CN105429675B - 基于压缩映射的自适应随机跳频序列生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于压缩映射的自适应跳频序列生成方法。其技术方案是：定义原始序列，由原始序列推出权值的定义；在初始阶段对权值进行初始化；在扫描跳频阶段更新权值；在随机跳频阶段再次更新权值，得到最终权值；计算最终权值的累积分布；由累积分布确定压缩映射关系；由压缩映射关系生成最终的跳频频率号集合。本发明在通信过程中依据概率选出适合数据传输的频点，同时能根据信道环境的改变自适应更新概率，使传输频点能收敛到最佳的频点之上，实现了数据的可靠传输，同时由于使用了值为整数的权值等效为概率，在实际应用便于实现。可用于跳频系统中高效的传输数据。

Description

基于压缩映射的自适应随机跳频序列生成方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及到跳频通信系统中跳频序列设计方法，可用于跳频系统中高效的传输数据。

背景技术

扩展频谱通信，简称扩频通信，是信息传输的方式之一，其信号所占的频带宽度远大于所传输信息所需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的序列来完成，用编码及调制的方法来实现，与所传输的数据无关，在接收端则用同样的码进行相关同步接收，解扩及恢复所传信息。

跳频是最常用的扩频方式之一，其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化，也就是说，通信中使用的载波频率受伪随机码控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说，跳频是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。

与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽，难以被截获。只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获我方的通信内容。同时，跳频通信也具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，仍然能够在其他未被干扰的频点的进行通信。

从扩频通信的定义中可以看出伪随机码在其中扮演着主要的作用，这里的伪随机码也即跳频序列。跳频序列是用来控制载波频率跳变的多值序列，它可以实现频谱的扩展。跳频序列设计的好坏对跳频系统性能有很大影响，尤其是在信道环境比较恶劣的短波通信之中。

一个良好的跳频序列应具有如下特点：

1、跳频序列具有伪随机性。

2、跳频序列的跳频间隔至少为三个频率间隔。

3、可以设计大量的正交序列

跳频序列的设计需要满足以下要求：

1、每一个跳频序列都可以使用频隙集合中的所有频隙，以实现最大的处理增益。

2、跳频序列集合中的任意跳频序列与其平移序列的频隙重合次数尽可能少。

3、为了有更多的跳频序列以供用户使用，要求跳频序列集合中的序列数目尽可能多。

4、跳频序列族的数量尽可能多，在实际中可以更换使用，这样可以提高跳频系统的保密性能。

5、为了使跳频系统具有良好的抗干扰性能，应使各频隙在一个序列周期中出现的次数基本相同。

6、跳频序列应具有较好的随机性和较大的线性复杂度，以使敌人不能利用以前传输的频率信息来预测当前和以后的频率。

7、跳频序列的产生算法应比较简单。

目前已经有许多种跳频序列生成方法，例如，基于线性同余式构造跳频序列、基于m序列构造跳频序列、基于GMW序列构造跳频序列、基于RS码构造跳频序列、基于Bent函数构造跳频序列、基于混沌理论构造跳频序列以及基于分组加密算法构造跳频序列。每一种跳频序列的构造方法具有各自的特点，应用于不同的场合。例如，基于m序列构造的调频序列多应用于战术跳频电台；基于RS码构造的跳频序列多应用于陆地移动多址通信和卫星通信。

短波自动选频是短波通信中不可或缺的一步，但是选频的过程会降低数据传输的效率。区别于传统的自动选频技术，基于自适应跳频的短波通信系统能够在数传的过程中完成对信道质量的评估，其传输效率优于传统的短波自动选频技术。短波自适应跳频通信过程可以分为扫描跳频阶段和随机跳频阶段。在扫描跳频阶段，发送端需要快速遍历所有的可用频点,形成对每个频点的传输特性初始化，从而基于初始的传输特性确定每个频点的初始概率。由于扫描跳频阶段的时间较短，无法实现对信道传输特性的完善测量，因此在随机跳频阶段需要获得更多的信息来评估信道质量，并根据环境的变化完成实时评估。而上述各种跳频序列在随机跳频阶段并不能解决此问题，这会导致信道质量评估的不准确性，从而引起数据传输的不可靠性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于压缩映射的自适应随机跳频序列生成方法，使条件好的信道以更高的概率被选中，并且动态实时的完成概率的更新，实现跳频通信中数据的可靠传输。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

