CN103944606A - 一种自适应跳频图案的产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应跳频图案的产生方法，通信双方利用信道估计得到相同的信杂比SNR、信干比SIR，然后生成跳频图案的调整因子V_t，并与伪随机序列发生器生成的跳频图案控制字r_t运算得到跳频图案控制字，该跳频图案控制字用于生成跳频图案。在本发明中，利用信道估计实现基于信道动态性的自适应跳频图案产生，而这种自适应跳频图案所利用的信道动态性是通信双方专有的特性，任何第三方都无法复制，从而更进一步地提高了抗截获性，更重要的是，即便是一台设备被敌方破解或获取仍然不能实施有效截获和干扰。

Description

一种自适应跳频图案的产生方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更为具体地讲，涉及跳频通信系统中一种自适应跳频图案的产生方法。

背景技术

跳颇通信是一种扩频通信技术，它将通信频段划分成若干窄带子信道，并用子信道的中心频率来标识这些子信道，在通信中通过类似随机选择这些频点对应的信道，即周期性地改变通信子信道的频率进行通信，因此被称为跳频通信，正是由于其瞬时工作频点的随机跳变性，具有抗干扰，抗截获等优点，被广泛应用于需要保密的通信领域。

跳频通信中的关键技术包括跳频同步、跳频图案生成等。这是因为由于跳频的频率是跳变的，收发双方必须依次按同样的方式进行跳变频率，即进行同步跳变（发方发送的跳频点与收方接收的跳频点一致）才能进行正常通信，也正是这样，跳频同步过程是敌我双方关注的焦点问题之一。另一方面，跳频图案决定了跳频通信中频率跳变的规律，只有收发双方同步一致的跳变才能进行通信，如果敌方一定通过情报或电子手段侦测或破解了跳频图案，就可以有针对性地进行窃听或干扰，因而跳频图案必须设计得足够复杂才能具有良好的抗干扰和抗截获能力。为此，理论上采用具有类似噪声特性的跳变规律是最佳的，但实际应用中只能产生特定长度的伪噪声序列用于控制发射机的频率跳变，这就使频率跳变的规律呈现伪随机特性，其破解难度与跳频同步机制、跳频速率（即单跳持续周期的倒数）、跳频图案的频率集大小及其周期有关。一般而言，跳频图案速率越高，跟踪越难，跳频周期越长，捕获整个跳频图案的可能性越小，破解难度越大，而频率集的大小主要反映抗干扰能力，如仅有两个频点的跳频图案也可以做到非常的长，但很容易被干扰，只需要在已知频率集大小的情况下针对这两个频点进行阻塞式干扰即可。

现有跳频图案通常有两种产生方法，一是基于线性运算的伪随机序列，二是基于非线性运算的伪随机序列。前者实现简单，如m序列，M序列，Gold序列等通过线性移位器实现，为了产生较长周期的伪随机序列，都使用级数较多的线性移位寄存器；后者采用了非线性函数发生器得到伪随机序列，但难于保证不同伪随机序列间的正交性或准正交性，即容易造成跳频网络中各个跳频电台之间的跳变频率重叠或碰撞问题，所以目前大多仍采用线性发生器。

但是这些序列的特性和序列结构已有非常成熟的研究成果，其结构破解是很容易的，即敌方能够构造出所有的序列来进行匹配搜搜，但真正破解是很难的，原因在于：①跳频图案对应的随机序列可以是所有序列中的一个，而码空间的大小使得这种穷举搜索是不可行的，②即便是知道使用了哪个序列，跳频图案的相位跟踪在跳频图案周期很长（最大为年的数量级）的情形下也是很难的。尽管如此，已有研究表明基于高阶累积量统计的方法对伪随机序列的特性进行评估理论上可以实现快速序列匹配及其相位估计。另一方面，一旦某一部跳频电台落入敌手，其序列产生原理可以通过软硬件分析得出，因而其固定跳频图案的模式就成为己方跳频网的最大威胁，因此急需一种动态的跳频图案产生机制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自适应跳频图案的产生方法，以实现跳频图案的动态产生，提高跳频图案的抗截获性。

为实现上述发明目的，本发明自适应跳频图案的产生方法，通信双方通过同步过程获得相同的伪随机序列发生器初始序列，并根据该初始序列生成跳频图案控制字r_t，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、通信双方进行信道估计，得到相同的信杂比SNR、信干比SIR；

