-CDMA系统的用户数量，增强系统的抗多址干扰能力，提高TFH-CDMA系统的性能。

实现本发明目的技术方案是：根据当前可用频点数n，采用模长度L的方式，构造具有大的无碰撞区间的跳频序列簇S；并将长度为L的Chu序列的循环移位作为直扩序列；根据构造的跳频序列簇和直扩序列构造具有大的无碰撞区间的时-频跳序列簇；当TFH-CDMA系统在使用上述生成的时-频跳序列的过程中，若感知到当前可用频点数n中的某个频点不可用时，则从当前跳频序列簇中去掉该频点，重新生成新的跳频序列，并构造与新跳频序列长度相等的直扩序列，根据新的跳频序列和直扩序列构造新的时-频跳序列；当TFH-CDMA系统在使用上述构造的时-频跳序列过程中，若感知到有新的频点能够使用时，则在当前可用频点数n中加入新频点，重新构造新的跳频序列和直扩序列，根据新的跳频序列和直扩序列构造新的时-频跳序列簇。具体构造步骤包括：

(1)设系统当前的频点数为n＝pq，构造长度为L＝tn+ap的跳频序列簇，其中p和q为正整数，t为大于1的整数，a为0到q之间的整数，t和a用来控制L的长度，

将当前的n个频点复制t次并依次连接，再在其末尾加入n的前ap个频点，得到第一个跳频序列s₁(l)，0≤l＜L；

将s₁(l)以p为单位循环右移q-1次，得到整个跳频序列簇为：

S＝{s_i(l)：1≤i≤q，0 ≤l＜L}；

(2)利用长度为L的Chu序列a(0)，构造直扩序列：a(τ)，该a(τ)是对a(0)循环右τ位后得到的序列，τ为0到L-1之间的整数；

(3)由任一的一对跳频序列和直扩序列构成一个时-频跳序列，利用跳频序列簇S和直扩序列a(τ)，构造时-频跳序列簇：

[s_i(l)，a(τ)]，其中1≤i≤q，0≤τ＜L；

(4)系统在使用步骤(3)生成的时-频跳序列过程中，若感知到频点数n中的第k个频点不能使用，则在步骤(1)生成的跳频序列簇S中，用n的第

个频点值代替第k个频点值，得到新的跳频序列簇S′＝{s_i′(l)：1≤i≤q，0≤l＜L}，

利用步骤(2)中长度为L的直扩序列a(τ)和步骤(3)，构造新的时-频跳序列簇[s_i′(l)，a(τ)]，其中1≤i≤q，0≤τ＜L；

(5)系统在使用步骤(3)生成的时-频跳序列过程中，若感知有一个新的频点能够使用，则将该频点加入步骤(1)中的频点数n中，获得当前频点数为n+1，利用n+1＝p″q″，其中p″和q″为正整数，根据步骤(1)，重新构造新的跳频序列簇：

S″＝{s_i″(l)：1≤i≤q″，0≤l＜L″}，其中s_i″(l)为该序列簇的第i个跳频序列，L″＝t(n+1)+ap″为该跳频序列簇的长度，

根据步骤(2)，构造新的长度为L″的直扩序列：a″(τ)，其中0≤τ＜L″，

再根据步骤(3)，重新构造新的时-频跳序列簇：[s_i″(l)a″(τ)]，其中，1≤i≤q″，0≤τ＜L″。

本发明具有如下优点：

1.本发明由于所设计的时-频跳序列簇中序列的数量可随系统参数t的增大而成倍的增加，因此大大的提高了TFH-CDMA通信系统用户的数量；

2.本发明由于所设计的时-频跳序列簇的无碰撞区间已达到理论上的最佳值，因此确保了TFH-CDMA通信系统中有较大的抗多址干扰的区间。

3.本发明由于所设计的时-频跳序列簇具有认知能力，能够根据系统当前可用频点的变化，生成新的时-频跳序列，从而最大限度的使用可用频谱资源，因此，提高了TFH-CDMA通信系统的频谱利用率。

附图说明

图1基于认知的TFH CDMA通信系统；

图2基于认知的时-频跳序列簇构造方法。

具体实施方式

参照图2，本发明构造基于认知的时-频跳序列簇的步骤如下：

步骤1，由系统当前频点数n，构造跳频序列簇S。

设系统当前的频点数为n＝pq，构造长度为L＝tn+ap的跳频序列簇，其中p和q为正整数，t为大于1的整数，a为0到q之间的整数，t和a用来控制L的长度，

1.1)构造第一个跳频序列s₁(l)