(1)记原始序列为H₀＝{s₀(j)}，其中0≤s₀(j)＜rp，r为压缩因子，p为系统的频隙数目；

(2)将s_o(j)的所有取值定义为集合F₀，F₀中每一个符号称为映射源，当对集合F₀进行压缩映射时，用多个映射源对应一个跳频频率号，并将每一个跳频频率号对应映射源的数目用权值w_f表示，且用该权值代替每个跳频频率号的出现概率，f表示跳频频率号，且有0≤f＜p；

(3)设定各个跳频频率号在跳频起始时刻是等概率选取的，并假设原始序列中各个符号等概率出现，则各个跳频频率号的初始权值为w_f,0＝r；

(4)在扫描跳频阶段，由归一化信噪比Q_f对跳频频率号的权值w_f,0进行更新，得到扫描跳频阶段最终的跳频频率号权值w_f,1；

(5)进入随机跳频阶段，对各个跳频频率号的权值进行实时更新，得到最终的全部跳频频率号对应的权值w_f,z；

(6)将上述最终的全部跳频频率号对应的权值w_f,z等价为每一个跳频频率号对应的概率，计算累积概率分布C_f：

C_f＝C_-1+w_0,z+w_1,z+....+w_m,z+...+w_f,z，

其中，C_-1＝0为累积分布的初始值，w_m,z为第m个跳频频率号对应的概率0≤m≤f；

(7)由C_f确定压缩映射关系为：

M(s₀(j))＝f如果:s₀(j)∈[C_f-1,C_f)，

即对原始序列中位于概率区间[C_f-1,C_f)中的所有符号都映射为跳频频率号f，不同的频率号对应了不同的概率区间；

(8)对原始序列H₀中的每个符号进行压缩映射，得到对应的跳频频率号s(j)：

s(j)＝M(s₀(j))，

压缩映射后得到的序列记为H＝{s(j)},H即是与原始序列对应的跳频序列。

本发明具有以下优点：

1.本发明在跳频传输过程中针对不同频点产生了它们各自对应的传输概率，以此为参照能使条件好的频点更容易被选中，提高了数据传输的准确性，而现有跳频序列生成方法都不具备这一性能。

2.本发明把值为整数的权值等效为概率，在实际应用中更方便于实现。

3.本发明由于不断的更新权值，因此具有很好的实时性和自适应性，能依据信道环境的改变实时更新概率以便选择。

附图说明

图1是本发明的实现总流程图；

图2是本发明中在扫描跳频阶段对跳频频率号的权值更新子流程图；

图3是本发明中在随机跳频阶段对各个跳频频率号的权值进行实时更新的子流程图；

图4是用本发明在64个频点中期望找到6个好频点且只有4个频率号对应概率大于概率门限的情况下生成的跳频序列仿真结果图；

图5是用本发明在64个频点中期望找到4个好频点且存在4个频率号对应概率大于概率门限的情况下生成的跳频序列仿真结果图；

图6是用本发明在64个频点中期望找到4个好频点且只有0个频率号对应概率大于概率门限的情况下生成的跳频序列仿真结果图。

具体实施方式

步骤1，定义原始序列H₀。

要生成最终的跳频序列需要给定原始序列，记原始序列为H₀＝{s₀(j)}，s₀(j)表示原始序列中的每一个原始符号，设定0≤s_o(j)≤rq，r为压缩因子，q为系统的频隙数目。

步骤2，定义权值w_f。

将原始序列中每一个每原始符号s_o(j)的所有取值定义为集合F₀，F₀中每一个符号称为映射源，当对集合F₀进行压缩映射时，则为用多个映射源对应一个跳频频率号，并将每一个跳频号对应映射源的数目用权值w_f表示，f表示跳频频率号0≤f＜q。每一个跳频号对应映射源数目的多少反应了该跳频号出现的频率大小，因此可用权值w_f代替每个跳频号的出现概率。