（2）、通信双方利用调整函数V_t=f(SNR,SIR)生成跳频图案的调整因子V_t；

（3）、通信双方通过调整因子V_t和伪随机序列发生器生成的跳频图案控制字r_t运算得到跳频图案控制字该跳频图案控制字用于构成跳频码，在跳频码中依次取出二进制数，并作为索引值根据频率映射表取出对应的频率作为当前的频点；

（4）、重复步骤（1）～（3），构成频率按时间变化的样式即跳频图案。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明自适应跳频图案的产生方法，通信双方利用信道估计得到相同的信杂比SNR、信干比SIR，然后生成跳频图案的调整因子V_t，并与伪随机序列发生器生成的跳频图案控制字r_t运算得到跳频图案控制字该跳频图案控制字用于生成跳频图案。在本发明中，利用信道估计实现基于信道动态性的自适应跳频图案产生，而这种自适应跳频图案所利用的信道动态性是通信双方专有的特性，任何第三方都无法复制，从而更进一步地提高了抗截获性，更重要的是，即便是一台设备被敌方破解或获取仍然不能实施有效截获和干扰。

附图说明

图1是跳频通信的基本流程图；

图2是本发明自适应跳频图案的产生方法一具体实施方式原理图；

图3是图2中改变跳频图案控制字的实现框图；

图4是图2所示实施方式中状态转移和时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

本发明自适应跳频图案的产生方法在现有跳频图案产生方法的基础上引入了基于信道特性的同步控制机制，自适应产生跳频图案。其中同步控制是指通信双方协作形成一致的跳频图案过程和方法。

众所周知，跳频通信（FH，Frequency Hopping）作为一种扩频通信方式(SS，Spectrum Spreading)，采用了跳频码作为节点标识的多址接入，这类似于直接序列扩频通信(DSSS，Direct Sequence Spectrum Spreading)中以扩频码为节点标识来区分不同节点。

不失一般性，这里仅以两个跳频电台A、B为例，它们的跳频码分别为C_A、C_B，它们均可表示为二进制序列，如下所示：

$\begin{array}{c}{C}_A\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{\{00101001000100001011011010100101000100100110000011...\}}_L\\ C_B\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{\{10100000000001110001110011000010101000110101110000...\}}_L\end{array}---\left(1\right)$

其中L为跳频图案的周期，也是跳频码的周期。设由跳频电台A、B等组成的跳频网的频率集包含了64个频率，构成依大小排列构成的频率表如下：

${\left\{f_i\right\}}_{64}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\{f_0,f_1,f_2,...,f_{62},f_{63}\}---\left(2\right)$

随着时间推移依次从C_A、C_B中依次取出连续的6比特二进制数，用该数作为索引值根据频率映射表取出对应的频率作为当前的频点，构成频率按时间变化的样式即跳频图案。如当以低位在前（FLSB模式）并简单进行下标换算时，公式（1）的C_A、C_B对应的前13个频点分别为：

F_A＝10 20 41 18 36 8 17 34 4 8 16 33 2...        (3)

F_B＝40 16 32 0 0 0 0 0 1 3 7 14 28...

前述映射的频率映射表为如下形式：

实际应用中可以采用其他的频率映射表，比如将其中的0，1分别改为映射成f₁，f₀即可得到另一种映射。

由此可见，跳频通信系统中跳频核心在于跳频码和跳频映射表，而通常跳频映射表是固定的，于是只要改变了跳频码即可改变跳频图案。如前所述，现有跳频通信系统中各电台的跳频码是固定的，本发明的思想就是利用信道动态性来生成动态的跳频码，从而构建出动态的跳频图案。

图1是跳频通信的基本流程图。

为便于说明，这里先说明一下跳频通信的基本流程，它包括两个部分，一是同步过程，二是通信过程，而且二者在实际中可能交替重复出现，比如由于跳频电台中途关闭后重新启动，或者因为信道劣化而失步等等，从而整个通信过程状态如图1所示。

