CN107682043A - 一种跳频图案的生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种跳频图案的生成方法，包括：步骤1、基于跳频间隔约束和约定的频率集构建定义在频率集上的均匀性补偿函数；步骤2、在频率集中任选一频点作为当前频点；步骤3、基于跳频间隔约束与均匀性补偿函数，获取当前频点的可用的下一跳频点的第一概率分布函数；步骤4、基于第一概率分布函数，确定当前频点的下一跳频点，并以该下一跳频点作为新的当前频点；重复执行步骤3和步骤4，逐个确定用于构成跳频图案的每个频点。采用本发明的生成方法可生成具有良好均匀性和随机性的跳频图案，且该生成方法实现简单。

Description

一种跳频图案的生成方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种跳频图案的生成方法。
背景技术
跳频通信是指通信双方或多方在相同同步算法和伪随机跳频图案算法的控制下，射频频率在约定的频率表(N个频率的集合，又称为频率集或频隙集)内以离散频率的形式伪随机且同步地跳变，射频在跳变过程中所能覆盖的射频带宽远远大于原信息带宽，因而扩展了频谱。所以跳频通信也称为跳频扩频通信。
跳频图案是跳频系统中的核心组成部分，是在伪随机序列的控制下，根据时间和密钥形成的时间-频率关系矩阵。实际跳频通信系统在频率设计规划中很可能不能获得连续的可用频段，如美军JTIDS系统模式1跳频方式中有51个离散载波频率均匀分布于969-1008MHz、1053-1065MHz和1113MHz-1155MHz三个可用频段，跳频可用频段中的两段频率缺口为其他无线电设备保留。
可用频段的不连续性会给跳频图案，尤其是宽间隔跳频图案的设计带来巨大困难，频带约束条件下的宽间隔跳频图案生成是实用跳频通信中的重要技术。如何在可用频段不连续的约束条件下，生成具有良好随机性和均匀性的跳频图案成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是要在可用频段不连续的约束条件下，生成具有良好随机性和均匀性的跳频图案。
为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种跳频图案的生成方法，包括：
步骤1、基于跳频间隔约束和约定的频率集构建定义在所述频率集上的均匀性补偿函数；
步骤2、在所述频率集中任选一频点作为当前频点；
步骤3、基于所述跳频间隔约束与所述均匀性补偿函数，获取所述当前频点的可用的下一跳频点的第一概率分布函数；
步骤4、基于所述第一概率分布函数，确定所述当前频点的下一跳频点，并以该下一跳频点作为新的当前频点；
重复执行步骤3和步骤4，逐个确定用于构成所述跳频图案的每个频点。
优选地，所述步骤1具体包括：
基于所述约定的频率集，得到均匀跳频情况下定义在所述频率集上的第二概率分布函数；
基于所述约定的频率集、所述第二概率分布函数以及所述跳频间隔约束，采用直接均匀映射的方法，得到均匀跳频情况下所述频率集中的每个频点所对应的下一跳频点的第三概率分布函数；
基于所述第二概率分布函数与所述第三概率分布函数构建定义在所述频率集上的均匀性补偿函数。
优选地，所述基于所述第二概率分布函数与所述第三概率分布函数构建定义在所述频率集上的均匀性补偿函数，具体包括：
逐一在所述频率集内的每个频点处，以与该频点对应的所述第二概率分布函数的函数值除以与该频点对应的所述第三概率分布函数的函数值，并以计算得到的商作为与该频点对应的所述均匀性补偿函数的函数值。
优选地，根据如下表达式建立所述第二概率分布函数Pave{x}：
其中，x表示所述频率集中频点，N表示所述频率集中所包含的频点的总的个数。
优选地，所述步骤3具体包括：
基于所述跳频间隔约束，确定所述当前频点的下一跳频点的频率取值范围；
将所述频率集内满足所述频率取值范围的全部频点作为可用的所述当前频点的下一跳频点；
将所述均匀性补偿函数在所述可用的所述当前频点的下一跳频点处的函数值作归一化处理，以获取所述当前频点的可用的下一跳频点的第一概率分布函数。
优选地，所述将所述均匀性补偿函数在所述可用的所述当前频点的下一跳频点处的函数值作归一化处理，具体包括；
