CN108242941A - 一种混合扩频多址网的软扩频码优选方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混合扩频多址网的软扩频码优选方法，首先根据循环移位键控(CCSK)码的结构特征设置限定条件，生成满足均衡性和自相关要求的码库；之后采用起点遍历、初段随机、末段有向的分段搜索方法，由自相关码库中筛选出满足互相关要求的一组软扩频码；最后与跳频图样相结合将软扩频码合理分配给各网络使用。本发明能够有效地降低网间干扰、提高系统的组网能力。

Description

一种混合扩频多址网的软扩频码优选方法

技术领域

本发明涉及混合扩频时分多址通信系统领域，尤其涉及其中软扩频码的优选和应用方法。

背景技术

在混合扩频时分多址通信系统中，同一网络的各用户采用时分多址方式共享信道，并且在每个时隙采用跳频和软扩频技术使系统具有多网工作能力，即不同网络用户的发射信号在频域或码域保持正交。具体来说，当不同网络用户发射信号的跳频频点出现随机碰撞，即信号在频域冲突时，采用软扩频码进行扩频可以保证信号在码域正交。例如在美军的LINK16数据链中就采用了32位的循环移位键控(CCSK)码进行软扩频。由码库中筛选出的软扩频码的自相关和互相关性能决定了用户通信抗网间干扰的能力，直接影响系统的多网工作能力。然而，目前的软扩频码筛选算法在搜索时未充分考虑循环码本身的码字结构特征，在生成自相关码库时直接搜索232空间，导致其计算量过大而只能采用随机生成自相关码库的方式。而且，在进行互相关筛选时往往采用效率较低的穷举搜索方法，产生码字的效率较低、数量较少，很难满足混合扩频时分多址通信系统多网应用的要求。另外，关于软扩频码的多网分配方法，目前往往采用伪随机分配的方式，无法确保在产生频点碰撞时信号在码域的正交性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种软扩频循环码的最优筛选方法和多网分配使用方法，包括自相关码库生成、互相关码字筛选和软扩频码多网分配三个部分，能够有效地降低网间干扰、提高系统的组网能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1，对于(N,k)循环码，设定自相关码库的搜索空间范围为数字1～2^N-k+1，设定要搜索的码字为奇数，在设定的空间中逐条搜索满足均衡性和自相关性的码字，存储所有满足条件的码字得到自相关码库；

所述的均衡性要求是指码字中码元1的个数和码元0的个数差值小于等于2；所述的自相关性要求是指对码字C_a＝{c_a(i)}在相对时延τ时的最大周期自相关值

小于等于允许的最大周期自相关值T_auto；

步骤2，采用起点遍历、初段随机、末段有向的分段搜索方法，由自相关码库中筛选出满足互相关要求的一组软扩频码集合C；

所述的起点遍历是指由自相关码库中任意选择一个码字作为第1个软扩频码C₀，以C₀为起点，逐个搜索自相关码库中的每条码字C_a＝{c_a(i)}，计算C_a＝{c_a(i)}和C₀的最大互相关值按照设定的互相关值门限T_E进行判断，当H(C_a,C₀)≤T_E时，将码字C_a＝{c_a(i)}存入集合D，当T_E<H(C_a,C₀)≤T_cor时，将码字存入集合E，当T_cor<H(C_a,C₀)时，舍弃该条码字；0<T_E<T_cor；

所述的初段随机是指由集合D中逐个搜索与软扩频码集合C中所有码字满足最大周期互相关值≤T_E的码字，找到之后存入集合C，继续搜索，直到搜索完毕；由集合D+E中逐个搜索与软扩频码集合C中所有码字满足最大周期互相关值≤T_cor的码字，找到之后存入集合C，继续搜索，直到集合D+E中剩余待搜索的码字个数≤M，得到码字个数≤M的集合F，M为设定个数阈值；

所述的末段有向是指计算集合F中任一码字与其它码字的最大周期互相关值，得到互相关值矩阵，统计每个码字所有的互相关值≤T_cor的个数，取找到的第一个个数最大的码字C_x存入软扩频码集合C；调整互相关值矩阵，使其仅包含与C_x的最大互相关值≤T_cor的码字的互相关值，重复本步骤直到取出最后一个C_x，得到最终的软扩频码集合C；

步骤3，与跳频图样相结合将软扩频码集合C分配给各网络使用，设软扩频码集合C共包含L个码字C₀,C₁,…,C_L-1，对于网号为U、频点号为V的频点，为其绑定软扩频码C_(U+V)modL。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提出的循环码自相关码库的生成方法，根据循环码的结构特征设置限定条件，与传统的方法相比，极大地节省了计算量，能够根据需求快速生成码库。