将当前的n个频点复制t次并依次连接，再在其末尾加入n的前ap个频点，得到第一个跳频序列s₁(l)，0≤l＜L；

1.2)构造其余q-1个跳频序列

将s₁(l)循环右移p位，得到第二个跳频序列s₂(l)，将s₁(l)循环右移2p位，得到第三个跳频序列s₃(l)，依次类推，直至将s₁(l)循环右移(q-1)p位，得到第q个跳频序列s_q(l)；

1.3)构造跳频序列簇S

将上述步骤中得到的跳频序列s₁(l)，s₂(l)，…，s_q(l)按获得的时间顺序进行排序，得到跳频序列簇S：S＝{s_i(l)：1≤i≤ q，0≤l＜L}，S是一簇最优的跳频序列簇，该跳频序列簇的性能参数恰好达到理论界条件。

步骤2，构造与跳频序列簇S长度相等的直扩序列a(τ)。

2.1)根据步骤1中跳频序列簇S的长度L，构造长度为L的chu序列a(0)，其中a(0)＝[b₀，b₁，…，b_L-1]，b_k由下述公式生成：

$W_R=e^{\frac{2\mathrm{\π}}{R}j},$ j为虚数，q为系统预先选定的正整数，R为该Chu序列的长度，k为0到R-1之间的整数，；

2.2)利用上述生成的a(0)，构造直扩序列a(τ)

该a(τ)是对a(0)循环右移τ位后得到的序列，例如，将a(0)循环右移一位得到a(1)＝[b_L-1，b₀，b₁，…，b_L-2]，将a(0)循环右移两位得到a(2)＝[b_L-2，b_L-1，b₀，…，b_L-3]，依次类推，将a(0)循环右移τ位得到a(τ)＝(b_τ，b_(τ+1)modL，…，b_(τ+L-1)modL)，τ为0到L-1之间的整数；由此，可得到L个直扩序列。

步骤3，由跳频序列簇S和直扩序列a(τ)，构造时-频跳序列簇。

从跳频序列簇S和直扩序列a(τ)中，任意选取一对跳频序列和直扩序列构成一个时-频跳序列，因此，由步骤1和步骤2构造的时-频跳序列簇为：

[s_i(l)，a(τ)]，其中1≤i≤q，0≤τ＜L；

由于跳频序列簇S中序列个数为q，直扩序列a(τ)的个数为L，因此，构造的时-频跳序列簇数量为Lq，该时-频跳序列簇的无碰撞区间长度为p-1，无碰撞区间是指时-频跳序列簇的自相关和互相关函数值均为零的区间，其自相关包括：周期自相关和非周期自相关；互相关包括：周期互相关和非周期互相关；

时-频跳序列簇的周期自相关的定义为：

给定一个时-频跳序列(A，B)，其中A＝[a₁，a₂，…，a_n]，表示跳频序列，B＝[b₁，b₂，…，b_n]，表示直扩序列，其周期自相关函数为：

$\mathrm{AC}[(A,B),\mathrm{\τ}]=\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}h[a_k,a_{k+\mathrm{\τ}}]b_k{b}_{k+\mathrm{\τ}}^{*}$

其中τ为0到n-1之间的整数，b_k+τ ^*为b_k+τ的共轭，这里h[a_k，a_k+τ]＝1当且仅当a_k＝a_k+τ，否则，h[a_k，a_k+τ]＝0；

时-频跳序列簇的非周期自相关定义为：

给定一个时-频跳序列(A，B)，其中A＝[a₁，a₂，…，a_n]，表示跳频序列，B＝[b₁，b₂，…，b_n]，表示直扩序列，其非周期自相关函数为：

$[(A,B),\mathrm{\τ}]=\underset{k=0}{\overset{n-\mathrm{\τ}-1}{\mathrm{\Σ}}}[a_k,a_{k+\mathrm{\τ}}]b_k{b}_{k+\mathrm{\τ}}^{*}$

其中τ为0到n-1之间的整数，b_k+τ ^*为b_k+τ的共轭，这里h[a_k，a_k+τ]＝1当且仅当a_k＝a_k+τ，否则，h[a_k，a_k+τ]＝0；

时-频跳序列簇的周期互相关的定义为：

给定两个时-频跳序列(Aⁱ，Bⁱ)和(A^j，B^j)，其中 $A^i=[a_1^i,a_2^i,...,a_n^i],$ $B^i=[b_1^i,b_2^i,...,b_n^i],$ $A^j=[a_1^j,a_2^j,...,a_n^j],$ $B^j=[b_1^j,b_2^j,...b_n^j],$ Aⁱ和A^j表示跳频序列，Bⁱ和B^j表示直扩序列，其周期互相关函数为：