将所述均匀性补偿函数在所述可用的所述当前频点的下一跳频点中的每个频点处的函数值相加，并以求得的和作为归一化系数；
以所述均匀性补偿函数在所述可用的所述当前频点的下一跳频点中的每个频点处的函数值除以所述归一化系数，将得到的商作为所述第一概率分布函数的函数值。
优选地，所述基于所述第一概率分布函数，确定所述当前频点的下一跳频点，具体包括：
基于所述第一概率分布函数，将所述第一概率分布函数的函数值对应映射为映射函数的定义域的子区间，将所述第一概率分布函数定义域内每个频点的频率值分别映射为所述映射函数的函数值；
以满足所述映射函数的定义域的取值概率的随机变量所述映射函数的输入变量，将所述映射函数的输出确定为所述当前频点的下一跳频点。
优选地，所述约定的频率集属于多个离散的频率段。
优选地，所述跳频间隔约束为30MHz。
本发明在均匀性跳频图案的基础上构建均匀性补偿函数。并基于跳频间隔约束条件和当前频点，根据均匀性补偿函数得到当前频点下一跳频点的概率分布，进而确定下一跳频点，重复该过程，以生成的跳频图案中的每个频点。采用本发明的生成方法，生成的跳频图案具有良好的均匀性和随机性，且该生成方法实现简单，在扩频通信系统中具有很强的实用价值。
本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
图1是根据本发明一实施例的跳频图案生成方法的流程示意图；
图2是根据本发明一实施例的第二概率分布函数和第三概率分布函数的示意图；
图3是根据本发明一实施例的均匀性补偿函数的示意图；
图4是本发明实施例的随机性的对比评价示意图；
图5是本发明实施例的均匀性的对比评价示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
跳频系统中，可供跳变的频率(频点)、以及频点数目都是约定好的，这些频点分布的频段也即跳频系统的可用频段。跳频图案是跳频系统中的核心组成部分，是在伪随机序列的控制下，根据约定好的频率集生成的频点序列。
现有设计跳频图案的方法主要包括：基于m序列构造最佳跳频序列簇、对偶频带法、随机平移替代法、随机均匀转移替代法以及直接均匀映射法。以上方法中除直接均匀映射法外，都是假设约定的频率集为连续等间隔的离散频率组的来设计跳频图案的，不能适用类似JTIDS系统中可用频段不连续的应用场景。而直接均匀映射法是借鉴随机平移替代法的构造思想的一种跳频图案生成方法，可以在不连续的频段上生成跳频图案，但生成的跳频图案不能满足频点均匀性的要求。
而本发明提出一种跳频图案的生成方案，可以在任意不连续的频段生成跳频图案，且生成的跳频图案具有良好的随机性和均匀性。以下将结合附图及实施例就本发明的技术方案进行详细说明。
首先，如图1中步骤S110所示，基于跳频间隔约束和约定的频率集构建定义在该频率集上的均匀性补偿函数。
约定的频率集为已知的可供跳变的频点的集合，跳频间隔约束为跳频图案中相邻频点的频率间隔，该间隔较宽可增加跳频通信被跟踪干扰的难度。举例而言，可采用与JTIDS系统相同的频率集和跳频间隔约束，即以在969-1008MHz、1053-1065MHz和1113MHz-1155MHz频段中以3MHz为间隔均匀分布的51个频点为可供跳变的频点，这些频点构成约定的频率集，跳频间隔约束为30MHz。
为便于叙述，本实施例中约定的频率集用A表示，频率集中频点用x表示，跳频间隔用k表示。
具体地，步骤S110中，先基于已知的约定的频率集A，得到均匀跳频情况下定义在该频率集上的第二概率分布函数Pave{x}。均匀跳频情况下，频率集A中每个频点的使用概率是一样大，这样在约定的频率集下，显然可根据以下表达式(1)建立第二概率分布函数Pave{x}：
表达式(1)中，x表示频率集A中频点，N表示频率集A中所包含的频点的总的个数。
在一优选的应用场景下，得到的第二概率分布函数如图2中随机跳频的图例所示。
得到第二概率分布函数Pave{x}之后，再基于约定的频率集A、第二概率分布函数Pave{x}以及跳频间隔约束k，采用现有的直接均匀映射的方法，得到均匀跳频情况下频率集A中的每个频点所对应的下一跳频点的第三概率分布函数Pep{x},x∈A。
在一优选的应用场景下，第三概率分布函数Pep{x}如图2中均匀映射宽间隔跳频的下一跳的图例所示。