电台首先处于关机状态2-1，在加电后进入待机状态2-2，此时系统并未和任何电台或跳频网同步上，通常也称“未加入跳频网”，故又称作失步状态。该电台通过监听同步序列（伪随机序列发生器初始序列）并尝试捕获同步序列以进入同步状态2-3，或者作为主控站电台发送同步序列等待其他节点加入它构成跳频网。在同步状态2-3时，电台会和同时处于同步状态2-3的所有电台同时改变信道频点，即按照跳频图案进行频率跳变（不同电台的跳频图案不同，但跳频周期一致），以便监听是否有数据进入，如果有数据，则进行解调/解码等处理(处于接收暂态2-5)得到发方数据后提交给上层，然后继续进入同步状态2-3监听，或者在有数据发送请求时，在跳频图案的当前频点及后续频点上发送数据（进入发送暂态2-4），并在数据发送完毕后回到同步状态2-3继续监听。在上述状态2-2、2-3、2-4、2-5时均有可能因为掉电或用户主动关机从而转入关机状态2-1；而在同步状态2-3或者接收暂态2-5时，可能由于同步失锁或者解码错误等触发失步告警，并转入失步状态，从而重新启动同步搜索过程。

在上述的同步捕获和跟踪状态2-3以及接收暂态2-5中，电台均可进行信道估计，得出所有频点的信噪比SNR或者信噪比SIR，而在暂态2-5所接收到的数据中可能还包括了的信道评估和通信质量评估信息，后者包括了误码率P_BER、误帧率P_FER和错误样式PtnE等，而这些信息仅对通信双方是有效的，第三方无法获得。因此，它可以作为通信双方私有动态密钥以构造不可跟踪和窃取的特殊跳频图案，从而极大地提高跳频图案的抗截获性。

图2是本发明自适应跳频图案的产生方法一具体实施方式原理图。

在本实施例中，如图2所示，通信双方进行信道估计，完成信道质量和可用性评估，用于校正可用频率集，如果某一信道达不到要求时，将其从频率集中删除。同时，通信双方在通信中交换对信道的估计，得到相同的信杂比SNR、信干比SIR，并作为控制跳频图案改变的控制输入即输入到调整函数生成调整因子V_t。

在本实施例中，如图2所示，通信双方还进行通信质量评估，将数据或信令传输中的误码率P_BER、误帧率P_FER以及编码形式错误样式PtnE等参数收集起来，作为控制跳频图案改变的控制输入即输入到调整函数生成调整因子V_t。因此，在本实施例中，调整函数V_t=f(SNR,SIR,P_BER,P_FER,PtnE)。

在本实施例中，通信双方将信噪比、信干比、误码率、误帧率、及编码形式错误样式即SNR、SIR、P_BER、P_FER、PtnE等参数组代入调整函数。在本实施例中，调整函数为：

V_t=α₁·SNR+α₂·SIR+α₃·P_BER+α₄·P_FER+α₅·PtnE      （4），

其中，α₁～α₅分别为调整函数中各参数参量的加权因子，调整函数得到一个调控因子V_t∈[0,V_max]，其中V_max是最大输出。

设当前跳频图案控制字r_t，则在调整因子V_t作用下的新跳频图案控制字为

${\tilde{r}}_t=V_t\⊕r_t---\left(5\right).$

如V_t=37，r_t=23，则如果采用二进制模运算结果为：

${\tilde{r}}_t={\left(37\right)}_{64}\⊕{\left(23\right)}_{64}={\left(100101\right)}_2\⊕{\left(010111\right)}_2={\left(110010\right)}_2={\left(50\right)}_{64}$

如果将该跳频图案控制字直接作为一个频点的索引值，跳频图案中在t时刻原来的跳频点f₂₃被动态地改为另一个跳频点f₅₀。

重复前述步骤，从而实现整个跳频图案的动态改变。

在本实施例中，如图2所示，所述信道的信干比、信噪比测量值是频率集中任意频点上的该测量值低于某个阀值时，该频点被临时从频率集中剔除，被剔除的频点将在一定时间范围内不被使用，即不会在跳频图案中出现，但通过超时机制使得这些频点在通过重新测量后可能被再次纳入跳频图案中。

图3给出了上述步骤的实现框图。

在本实施中，如图3所示，注意公式（5）中的伪随机序列发生器生成的跳频图案控制字r_t可以表示为：

或者，

公式（6）和公式（7）分别相当于图4中的（*）连接有效和无效，调整函数影响或不影响伪随机序列发生器的工作，⊕代表模运算，t表示当前时刻，t-1表示前一时刻。

图4是图2所示实施方式中状态转移和时序示意图。

在本实施例中，如图4所示，首先进入同步阶段，以获取同步序列。通常，通信双方通过一个固定的频道密钥交换方式获得一个同步序列，通信双方将该同步序列作为伪随机序列发生器初始序列，生成跳频图案控制字r_t，这样通信双方输出的跳频图案控制字r_t相同，因而实现了同步。

