CN106100696B - 一种基于tod时间信息的非线性跳频图案生成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TOD时间信息的非线性跳频图案生成系统，包含TOD+PK时间信息处理模块、平衡伪随机码生成模块、非线性跳频图案生成模块，将输入的实时时间经过TOD计数方式获取初始相位值，再将初始相位值与由网号和跳频密钥决定的序列密钥进行运算获取初始相位；利用初始相位获得平衡码特征相位，利用平衡码特征相位生成伪随机序列；对伪随机序列进行T步平移获得m个T步平移等价序列；再对m个T步平移等价序列与非线性前馈函数f(x)运算，获得该节点初始跳频图案；最后将初始跳频图案利用宽间隔跳频技术进行运算，获得跳频图案。本发明利用TOD时间信息提供初始相位信息并且利用迟入网算法自动实现时差校正，保证跳频通信时间同步。

Description

一种基于TOD时间信息的非线性跳频图案生成系统

技术领域

本发明涉及航空无线通信领域，涉及一种航空无线跳频自组织网络中跳频通信无线信道传输方法，具体涉及一种基于TOD时间信息的非线性跳频图案生成方法。

技术背景

跳频通信具有抗干扰能力强、截获概率低、抗衰落能力强、组网灵活、抗多径干扰、易于与窄带通信系统兼容等特点，因其具有电子对抗能力首先应用于军事领域。航空无线跳频自组织网络是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。航空无线跳频自组织网络具有灵活性、抗毁性高等特征大量使用在现有或未来的军事作战中。随着通信干扰技术和战术的发展，出现了许多针对跳频通信的干扰方法，对跳频通信的可靠性构成了越来越严重的威胁。作为现代战争条件下体系与体系对抗的重要通信手段提供更安全的信息传输通道，跳频图案是敌方侦察和破译的重点目标之一，如果敌方掌握了跳频图案，则可很容易地实施波形跟踪干扰。为了提高电子反侦察能力和便于应用，在不同的场合一般采用不同的跳频图案算法。为了确保信息传输的安全性，降低“跟踪式干扰”对跳频通信的影响，考虑跳频通信中自身干扰以及跳频同步性能，需要寻求和设计具有理想特性的跳频序列。

现有的跳频图案设计研究主要包含：基于m序列、RS码、Bent序列、基于素数序列族构造的跳频图案，以及基于牙序列构造的跳频图案。不同的码序列具有不同的性能，m序列具有2值自相关，但数量不多；Gold序列有足够多的数量，但线性复杂度不大；M序列的自相关旁瓣较大；GMW序列虽具有理想2值自相关，但其互相关特性却不是很好；蓝牙跳频序列基于TOD(Time of day)的跳频序列，具有很好的平衡性和大的线性复杂度，但其密钥量不大、周期不长、相关特性不好；Bent序列的互相关性比GMW序列好，且每条序列都是线性复杂度较大的平衡序列，因此为了设计具有不同时刻使用不同跳频图案，且图案非线性度较好的要求，利用基于TOD时间信息的bent函数跳频图案可提高航空无线跳频自组织网络通信的稳健性。

发明目的

本发明的目的是提供一种基于TOD时间信息的非线性跳频跳时图案生成系统，解决航空无线跳频自组织网络中面临的跟踪式干扰、阻塞干扰、多径干扰及自身系统干扰等干扰影响，且能通过“TOD”信息实现迟入网同步提高组网通信跳频时效性和可靠性，同时解决随机接入类节点组网同步信息自动实现时差校正问题。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于TOD时间信息的非线性跳频图案生成系统，包含TOD+PK时间信息处理模块、平衡伪随机码生成模块、非线性跳频图案生成模块；

所述TOD+PK时间信息处理模块用于先将输入的实时时间经过TOD计数方式获取初始相位值，再将初始相位值与由网号和跳频密钥决定的序列密钥进行运算获取初始相位；

平衡伪随机码生成模块用于对所述初始相位利用奇数级移位寄存器进行数字分析，反馈初始相位的平衡码特征相位，将平衡码特征相位作为生成平衡伪随机序列的输入生成平衡伪随机序列；

非线性跳频图案生成模块用于先对所述平衡伪随机序列进行T步平移获得m个T步平移等价序列；再对m个T步平移等价序列与非线性前馈函数f(x)运算，获得初始跳频图案；最后将初始跳频图案利用宽间隔跳频技术进行运算，获得最终的跳频图案。

优选地，所述TOD+PK时间信息处理模块包含TOD时间信息单元、序列密钥单元和运算器，所述TOD时间信息单元对输入的实时时间经过TOD计数方式获得跳计数、帧计数、帧周期计数低位和帧周期计数高位，当帧周期计数低位记满后、帧周期计数高位加一，同时帧周期计数低位清零；利用获得的帧周期计数高位作为初始相位值；