最后基于得到的第二概率分布函数Pave{x}与第三概率分布函数Pep{x}构建定义在频率集A上的均匀性补偿函数fcp{x}。
具体地构建过程为，逐一在频率集A内的每个频点处，以与该频点对应的第二概率分布函数Pave{x}的函数值除以与该频点对应的第三概率分布函数Pep{x}的函数值，并以计算得到的商作为与该频点对应的均匀性补偿函数fcp{x}的函数值。即可根据以下表达式(2)构建均匀性补偿函数fcp{x}：
在一优选的应用场景下，均匀性补偿函数fcp{x}如图3中图例所示。
步骤S110之后，继续图1中步骤S120，在频率集中任选一频点作为当前频点。这里的当前频点用xc表示。
步骤S120之后，继续图1中步骤S130，基于跳频间隔约束与均匀性补偿函数fcp{x}，获取当前频点xc的可用的下一跳频点的第一概率分布函数Pwp{x}。
具体地，步骤S130中，先基于跳频间隔约束，确定当前频点xc的下一跳频点的频率取值范围。跳频间隔约束k已知，当前频点已确定，显然其下一跳频点的频率取值y满足如下表达式(3)：
|y-xc|≥k (3)
再根据当前频点的下一跳频点的频率取值范围，将频率集A内满足该频率取值范围的全部频点作为可用的当前频点的下一跳频点，这些频点构成了集合B。也就是说集合B中的频点都是当前频点的可能的下一跳频点，最终要从集合B中挑选一频点作为当前频点的下一跳频点。
基于集合B，将均匀性补偿函数fcp{x}的定义域做截取，并将均匀性补偿函数fcp{x}在可用的当前频点的下一跳频点处的函数值作归一化处理，以获取当前频点的可用的下一跳频点的第一概率分布函数Pwp{x}。
进一步地，归一化处理的具体过程为，将均匀性补偿函数fcp{x}在可用的所述当前频点的下一跳频点中的每个频点处的函数值相加，并以求得的和作为归一化系数。再以均匀性补偿函数fcp{x}在可用的当前频点的下一跳频点中的每个频点处的函数值除以得到的归一化系数，将得到的商作为第一概率分布函数的函数值。
最终得到的第一概率分布函数Pwp{x}满足如下表达式(4)：
表达式(4)中，sum(fcp{x})表示对fcp{x}在集合B范围内求和。
之后继续图1中步骤S140，基于第一概率分布函数，确定当前频点的下一跳频点，并以该下一跳频点作为新的当前频点。
第一概率分布函数本质为一非均匀选频分布，步骤S140中，采用将一序列中元素映射为满足该非均匀选频分布的方式，来确定当前频点的下一跳频点。
具体地，先构建一映射函数。构建过程为，基于得到的第一概率分布函数，将第一概率分布函数的函数值对应映射为映射函数的定义域的子区间，将第一概率分布函数定义域内每个频点的频率值分别映射为映射函数的函数值。
为便于说明以上映射关系，这里假设第一概率分布函数的定义域(集合B)为{x1,x2,x3}，假设这三个频点对应的概率为{0.1,0.4,0.5}，则基于上述假设这里构建的映射函数F(s)满足以下表达式(5)：
得到映射函数后，以满足该映射函数的定义域的取值概率的随机变量作为映射函数的输入变量，将映射函数的输出确定为当前频点的下一跳频点。
这里继续以上述假设情况为例，由于映射函数的定义域为(0,1)，且为满足映射函数的定义域的取值概率，这里的随机变量为取值范围为(0,1)的随机数，随机数的取值概率满足均匀分布，可使用现有条件下常规计算算法产生。将该随机数作为映射函数函数的输入，得到的输出即为下一跳频点。例如，上述假设情况下，随机数的取值为0.3，根据表达式(5)，映射函数的输出为x2，则确定x2为当前频点的下一跳频点。
再以确定的下一跳频点作为新的当前频点，如图1所示，重复执行步骤S130和步骤S140，逐个确定用于构成跳频图案的每个频点，直到确定的频点数目(跳频图案序列长度)满足要求。
下面基于仿真的结果，对采用以上方法生成的跳频图案进行了对比评价。
如图4所示，为JTIDS条件下，对随机性的评价，图中宽间隔跳频图例为采用本发明方法的实施例，随机跳频图例为对比实施例。根据图4所示，可见采用本发明方法实施例的间隔频率分布满足大于30MHz的要求，且具有良好的随机性。
如图5所示，为JTIDS条件下，对均匀性的评价，图中改进映射宽间隔跳频图例为采用本发明方法的实施例，随机跳频图例为对比实施例。根据图5所示，可见采用本发明方法的实施例的频率均匀性与随机跳频相当，具有良好的均匀性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种跳频图案的生成方法，包括：