在本实施例中，如图4所示，需要进行信道估计和通信质量评估，得到信道参数信杂比SNR、信干比SIR以及传输质量参数误码率P_BER、误帧率P_FER以及编码形式错误样式PtnE，然后依据调整函数，生成调整因子V_t。调整因子V_t同生成跳频图案控制字r_t进行模运算，得到新的跳频图案控制字该跳频图案控制字用于构成跳频码，在跳频码中依次取出二进制数，并作为索引值根据频率映射表取出对应的频率作为当前的频点。重复上述步骤，构成频率按时间变化的样式即跳频图案。

在本发明中采用信杂比SNR、信干比SIR等信道参数作为调整函数的输入变量，在实际实施过程中也可以采用其他的信道参数作为作为调整函数的输入变量。

在本实施例中，所述编码形式错误样式PtnE包括错误样式特性，如随机错误还是突发错误，以及突发错误的持续时间(以符号周期或以时间为单位)等信息。

编码形式错误样式PtnE也可以分成两个参数，也可以基于所述编码方式合并为一个参数。当编码形式错误样式PtnE为合并的编码参数时，可以表示为：

也可以表示为：

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种自适应跳频图案的产生方法，通信双方通过同步过程获得相同的伪随机序列发生器初始序列，并根据该初始序列生成跳频图案控制字r_t，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、通信双方进行信道估计，得到相同的信杂比SNR、信干比SIR；

（2）、通信双方利用调整函数V_t=f(SNR,SIR)生成跳频图案的调整因子V_t；

（3）、通信双方通过调整因子V_t和伪随机序列发生器生成的跳频图案控制字r_t运算得到跳频图案控制字该跳频图案控制字用于构成跳频码，在跳频码中依次取出二进制数，并作为索引值根据频率映射表取出对应的频率作为当前的频点；

（4）、重复步骤（1）～（3），构成频率按时间变化的样式即跳频图案。

2.权利要求1所述的自适应跳频图案的产生方法，其特征在于，所述的通信双方还进行通信质量评估，将数据或信令传输中的误码率P_BER、误帧率P_FER以及编码形式错误样式PtnE等参数收集起来，作为控制跳频图案改变的控制输入即输入到调整函数生成调整因子V_t，调整函数为V_t=f(SNR,SIR,P_BER,P_FER,PtnE)。

3.权利要求1所述的自适应跳频图案的产生方法，其特征在于，所述的调整函数为：

V_t=α₁·SNR+α₂·SIR+α₃·P_BER+α₄·P_FER+α₅·PtnE，

其中，α₁～α₅分别为调整函数中各参数参量的加权因子，调整函数得到一个调控因子V_t∈[0,V_max]，其中V_max是最大输出。

4.权利要求1所述的自适应跳频图案的产生方法，其特征在于，所述的通信双方通过调整因子V_t和伪随机序列发生器生成的跳频图案控制字r_t运算得到跳频图案控制字为：

${\tilde{r}}_t=V_t\⊕r_t$

其中，⊕代表模运算。

5.权利要求1所述的自适应跳频图案的产生方法，其特征在于，所述的伪随机序列发生器生成的跳频图案控制字r_t为：

其中，t表示当前时刻，t-1表示前一时刻。

6.权利要求1所述的自适应跳频图案的产生方法，其特征在于，所述信道的信干比、信噪比测量值是频率集中任意频点上的该测量值低于某个阀值时，该频点被临时从频率集中剔除，被剔除的频点将在一定时间范围内不被使用，即不会在跳频图案中出现，但通过超时机制使得这些频点在通过重新测量后可能被再次纳入跳频图案中。

7.权利要求2所述的自适应跳频图案的产生方法，其特征在于，所述编码形式错误样式PtnE包括错误样式特性，如随机错误还是突发错误，以及突发错误的持续时间(以符号周期或以时间为单位)等信息。

编码形式错误样式PtnE也可以分成两个参数，也可以基于所述编码方式合并为一个参数；

当编码形式错误样式PtnE为合并的编码参数时，可以表示为：

也可以表示为：