(2)本发明提出的互相关码字的起点遍历、初段随机、末段有向的分段搜索方法，提高了码字筛选的效率，能够尽可能多地筛选出符合条件的码字，确保了系统的多网工作能力。

(3)本发明提出的软扩频码多网分配方法，将跳频频点与软扩频码绑定使用，能够有效地对抗网间干扰，提高信息传输的可靠性。

附图说明

图1为本发明的软扩频循环码优选和分配方法流程图。

图2为本发明的互相关码字筛选方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明适用于采用了跳频和软扩频技术的时分多址混合扩频系统，提供了一种软扩频循环码的最优筛选方法和多网分配使用方法，能够按照所需的码字长度由码库中优选出满足自相关和互相关等性能要求的一组软扩频码，并与跳频图样相结合在各网合理分配软扩频码，降低了用户的网间干扰，为保证系统的多网工作能力提供了有力支撑。

本发明首先根据循环移位键控(CCSK)码的结构特征设置限定条件，生成满足均衡性和自相关要求的码库；之后采用起点遍历、初段随机、末段有向的分段搜索方法，由自相关码库中筛选出满足互相关要求的一组软扩频码；最后与跳频图样相结合将软扩频码合理分配给各网络使用。

设系统所采用的软扩频码为(N,k)码，即采用长度为N的码字表示k比特的信息。该码字用C＝{c(i),i＝0,1,…,N-1}表示，码字的每1位c(i)为“+1”或者“-1”。对于两个码字C_a＝{c_a(i)}和C_b＝{c_b(i)}，在相对时延τ时的周期互相关值定义为

则最大周期互相关值定义为

而最大周期自相关值定义为

根据使用需求，系统设定软扩频循环码码字允许的最大周期自相关值为T_auto，任意两个码字之间的最大周期互相关值为T_cor。

本发明所采用的具体技术方案可描述为以下步骤：

【步骤1】自相关码库生成

根据循环移位键控(CCSK)码的结构特征设置限定条件，生成满足均衡性和自相关要求的码库。

【步骤1.1】设定自相关码库的搜索空间范围为数字1～2^N-k+1。将搜索空间范围内的全部数字转换为N位的二进制数，其中N、k为系统设定。设置该项条件的依据为(N,k)循环码的一项定理，该定理表明，对于(N,k)循环码，有且仅有一个次数为N-k的生成码多项式，其它码字可由该生成码多项式对应的基码循环移位产生。因此为了搜索满足自相关条件的(N,k)循环码，可以将基码搜索空间相应的设定为1～2^N-k+1。由于传统的办法直接穷举搜索2^N空间，因此设置该条件可以将搜索的计算量降低2^N/2^N-k+1＝2^k-1倍。

【步骤1.2】设定要搜索的码字为奇数。设置该项条件的依据同样由上一步中的定理得出，生成码多项式的次数为N-k，即表明该多项式所包含的次数为0的项的系数为1，即要搜索的码字为奇数。设置该项条件可以将搜索的计算量再降低一半。

【步骤1.3】在设定的空间中开始逐条搜索满足如下两个条件的码字：

(1)均衡性要求，码字的|码元1的个数-码元0的个数|≤2。

(2)自相关性要求，对码字按照公式(3)计算得出的最大周期自相关值≤T_auto。

存储所有满足条件的码字得到自相关码库。

【步骤2】互相关码字筛选

考虑到互相关码字筛选的计算量，为了提高筛选效率，采用起点遍历、初段随机、末段有向的分段搜索方法，由自相关码库中筛选出满足互相关要求的一组软扩频码集合C。

【步骤2.1】起点遍历：由自相关码库中任意选择一个码字作为第1个软扩频码C₀，以C₀为起点，逐个搜索自相关码库中的每条码字，按照公式(2)计算它和C₀的最大互相关值，按照设定的互相关值门限T_E(0<T_E<T_cor)进行如下判断：

(1)当最大周期互相关值≤T_E时，将码字存入集合D；

(2)当T_E<最大周期互相关值≤T_cor时，将码字存入集合E；

(3)当T_cor<最大周期互相关值时，舍弃该条码字。

【步骤2.2】初段随机：这里采用互相关值门限值由小到大的阶梯式搜索办法，首先搜索两两互相关值≤T_E的码字，之后放宽条件，搜索两两互相关值≤T_cor的码字。具体按如下步骤执行：