所述序列密钥单元用于对输入的网号和跳频密钥进行素数运算，将所获的素数进行对称私钥运算，将对称私钥运算的结果作为序列密钥；

所述运算器对初始相位值和序列密钥进行运算，获得初始相位，输出给平衡伪随机码生成模块。

依据上述特征，所述实时时间由GPS或北斗系统提供。

优选地，所述平衡伪随机码生成模块包含生成序列优选对单元和生成伪随机序列单元；

所述生成序列优选对单元用于先通过对伪随机码本原多项式F(x)与生成函数g(x)的之比来确认伪随机码的特征相位；再由特征相位获得特定相位的序列{a}、{b}，以{a}序列为基准，移动{b}序列的奇数级移位寄存器，直到{b}序列的第一个0对准{a}序列的第一个1，获取{b}序列初始状态作为初始状态存入初相状态表中；最后将初始相位作为地址，读取初相状态表中对应的初始状态输入生成伪随机序列单元；

所述生成伪随机序列单元根据接收到的初始状态生成平衡伪随机序列。

优选地，所述非线性跳频图案生成模块包含平移等价序列单元、前馈非线性变换单元及宽间隔变换单元；

所述平移等价序列单元用于将生成的平衡伪随机序列进行最后一级寄存器抽取，设抽取序列为α_t，根据伪随机码本原多项式F(x)获得m个T步平移等价序列α_t,α_t+T,…,α_t+(m-1)T，其中T＝n+1，n为F(x)的最高位的次方；

所述前馈非线性变换单元用于将m个T步平移等价序列作为输入生成前馈函数f(x)，前馈函数的输出序列与b_t＝α_t+1叠加产生非线性序列；利用T步平移等价序列具有相同的反馈函数性质，在一个n级伪随机序列的反馈移位寄存器上采用不同抽头表征f(x)获得平移等价序列组合；将平移等价序列组合利用非线性度强的bent序列构造方式产生f(x)的线性变换的前馈法线性化平移函数fz(x)＝f(x)+z^Tx，产生同一时刻接入网络的用户的2^n/2条非线性序列簇。

所述宽间隔变换单元：用于将生成的非线性序列簇进行对偶频带法宽间隔变换，设跳频集F具有p个频率点，将F分成两个对偶区间频带F1和F2，当非线性序列前后频点满足宽间隔需求时在频带F1中选取，当不满足宽间隔需求时跳入频段F2选取，如再遇不满足条件则跳出频带F2进入频带F1选取，以此类推，最终完成跳频图案的生成。

本发明的有益效果为：

1、利用TOD时间信息提供各节点的初始相位信息并且有利于各节点利用迟入网算法自动实现时差校正，保证跳频通信时间同步。

2、通过序列优选对方式获取生成平衡伪随机码的初始相位，保证伪随机码互相关性能，减少网络中引入的自身干扰。

3、采用非线性伪随机码可以保证跳频图案具有不可逆推性，提高跳频图案的抗破译性能，通过利用现有的伪随机序列通过平移等价序列的产生方法、非线性前馈函数运算及宽间隔跳频技术，降低工程实现复杂度且可进一步提高跳频通信的反侦察和抗干扰能力。

附图说明

图1是基于TOD时间信息的非线性伪随机码生成框架；

图2是基于TOD时间信息生成的时间-频率关系矩阵；

图3是序列优选对模块流程图；

图4是非线性跳频图案生成框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明实施方案作进一步的描述：

本发明一种基于TOD时间信息的非线性跳频跳时图案生成系统采用TOD时间信息实现跳频同步和控制跳频起点频率的主要参数，通过序列优选对模块提供的奇数级移位寄存器反馈平衡码特征相位，使伪随机码具有好的互相关性，即减少通信系统自身的无意干扰；采用非线性伪随机码可以保证跳频图案具有不可逆推性，提高跳频图案的抗破译性能，通过利用现有的伪随机序列通过平移等价序列的产生方法、非线性前馈函数运算及宽间隔跳频技术，确保跳频图案具有抗跟踪干扰及抗阻塞干扰能力，保证了跳频通信的LPE(Lowprobability detect)性能。本发明主要包括：TOD+PK时间信息处理模块、平衡伪随机码生成模块、非线性跳频图案生成模块。基本流程图如图1所示。

在无线自组网通信过程中，新节点接入网络，需要设置新节点的跳频信道，跳频信道包含频率集、跳频密钥、网号、跳频图案算法和实时时间等参数，本发明将利用这些参数完成跳频图案的生成。

(1)TOD+PK时间信息处理模块

TOD+PK时间信息处理模块用于先将输入的实时时间经过TOD计数方式获取初始相位值，再将初始相位值与由网号和跳频密钥决定的序列密钥进行运算获取初始相位。包含TOD时间信息单元、序列密钥单元和运算器。