步骤3，确定各个跳频号对应的初始权值w_f,0。

在扫描跳频阶段之前的跳频传输初始阶段，由于系统没有任何关于各个频点传输特性的信息，故可设定各个跳频频率号在跳频起始时刻是等概率的，由式0≤s_o(j)≤rq可知原始序列的压缩因子为r，根据压缩因子r设定各个跳频号对应的初始权值w_f,0＝r。

步骤4，在扫描跳频阶段对初始权值w_f,0进行更新，得到更新权值w_f,1。

参照图2，本步骤的具体实现如下：

(4a)进入扫描跳频阶段，在传输数据的同时需要对信道质量进行评估以及时更新各个频点信息，信道质量评估的结果以归一化信噪比表征，采用一个3比特的信息表示该归一化信噪比，记为Q_f；由归一化信噪比Q_f对步骤3中的跳频率号的初始权值w_f,0进行更新，计算对应于归一化信噪比Q_f的扫描阶段的原始跳频频率号权值w_f,t：

其中，α为比例调整因子，α越大，则不同信噪比的频率号的权值差别越大，反之越小；

(4b)计算权值调整因子e_w：

由于全部跳频频率号对应的概率之和是一个常数，而在本发明中权值等价于概率，因此扫描阶段的各个原始跳频频率号权值w_f,t之和是一个常数，由上式计算得到的扫描阶段的原始跳频频率号权值因为是向上取整，求和后会大于这个常数，因此需要对扫描阶段原始跳频频率号权值w_f,t进行调整，计算权值调整因子e_w：

其中，q为系统频隙数，r为压缩因子，f为跳频频率号；

(4c)对描阶段的原始跳频频率号权值w_f,t进行调整：

得到权值调整因子后就可以利用e_w对扫描阶段的原始跳频频率号权值w_f,t进行调整，即将所有跳频频率号的原始权值w_f,t进行排序，并将最大的e_w个扫描阶段原始跳频频率号权值w_f,t分别都减去1，得到扫描跳频阶段跳频频率号的更新权值w_f,1。

步骤5，在随机跳频阶段对w_f,1进行更新得到最终的权值w_f,z。

参照图3，本步骤的具体实现如下：

(5a)更新归一化信噪比Q_f：

进入随机跳频阶段后，需要根据反馈的归一化信噪比对各个频率点的权值w_f,1进行再次更新。设系统期望选取N个可用的频率号，同时设i为跳频频率号的权值的更新次数，i≥2，第i次更新时，其跳频频率号f对应的瞬时归一化信噪比为Q_f,i，将Q_f,i与归一化信噪比Q_f进行加权求和，并更新归一化信噪比Q_f：

Q_f＝λ₀Q_f,i+λ₁Q_f，

其中，λ₀和λ₁分别为对瞬时归一化信噪比与归一化信噪比的加权系数，且满足λ₀+λ₁＝1；

(5b)构建优选频率号集合F_e和普通频率号集合F_s：

对所有更新后的归一化信噪比Q_f，0≤f＜p，按照由大到小的顺序进行排序，用排序后的前N个Q_f对应的跳频频率号构成优选频率号集合F_e：

F_e＝{f_k:k＝1,2,.......N}，

用后p-N个Q_f对应的跳频频率号构成普通频率号集合F_s：

F_s＝{f_l:l＝1,2,.......p-N}；

(5c)对跳频频率号进行划分:

由于各个频率号的传输条件随时间改变，本发明需要不断更新各个频率号对应的权值，因此需要在普通频率号中实时更新权值。

设定信噪比门限T_Q,对普通频率号集合F_s进行划分：若Q_f＞T_Q，则将该跳频频率号划分为非更新子集合F_s ⁺，若Q_f＜T_Q，则将该跳频频率号划分为待更新子集合F_s ^-；