【步骤2.2.1】由集合D中逐个搜索与软扩频码集合C中所有码字满足“最大周期互相关值≤T_E”的码字，找到之后存入集合C，继续搜索，直到搜索完毕。

【步骤2.2.2】由集合D+E中逐个搜索与软扩频码集合C中所有码字满足“最大周期互相关值≤T_cor”的码字，找到之后存入集合C，继续搜索，直到集合D+E中剩余待搜索的码字个数≤M(考虑到计算机的计算能力，可以将M设为5000)，得到码字个数≤M的集合F。

【步骤2.3】末段有向：在集合F中以互相关值≤T_cor的概率大小为方向，搜索满足互相关性要求的码字。具体按如下步骤执行：

【步骤2.3.1】计算集合F中任一码字与其它码字的最大周期互相关值，得到互相关值矩阵。

【步骤2.3.2】统计每个码字所有的互相关值≤T_cor的个数，取找到的第一个个数最大的码字C_x存入软扩频码集合C。

【步骤2.3.3】调整互相关值矩阵，使其仅包含与C_x的最大互相关值≤T_cor的码字的互相关值。重复【步骤2.3.2】和【步骤2.3.3】，直到取出最后一个C_x，就得到了最终的软扩频码集合C。

【步骤3】软扩频码多网分配

最后与跳频图样相结合将软扩频码集合C合理分配给各网络使用。由于系统采用混合扩频时分多址通信方式，软扩频的主要作用在于当跳频频点发生碰撞时，利用不同网络扩频码的互相关特性来区分信号。因此，与传统的随机使用软扩频码不同，这里将跳频频点与软扩频码绑定使用，确保不同网络的跳频频点所绑定的软扩频码不同。设软扩频码集合C共包含L个码字(C₀,C₁,…,C_L-1)，则系统最多可支持L个网络同时工作。对于网号为U、频点号为V的频点，应为其绑定的软扩频码为C_{(U+V)mod L}，其中mod表示取模运算。从而不同网中相同频点号的频点在发送信息时使用的软扩频码不同，保证了其正交性。

本发明的实施例设系统所采用的软扩频码为(32,5)循环码，码字允许的最大周期自相关值为4，任意两个码字之间的最大周期互相关值为12。

本发明所采用的具体技术方案可描述为以下几个步骤。

【步骤1】自相关码库生成

根据循环移位键控(CCSK)码的结构特征设置限定条件，生成满足均衡性和自相关要求的码库。

【步骤1.1】设定自相关码库的搜索空间范围为1～2²⁸。设置该项条件可以将搜索的计算量降低2⁴倍。

【步骤1.2】设定要搜索的码字为奇数，设置该项条件可以将搜索的计算量再降低一半。

【步骤1.3】在设定的空间中开始逐条搜索满足如下两个条件的码字：

(1)均衡性要求，码字的|码元1的个数-码元0的个数|≤2。

(2)自相关性要求，对码字按照公式(3)计算得出的最大周期自相关值≤4。

存储所有满足条件的码字得到自相关码库，共包含235084个码字。

【步骤2】互相关码字筛选

附图2为本发明的互相关码字筛选方法流程图，采用起点遍历、初段随机、末段有向的分段搜索方法，由自相关码库中筛选出满足互相关要求的一组软扩频码集合C。

【步骤2.1】起点遍历：由自相关码库中任意选择一个码字作为第1个软扩频码C₀＝259273261，以C₀为起点，逐条搜索自相关码库中的每条码字，计算它和C₀的最大互相关值，设定互相关值门限为8并进行如下判断：

(1)当最大周期互相关值≤8时，将码字存入集合D；

(2)当8<最大周期互相关值≤T_auto时，将码字存入集合E；

(3)当T_auto<最大周期互相关值时，舍弃该条码字。

最终得到集合D中包含的码字数为1311，集合E中包含的码字数为122825。

【步骤2.2】初段随机：这里采用互相关值门限值由小到大的阶梯式搜索办法，首先搜索两两互相关值≤8的码字，之后放宽条件，搜索两两互相关值≤12的码字。具体按如下步骤执行：

【步骤2.2.1】由集合D中逐条搜索与软扩频码集合C中所有码字满足“最大周期互相关值≤8”的码字，找到之后存入集合C，继续搜索，直到搜索完毕。最终得到软扩频码字C₁＝5986107，C₂＝190276839。

【步骤2.2.2】由集合D+E中逐条搜索与软扩频码集合C中所有码字满足“最大周期互相关值≤T_cor”的码字，找到之后存入集合C，继续搜索，直到集合D+E中剩余待搜索的码字个数≤5000，记剩余码字集合为F，这里F中包含3097个码字。同时得到了软扩频码字C₃＝245276727，C₄＝54357267，C₅＝248654575，C₆＝164274029，C₇＝44273085。