$\mathrm{AC}[(A^i,B^i),(A^j,B^j);\mathrm{\τ}]=\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}h[a_k^i,a_{k+\mathrm{\τ}}^j]b_k^i{\left(b_{k+\mathrm{\τ}}^j\right)}^{*}$

其中τ为0到n-1之间的整数，(b_k+τ ^j)^*为b_k+τ ^j的共轭，这里 $h[a_k^i,a_{k+\mathrm{\τ}}^j]=1$ 当且仅当 $a_k^i=a_{k+\mathrm{\τ}}^j,$ 否则， $h[a_k^i,a_{k+\mathrm{\τ}}^j]=0;$

时-频跳序列簇的非周期互相关定义为：

给定两个时-频跳序列(Aⁱ，Bⁱ)和(A^j，B^j)，其中 $A^i=[a_1^i,a_2^i,...,a_n^i],$ $B^i=[b_1^i,b_2^i,...,b_n^i],$ $A^j=[a_1^j,a_2^j,...,a_n^j],$ $B^j=[b_1^j,b_2^j,...,b_n^j],$ Aⁱ和A^j表示跳频序列，Bⁱ和B^j表示直扩序列，其非周期互相关函数为：

$C[(A^i,B^i),(A^j,B^j);\mathrm{\τ}]=\underset{k=0}{\overset{n-\mathrm{\τ}-1}{\mathrm{\Σ}}}h[a_k^i,a_{k+\mathrm{\τ}}^j]b_k^i(b_{k+\mathrm{\τ}}^j{)}^{*}$

其中τ为0到n-1之间的整数，(b_k+τ ^j)^*为b_k+τ ^j的共轭，这里 $h[a_k^i,a_{k+\mathrm{\τ}}^j]=1$ 当且仅当 $a_k^i=a_{k+\mathrm{\τ}}^j,$ 否则， $h[a_k^i,a_{k+\mathrm{\τ}}^j]=0.$

步骤4，若系统当前频点数n中第k个频点不可用，构造新的时-频跳序列簇。

4.1)构造新的跳频序列簇S′

当系统在使用步骤3生成的时-频跳序列过程中，若感知到频点数n中的第k个频点不能使用，则在步骤1生成的跳频序列簇S中，用n的第

个频点值代替第k个频点值，得到新的跳频序列簇S′＝{s_i′(l)：1≤i≤q，0≤l＜L}，新跳频序列S′的长度仍为L；

4.2)构造新的时-频跳序列簇

利用新的跳频序列簇S′、步骤2中构造的直扩序列a(τ)和步骤3，构造新的时-频跳序列簇：[s_i′(l)，a(τ)]，其中1≤i≤q，0≤τ＜L，该时-频跳序列簇长度仍为L，自相关函数的无碰撞区间为p-1，有两对序列的互相关无碰撞区间长度为其余序列的互相关无碰撞区间长度为p-1。

步骤5，若系统在当前频点数n之外，感知到有新的频点可用时，构造新的时-频跳序列。

5.1)构造新的跳频序列簇S″

系统在使用步骤3生成的时-频跳序列过程中，若感知到有一个新的频点能够使用，则将该频点加入步骤1中的频点数n中，获得当前频点数为n+1，利用n+1＝p″q″，其中p″和q″为正整数，根据步骤1，重新构造新的跳频序列簇：

S″＝{s_i″(l)：1≤i≤q″，0≤l＜L″}，其中s_i″(l)为该序列簇的第i个跳频序列，L″＝t(n+1)+ap″为该跳频序列的长度；

5.2)构造新的直扩序列a″(τ)

根据步骤2，构造新的长度为L″的直扩序列：a″(τ)，其中0≤τ＜L″，

5.3)根据步骤3，由时频跳序列簇S″和直扩序列a″(τ)，重新构造新的时-频跳序列簇：[s_i″(l)，a″(τ)]，其中，1≤i≤ q″，0 ≤τ＜L″，该新的时-频跳序列簇的长度为L″，序列数量为L″q″，无碰撞区间长度为p″-1。

Claims (5)

1.一种认知无线电TFH-CDMA系统中的时-频跳序列构造方法，包括如下步骤：

(1)设系统当前的频点数为n＝pq，构造长度为L＝tn+ap的跳频序列簇，其中p和q为正整数，t为大于1的整数，a为0到q之间的整数，t和a用来控制L的长度，

将当前的n个频点复制t次并依次连接，再在其末尾加入n的前ap个频点，得到第一个跳频序列s ₁ (l)，0≤l＜L；

将s₁ (l)循环右移p位，得到第二个跳频序列s₂ (l)，将s₁ (l)循环右移2p位，得到第三个跳频序列s₃ (l)，依次类推，直至将s₁ (l)循环右移(q-1)p位，得到第q个跳频序列s_q (l)；将得到的跳频序列s₁ (l)，s₂ (l)，…，s_q (l)按获得的时间顺序进行排序，得到跳频序列簇S：