(5d)对所有的跳频频率号计算权值更新值u_f：

其中，β为步距因子，w_f,i-1为更新之前的跳频频率号的权值，权值更新值对所有集合F_e以及子集合F_s ⁺中的跳频频率号都为0；

(5e)利用权值更新值u_f,将f∈F_s ^-中的跳频频率号对应的权值w_f,i更新为：

w_f,i＝w_f,i-1-u_f，

由于全部跳频频率号对应的权值之和为常数，由上式可知从f∈F_s ^-中的w_f,i减去了u_f，所以需要从f∈F_e中任选u_f个跳频频率号，并对其权值分别加1，这样就保持了全部跳频频率号对应的权值之和为常数的要求,从而得到最终的全部跳频频率号对应的权值w_f,z。

步骤6，由最终的全部跳频频率号对应的权值w_f,z计算其累积分布C_f。

压缩映射关系的确定需要知道权值的累积分布，由步骤(2)可知最终的全部跳频频率号对应的权值w_f,z等价为每一个跳频频率号对应的概率，因此可以得到最终的全部跳频频率号对应的权值w_f,z的累积概率分布C_f：

C_f＝C_-1+w_0,z+w_1,z+....+w_m,z+...+w_f,z，

其中，C_-1＝0为累积分布的初始值，w_m,z为第m个跳频频率号对应的概率0≤m≤f。

步骤7，根据最终的全部跳频频率号对应的权值w_f,z的累积分布C_f确定压缩映射关系M。

当确定了最终全部跳频频率号对应的权值w_f,z的累积分布C_f后，对原始序列H₀中位于概率区间[C_f-1,C_f)中的所有的原始符号s₀(j)都映射为跳频频率号f，即可以由s₀(j)到f的关系确定压缩映射关系M，具体的压缩映射关系表示为：

对应于:s₀(j)∈[C_f-1,C_f)则M(s₀(j))＝f，

依据不同的概率空间[C_f-1,C_f)依次生成不同的频率号f，由于各个概率区间的概率互不相同相同，因此不同频率号出现的可能性各不相同的，定义概率门限G，当具体频率号对应的权值即概率大于概率门限G时该频率点就可以作为好的频率点被选择出来。

步骤8，由压缩映射关系M生成最终的跳频频率号集合H。

得到了压缩映射的关系M后，由压缩映射关系M对原始序列H₀中的原始符号再进行压缩映射，生成最终的各个跳频序列号s(j)：

s(j)＝M(s₀(j))；

由各个跳频序列号s(j)组成跳频序列集合，记为H＝{s(j)}，H即是生成的与原始序列H₀对应的最终跳频序列。

本发明的性能效果可通过以下仿真进一步说明：

A、仿真参数：如表一

表一 仿真参数

原始序列	基于m序列的非连续抽头L-G模型生成
		跳频频隙数	q＝64
压缩因子	r＝8
		步距调整因子	β＝1/8
期望得到的可用频率数	N1＝6,N2＝4,N3＝4
		各个频点的初始权值	r＝8
仿真统计次数	2048次
		概率门限	1/10

B、仿真内容

仿真1，在64个频点中期望找到6个好频点且只有4个频率号对应概率大于概率门限的情况下生成跳频序列，结果如图4；

仿真2，在64个频点中期望得到4个好频点且存在4个频率号对应概率都大于概率门限的情况下生成跳频序列，结果如图5；

仿真5，在64个频点中期望得到4个好频点且只有0个频率号对应概率大于概率门限的情况下生成跳频序列，结果如图6；

由图4到图5可以看出，本发明能选出对应的好频点，得到的跳频序列收敛于信道条件较好的频点之上，从而可以在这些好频率点进行数据传输，提高了传输的可靠性；

由图6还可以看出，本发明得到的跳频序列发散，验证了仿真5中不存在好频点的事实，符合实际。

Claims (1)