【步骤2.3】末段有向：在集合F中以互相关值≤12的概率大小为方向，搜索满足互相关性要求的码字。具体按如下步骤执行：

【步骤2.3.1】计算集合F中任一码字与其它码字的最大周期互相关值，得到互相关值矩阵，包含3097×3097个互相关值。

【步骤2.3.2】统计每个码字所有的互相关值≤12的个数，取找到的第一个个数最大的码字C_x存入软扩频码集合C。

【步骤2.3.3】调整互相关值矩阵，使其仅包含与C_x的最大互相关值≤12的码字的互相关值。重复【步骤2.3.2】和【步骤2.3.3】，直到取出最后一个C_x。最终得到了软扩频码字C₈＝60052923，C₉＝97678295，C₁₀＝154851561，C₁₁＝55505191，C₁₂＝118827453，C₁₃＝123574995，C₁₄＝64670485，C₁₅＝146337369，C₁₆＝97824231，C₁₇＝79272591，C₁₈＝108253515，C₁₉＝171684381，C₂₀＝91842087，C₂₁＝26898351，C₂₂＝90416335。C₀到C₂₂组成最终的软扩频码集合C。

【步骤3】软扩频码多网分配

最后将跳频频点与软扩频码绑定使用，确保不同网络的跳频频点所绑定的软扩频码不同。由于软扩频码集合C共包含23个码字，因此系统理论上可支持23个网络同时工作。设定系统支持的网络数为23，系统的跳频频点数为25。从而，对于网号为U(0≤U≤22)、频点号为V(0≤V≤24)的频点，应为其绑定的软扩频码为C_{(U+V)mod 23}，其中mod表示取模运算，如下表所示。

表1网络数为23、频点数为25时软扩频码多网分配

从而不同网中相同频点号的频点在发送信息时使用的软扩频码不同，保证了其正交性。

Claims (1)

1.一种混合扩频多址网的软扩频码优选方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1，对于(N,k)循环码，设定自相关码库的搜索空间范围为数字1～2^N-k+1，设定要搜索的码字为奇数，在设定的空间中逐条搜索满足均衡性和自相关性的码字，存储所有满足条件的码字得到自相关码库；

所述的均衡性要求是指码字中码元1的个数和码元0的个数差值小于等于2；所述的自相关性要求是指对码字C_a＝{c_a(i)}在相对时延τ时的最大周期自相关值

小于等于允许的最大周期自相关值T_auto；

步骤2，采用起点遍历、初段随机、末段有向的分段搜索方法，由自相关码库中筛选出满足互相关要求的一组软扩频码集合C；

所述的起点遍历是指由自相关码库中任意选择一个码字作为第1个软扩频码C₀，以C₀为起点，逐个搜索自相关码库中的每条码字C_a＝{c_a(i)}，计算C_a＝{c_a(i)}和C₀的最大互相关值按照设定的互相关值门限T_E进行判断，当H(C_a,C₀)≤T_E时，将码字C_a＝{c_a(i)}存入集合D，当T_E<H(C_a,C₀)≤T_cor时，将码字存入集合E，当T_cor<H(C_a,C₀)时，舍弃该条码字；0<T_E<T_cor；

所述的初段随机是指由集合D中逐个搜索与软扩频码集合C中所有码字满足最大周期互相关值≤T_E的码字，找到之后存入集合C，继续搜索，直到搜索完毕；由集合D+E中逐个搜索与软扩频码集合C中所有码字满足最大周期互相关值≤T_cor的码字，找到之后存入集合C，继续搜索，直到集合D+E中剩余待搜索的码字个数≤M，得到码字个数≤M的集合F，M为设定个数阈值；

所述的末段有向是指计算集合F中任一码字与其它码字的最大周期互相关值，得到互相关值矩阵，统计每个码字所有的互相关值≤T_cor的个数，取找到的第一个个数最大的码字C_x存入软扩频码集合C；调整互相关值矩阵，使其仅包含与C_x的最大互相关值≤T_cor的码字的互相关值，重复本步骤直到取出最后一个C_x，得到最终的软扩频码集合C；

步骤3，与跳频图样相结合将软扩频码集合C分配给各网络使用，设软扩频码集合C共包含L个码字C₀,C₁,…,C_L-1，对于网号为U、频点号为V的频点，为其绑定软扩频码C_{(U+V)mod L}。