所述TOD时间信息单元对在加入无线自组网通信时由GPS或北斗系统提供的实时时间进行提取，实时时间首先经过TOD计数方式获得跳计数(TOD_HOP)、帧计数(TOD_FRAME)、帧周期计数低位(TOD_PERIOD)和帧周期计数高位(TOD_AUXPERIOD)。根据机内当前时间将实时信息转化为相应的计数方式，当帧周期计数低位记满后、帧周期计数高位加一，同时帧周期计数低位清零；利用获得的帧周期计数高位作为初始相位值。

所述序列密钥单元用于对输入的网号和跳频密钥进行素数运算，将所获的素数进行对称私钥运算，将对称私钥运算的结果作为该序列密钥；

所述运算器对初始相位值和序列密钥进行运算，获得初始相位，输出给平衡伪随机码生成模块。

在本模块中，每个节点所对应的序列密钥值是不同的且帧周期计数高位的时间精度决定了跳频同步允许的相对时差以及跳频图案周期的长短。此次我们根据组网系统需求设定TOD技术时间精度，节点可随时间进行伪随机跳变，形成一个时间-频率关系矩阵，如图2所示，有利于跳频同步。当收发双方的时间在规定的时差范围内，可在跳频同步过程中自动实现时差校正；如果在规定的时差范围外，系统可利用迟入网方式实现时差校正。

在此模块的设计中，我们要求保护以下思想：

1、“为确保跳频同步系统在少有先验知识条件下实现跳频同步，减少同步开销及保证跳频图案的不可递推性，利用系统提供的TOD产生初始相位”的思想。

(2)平衡伪随机码生成

平衡伪随机码生成模块用于对所述初始相位利用奇数级移位寄存器进行数字分析，反馈初始相位的平衡码特征相位，将平衡码特征相位作为生成伪随机序列的输入生成伪随机序列，包含序列优选对选择单元及伪随机码生成单元

在序列优选对选择单元中，设伪随机码本原多项式为F(x)，生成函数为g(x)，伪随机码的特征相位由g(x)/F(x)之比确认，{a}、{b}是处于伪随机码的特征相位上的序列，以{a}其为基准，移动{b}序列的奇数级移位寄存器，直到{b}序列的第一个0对准{a}序列的第一个1，获取{b}序列初始状态作为生成平衡伪随机码的平衡特征相位并存入初相状态表中，将产生的初始相位作为地址，从初相状态表读取对应的初始状态输出给生成伪随机序列单元。

所述生成伪随机序列单元根据接收到的初始状态生成平衡伪随机序列。

在本模块中，序列优选对选择单元在获取节点的跳频信息的同时进行运算，获得给定特征相位序列{a}、{b}，伪随机码的初始状态与优先对平衡特征相位进行权重对比，可根据实际组网传递的时间信息进行参数优化。

在此模块的设计中，我们要求保护以下思想：

1、“为弥补不平衡码带来的互相关性差的影响，对生成伪随机码的初始相位进行优选对选取，保证生成的伪随机序列中1比0的个数仅多一个序列”的思想。

2、“为实现简单获取优选对初始相位，优化硬件工程实现资源，采用串行结构进行基于FIFO优选对相位存储设计，通过直接读取FIFO地址获得平衡特征相位”的思想。

(3)非线性跳频图案生成模块

非线性跳频图案生成模块包含平移等价序列单元、前馈非线性变换单元及宽间隔变换单元组成。通过平移等价序列获取具有相同特性的伪随机码族U_α，利用前馈f(x)非线性函数对U_α序列族进行运算，可快速生成非线性跳频图案。

具体为：平移等价序列单元用于对生成的平衡伪随机序列进行最后一级寄存器抽取，设抽取序列为α_t，则前一级抽取出的序列即为α_t的1步平移序列α_t+1，以此类推，根据伪随机序列生成本原多项式F(x)获得m个T(F(x)的最高位为n次方，定义T＝n+1)步平移等价序列α_t,α_t+T,…,α_t+(m-1)T。平移等价序列单元可以保证生成的码字相关性和互相性好，对于多用户来说，干扰也小，越容易剥离。

前馈非线性变换单元用于将m个平移等价序列作为前馈函数f(x)的输入，前馈函数的输出序列与b_t＝α_t+1叠加，即可产生非线性序列。因T步平移等价序列具有相同的反馈函数，故可在一个n级伪随机序列的反馈移位寄存器上采用不同抽头表征f(x)所需的平移等价序列组合，优化实现的复杂度及工程实现所消耗的资源。利用非线性度好的bent序列构造方式获得其前馈法线性化平移函数定义fz(x)＝f(x)+z^Tx，可产生2^n/2条非线性序列簇，表示同一时刻可接入网络的节点数目最多不超过2^n/2。前馈非线性变换单元可以增强抗干扰能力及被对方解密的能力。