    S＝{s_i(l)∶1≤i≤q，0≤l＜L}；

(2)利用长度为L的Chu序列a(0)，构造直扩序列：a(τ)，该a(τ)是对a(0)循环右τ位后得到的序列，τ为0到L-1之间的整数；

其中a(0)＝[b₀，b₁，…，b_L-1]，b_k由下述公式生成：

j为虚数，q为系统预先选定的正整数，R为该Chu序列的长度，k为0到R-1之间的整数；

(3)由任意的一对跳频序列和直扩序列构成一个时-频跳序列，利用跳频序列簇S和直扩序列a(τ)，构造时-频跳序列簇：

[s_i(l)，a(τ)]，

其中1≤i≤q，0≤τ＜L，由于跳频序列簇S中序列个数为q，直扩序列a(τ)的个数为L，因此，构造的时-频跳序列簇数量为Lq，该时-频跳序列簇的无碰撞区间长度为p-1；

(4)系统在使用步骤(3)生成的时-频跳序列过程中，若感知到频点数n中的第k个 频点不能使用，则在步骤(1)生成的跳频序列簇S中，用n的第 

个频点值代替第k个频点值，得到新的跳频序列簇S′＝{s_i′(l)∶1≤i≤q，0≤l＜L}，

利用步骤(2)中长度为L的直扩序列a(τ)和步骤(3)，构造新的时-频跳序列簇[s_i′(l)，a(τ)]，其中1≤i≤q，0≤τ＜L；

(5)系统在使用步骤(3)生成的时-频跳序列过程中，若感知有一个新的频点能够使用，则将该频点加入步骤(1)中的频点数n中，获得当前频点数为n+1，利用n+1＝p″q″，其中p″和q″为正整数，根据步骤(1)，重新构造新的跳频序列簇：

S″＝{s_i″(l)∶1≤i≤q″，0≤l＜L″}，其中s_i″(l)为该序列簇的第i个跳频序列，

L″＝t(n+1)+ap″为该跳频序列簇的长度，

根据步骤(2)，构造新的长度为L″的直扩序列：a″(τ)，其中0≤τ＜L″，

再根据步骤(3)，重新构造新的时-频跳序列簇：[s_i″(l)，a″(τ)]，其中，1≤i≤q″，0≤τ＜L″。

2.根据权利要求1所述的序列构造方法，其中所述的无碰撞区间是指时-频跳序列簇的自相关和互相关函数值均为零的区间。

3.根据权利要求2所述的方法，其中时-频跳序列簇的自相关包括：周期自相关和非周期自相关，

3a)周期自相关的定义

给定一个时-频跳序列(A，B)，其中A＝[a₁，a₂，…，a_n]，表示跳频序列，B＝[b₁，b₂，…，b_n]，表示直扩序列，其周期自相关函数为：

其中τ为0到n-1之间的整数， 

为b_k+τ的共轭，这里h[a_k，a_k+τ]＝1当且仅当a_k＝a_k+τ，否则，h[a_k，a_k+τ]＝0；

3b)非周期自相关的定义

给定一个时-频跳序列(A，B)，其中A＝[a₁，a₂…，a_n]，表示跳频序列， B＝[b₁，b₂，…，b_n]，表示直扩序列，其非周期自相关函数为：

其中τ为0到n-1之间的整数， 

为b_k+τ的共轭，这里h[a_k，a_k+τ]＝1当且仅当a_k＝a_k+τ，否则，h[a_k，a_k+τ]＝0。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述的时-频跳序列簇的互相关包括：周期互相关和非周期互相关；

4a)周期互相关的定义

给定两个时-频跳序列(Aⁱ，Bⁱ)和(A^j，B^j)，其中 

Aⁱ和A^j表示跳频序列，Bⁱ和B^j表示直扩序列，其周期互相关函数为：

其中τ为0到n-1之间的整数， 

的共轭，这里 

当且仅当 

否则，

4b)非周期互相关的定义

给定两个时-频跳序列(Aⁱ，Bⁱ)和(A^j，B^j)，其中 

Aⁱ和A^j表示跳频序列，Bⁱ和B^j表示直扩序列，其非周期互相关函数为：

其中τ为0到n-1之间的整数， 

为 

的共轭，这里 

当且仅当 

否则，

5.根据权利要求1所述的方法，其中跳频序列簇S为最优的跳频序列簇，该跳频序列簇的性能参数恰好达到理论界条件。 

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