1.基于压缩映射的自适应随机跳频序列生成方法，包括

(1)记原始序列为H₀＝{s₀(j)}，其中0≤s₀(j)＜rp，r为压缩因子，p为系统的频隙数目；

(2)将s_o(j)的所有取值定义为集合F₀，F₀中每一个符号称为映射源，当对集合F₀进行压缩映射时，用多个映射源对应一个跳频频率号，并将每一个跳频频率号对应映射源的数目用权值w_f表示，且用该权值代替每个跳频频率号的出现概率，f表示跳频频率号，且有0≤f＜p；

(3)设定各个跳频频率号在跳频起始时刻是等概率选取的，并假设原始序列中各个符号等概率出现，则各个跳频频率号的初始权值为w_f,0＝r；

(4)计算对应于归一化信噪比Q_f的扫描阶段的原始跳频频率号权值w_f,t：

<mrow> <msub> <mi>w</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> </msup> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> </msup> <mo>+</mo> <mo>...</mo> <mo>...</mo> <mo>.</mo> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> </msup> </mrow> </mfrac> <mi>r</mi> <mi>p</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>

其中，α为比例调整因子，α越大，则不同信噪比的跳频频率号的权值差别越大，反之越小；

(5)对上述得到的原始跳频频率号权值w_f,t进行调整，计算权值调整因子e_w：

<mrow> <msub> <mi>e</mi> <mi>w</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>f</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>p</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <msub> <mi>w</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mi>r</mi> <mi>p</mi> <mo>,</mo> </mrow>

(6)将所有原始跳频频率号的原始权值w_f,t进行排序，并将最大的e_w个原始跳频频率号权值都分别减去1，得到扫描跳频阶段最终的跳频频率号权值w_f,1；

(7)设i为跳频频率号的权值的更新次数，i≥2，第i次更新时，其跳频频率号f对应的瞬时归一化信噪比为Q_f,i，将Q_f,i与归一化信噪比Q_f进行加权求和，并更新归一化信噪比为

Q_f＝λ₀Q_f,i+λ₁Q_f，

其中λ₀和λ₁分别为对瞬时归一化信噪比与归一化信噪比的加权系数，满足λ₀+λ₁＝1；

(8)对所有更新后的归一化信噪比Q_f，0≤f＜p，按照由大到小的顺序进行排序，用排序后的前N个Q_f对应的跳频频率号构成优选频率号集合：

F_e＝{f_k:k＝1,2,.......N}，

用后p-N个Q_f对应的跳频频率号构成普通频率号集合：

F_s＝{f_l:l＝1,2,.......p-N}，

其中，N为系统期望选取可用频率号的个数；

(9)设定信噪比门限T_Q,对普通频率号集合F_s进行划分：若Q_f＞T_Q，则将该跳频频率号划分为非更新子集合若Q_f＜T_Q，则将该跳频频率号划分为待更新子集合

(10)对所有的跳频频率号计算权值更新值u_f，

其中，β为步距因子，w_f,i-1为更新之前的跳频频率号的权值，权值更新值对所有集合F_e以及子集合中的跳频频率号都为0；

(11)利用权值更新值u_f将中的跳频频率号对应的权值w_f,i更新为：

w_f,i＝w_f,i-1-u_f，

从f∈F_e中任选u_f个跳频频率号，并对其权值分别加1，得到最终的全部跳频频率号对应的权值w_f,z；

(12)将上述最终的全部跳频频率号对应的权值w_f,z等价为每一个跳频频率号对应的概率，计算累积概率分布C_f：

C_f＝C_-1+w_0,z+w_1,z+....+w_m,z+...+w_f,z，

其中，C_-1＝0为累积分布的初始值，w_m,z为第m个跳频频率号对应的概率，0≤m≤f；

(13)由C_f确定压缩映射关系为：

M(s₀(j))＝f如果:s₀(j)∈[C_f-1,C_f)，

即对原始序列中位于区间[C_f-1,C_f)中的所有符号都映射为跳频频率号f，不同的频率号对应了不同的概率区间；

(14)对原始序列H₀中的每个符号进行压缩映射，得到对应的跳频频率号s(j)：

s(j)＝M(s₀(j))，

压缩映射后得到的序列记为H＝{s(j)},H即是与原始序列对应的跳频序列。