步骤1、基于跳频间隔约束和约定的频率集构建定义在所述频率集上的均匀性补偿函数；
步骤2、在所述频率集中任选一频点作为当前频点；
步骤3、基于所述跳频间隔约束与所述均匀性补偿函数，获取所述当前频点的可用的下一跳频点的第一概率分布函数；
步骤4、基于所述第一概率分布函数，确定所述当前频点的下一跳频点，并以该下一跳频点作为新的当前频点；
重复执行步骤3和步骤4，逐个确定用于构成所述跳频图案的每个频点。
2.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
基于所述约定的频率集，得到均匀跳频情况下定义在所述频率集上的第二概率分布函数；
基于所述约定的频率集、所述第二概率分布函数以及所述跳频间隔约束，采用直接均匀映射的方法，得到均匀跳频情况下所述频率集中的每个频点所对应的下一跳频点的第三概率分布函数；
基于所述第二概率分布函数与所述第三概率分布函数构建定义在所述频率集上的均匀性补偿函数。
3.根据权利要求2所述的生成方法，其特征在于，所述基于所述第二概率分布函数与所述第三概率分布函数构建定义在所述频率集上的均匀性补偿函数，具体包括：
逐一在所述频率集内的每个频点处，以与该频点对应的所述第二概率分布函数的函数值除以与该频点对应的所述第三概率分布函数的函数值，并以计算得到的商作为与该频点对应的所述均匀性补偿函数的函数值。
4.根据权利要求2所述的生成方法，其特征在于，根据如下表达式建立所述第二概率分布函数Pave{x}：
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>v</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mo>{</mo> <mi>x</mi> <mo>}</mo> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> </mrow>
其中，x表示所述频率集中频点，N表示所述频率集中所包含的频点的总的个数。
5.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
基于所述跳频间隔约束，确定所述当前频点的下一跳频点的频率取值范围；
将所述频率集内满足所述频率取值范围的全部频点作为可用的所述当前频点的下一跳频点；
将所述均匀性补偿函数在所述可用的所述当前频点的下一跳频点处的函数值作归一化处理，以获取所述当前频点的可用的下一跳频点的第一概率分布函数。
6.根据权利要求5所述的生成方法，其特征在于，所述将所述均匀性补偿函数在所述可用的所述当前频点的下一跳频点处的函数值作归一化处理，具体包括；
将所述均匀性补偿函数在所述可用的所述当前频点的下一跳频点中的每个频点处的函数值相加，并以求得的和作为归一化系数；
以所述均匀性补偿函数在所述可用的所述当前频点的下一跳频点中的每个频点处的函数值除以所述归一化系数，将得到的商作为所述第一概率分布函数的函数值。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的生成方法，其特征在于，所述基于所述第一概率分布函数，确定所述当前频点的下一跳频点，具体包括：
基于所述第一概率分布函数，将所述第一概率分布函数的函数值对应映射为映射函数的定义域的子区间，将所述第一概率分布函数定义域内每个频点的频率值分别映射为所述映射函数的函数值；
以满足所述映射函数的定义域的取值概率的随机变量作为所述映射函数的输入变量，将所述映射函数的输出确定为所述当前频点的下一跳频点。
8.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述约定的频率集属于多个离散的频率段。
9.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述跳频间隔约束为30MHz。
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