宽间隔变换单元用于将生成的非线性序列s_z进行对偶频带法宽间隔变换获得最终的输出跳频图案，即将跳频集F分为两个对偶的区间频带F1和F2，选取的跳频图案满足宽间隔要求时，在F1频带上选取频段，当不满足要求时，跳到F2频带上对应的频点依次跳频，如再遇到不满足要求的，跳回F1频段进行跳频，以此类推，完成宽间隔跳频图案的生成。宽间隔变换单元可以防止相邻频率集重叠部分的相互干扰，此模块变换会减少一部分频率点的使用。

在本模块中，系统可根据实际传输需求，通过增加前馈函数的非线性复杂度，提高系统抗跟踪干扰能力；采用对偶宽间隔技术，不改变跳频图案均匀分布特性，通过加大相邻频点的跳变间隔，加强系统的抗阻塞能力。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于TOD时间信息的非线性跳频图案生成系统，包含TOD+PK时间信息处理模块、平衡伪随机码生成模块、非线性跳频图案生成模块，其特征在于：

所述TOD+PK时间信息处理模块包含TOD时间信息单元、序列密钥单元和运算器，所述TOD时间信息单元对输入的实时时间经过TOD计数方式获得跳计数、帧计数、帧周期计数低位和帧周期计数高位，当帧周期计数低位记满后，帧周期计数高位加一，同时帧周期计数低位清零；利用获得的帧周期计数高位作为初始相位值；

所述序列密钥单元用于对输入的网号和跳频密钥进行素数运算，将所获的素数进行对称私钥运算，将对称私钥运算的结果作为序列密钥；

所述运算器对初始相位值和序列密钥进行运算，获得初始相位，输出给平衡伪随机码生成模块；

平衡伪随机码生成模块用于对所述初始相位利用奇数级移位寄存器进行数字分析，反馈初始相位的平衡码特征相位，将平衡码特征相位作为生成平衡伪随机序列的输入生成平衡伪随机序列；

非线性跳频图案生成模块用于先对所述平衡伪随机序列进行T步平移获得m个T步平移等价序列；再对m个T步平移等价序列与非线性前馈函数f(x)运算，获得初始跳频图案；最后将初始跳频图案利用宽间隔跳频技术进行运算，获得最终的跳频图案。

2.根据权利要求1所述的非线性跳频图案生成系统，其特征在于所述实时时间由GPS或北斗系统提供。

3.根据权利要求1所述的非线性跳频图案生成系统，其特征在于所述平衡伪随机码生成模块包含生成序列优选对单元和生成伪随机序列单元；

所述生成序列优选对单元用于先通过对伪随机码本原多项式F(x)与生成函数g(x)的之比来确认伪随机码的特征相位；再由特征相位获得特定相位的序列{a}、{b}，以{a}序列为基准，移动{b}序列的奇数级移位寄存器，直到{b}序列的第一个0对准{a}序列的第一个1，获取{b}序列初始状态作为初始状态存入初相状态表中；最后将初始相位作为地址，读取初相状态表中对应的初始状态输入生成伪随机序列单元；

所述生成伪随机序列单元根据接收到的初始状态生成平衡伪随机序列。

4.根据权利要求1所述的非线性跳频图案生成系统，其特征在于所述非线性跳频图案生成模块包含平移等价序列单元、前馈非线性变换单元及宽间隔变换单元；

所述平移等价序列单元用于将生成的平衡伪随机序列进行最后一级寄存器抽取，设抽取序列为α_t，根据伪随机码本原多项式F(x)获得m个T步平移等价序列α_t,α_t+T,…,α_t+(m-1)T，其中T＝n+1，n为F(x)的最高位的次方；

所述前馈非线性变换单元用于将m个T步平移等价序列作为输入生成前馈函数f(x)，前馈函数的输出序列与b_t＝α_t+1叠加产生非线性序列；利用T步平移等价序列具有相同的反馈函数性质，在一个n级伪随机序列的反馈移位寄存器上采用不同抽头表征f(x)获得平移等价序列组合；将平移等价序列组合利用非线性度强的bent序列构造方式产生f(x)的线性变换的前馈法线性化平移函数fz(x)＝f(x)+z^Tx，产生同一时刻接入网络的用户的2^n/2条非线性序列簇；

所述宽间隔变换单元：用于将生成的非线性序列簇进行对偶频带法宽间隔变换，设跳频集F具有p个频率点，将F分成两个对偶区间频带F1和F2，当非线性序列前后频点满足宽间隔需求时在频带F1中选取，当不满足宽间隔需求时跳入频段F2选取，如再遇不满足条件则跳出频带F2进入频带F1选取，以此类推，最终完成跳频图案的生成。