CN113037327B - 一种基于信道质量特性的跳频序列集构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信道质量特性的跳频序列集构建方法，本发明的方法包括：获取可用跳频信道集，并计算得到所述跳频信道集中跳频信道的信道质量比；在所述跳频信道集上构造长度为L _p 和序列个数为K _p 的素数跳频序列集合，并对所述素数跳频序列集合进行扩展，得到新的跳频序列集合；基于所述信道质量比，对新的跳频序列集合中的跳频序列进行替换操作，从而得到CQ‑FHS集。本发明构建的基于信道质量的跳频序列集使得跳频信道的使用概率，随着信道质量不同而不同，保证FHMA具有较低BER性能的同时，又具有较高的频谱效率。

Description

一种基于信道质量特性的跳频序列集构建方法

技术领域

本发明属于跳频技术领域，具体涉及一种基于信道质量特性的跳频序列集构建方法。

背景技术

在传统跳频(Frequency hopping,FH)系统中，信号的中心频率在可用的频点集合上随机选择，实现随机跳变参考文献[1]，参考文献[2]。传统的频率跳变方式一般为均匀随机跳频序列(Uniform FH sequence,UFHS)。在这种跳频方式中，频点集合中的任一频点的使用次数相同，也即意味着所有可用(频率)信道认为具有相同的信道质量。以往关于FH序列集的研究参考文献[3]～参考文献[6]中，频率信道的随机性是FH序列集设计的最关键目标。参考文献[3]、参考文献[7]～参考文献[10]将UFHS集合应用到FH多址接入(FH multi-access,FHMA)系统中，对这类传统FHMA系统性能进行了理论分析和仿真分析。研究表明，采用UFHS集合的FHMA系统能够随机化多址干扰和受污染信道的影响。

然而，在实际应用中，由于存在或多或少的干扰攻击和多径衰落，一些可用频率信道可能会受到不同程度的污染，跳频系统在受污染信道上传输信息会带来不同程度的性能下降。如果为了保证良好的性能，一般传统FH系统的解决方案是采用“开-关”模式。“开-关”模式指的是，当信道质量超过给定阈值时，该频率信道被视为可用；否则不可用参考文献[1]。虽然这样可以进一步排除这些受干扰信道，但是这种简单的“开-关”模式使得可用的信道资源变得更加稀缺。可以看出，已有的传统跳频系统和跳频序列，没有利用信道间的质量差异，不能有差异化地使用这些频率信道，这可能会限制FH系统的误码率(Bit-errorrate,BER)性能和频谱效率。

参考文献[1]M.K.Simon,Spread Spectrum Communications Handbook.NewYork,NY,USA:McGraw-Hill,2001.

参考文献[2]D.Torrieri,S.Talarico,M.C.Valenti,“Analysis of afrequency-hopping millimeter-wave cellular uplink,”IEEE Trans.WirelessCommun.,vol.15,no.10,pp.7089-7098,2016.

参考文献[3]Q.Zeng,Z.Z.Zhou,X.Liu,and Z.L.Liu,“Strong no-hit-zonesequences for improved quasi-orthogonal FHMA systems:sequence design andperformance analysis,”IEEE Trans.Commun.,vol.67,no.8,pp.5336-5345,Aug.2019.

参考文献[4]L.Zhou and X.Liu,“Families of optimal low-hit-zonefrequencyhopping sequence sets under the periodic partial Hamming correlationproperties,”IEEE Access,vol.8,pp.14991-14998,Jan.2020.

参考文献[5]Z.Zhou,X.Tang,D.Peng,and U.Parampalli,“New constructionsfor optimal sets of frequency-hopping sequences,”IEEE Trans.Inf.Theory,vol.57,no.6,pp.3831-3840,Jun.2011.

参考文献[6]X.Liu and Q.Zeng,“Frequency hopping sequence sets withgood aperiodic Hamming correlation properties and large family size,”IEEECommun.Lett.,vol.23,no.3,pp.394-397,Mar.2019.

参考文献[7]L.Guan,Z.Li,J.Si and B.Hao,“Analysis of asynchronousfrequency hopping multiple-access network performance based on the frequencyhopping sequences,”IET Commun.,vol.9,no.1,pp.117-121,2014.

参考文献[8]Y.He,Y.Cheng,J.Fan and et al.,“Performance analysis of asubset-based coherent FFH system with spatial modulation in Rayleigh fadingchannels with multitone jamming,”IET Commun.,vol.10,no.16,pp.2199-2205,Oct.2016.

参考文献[9]M.Lin et al.,“Frequency-hopping CDMA with Reed-Solomoncode sequences in wireless communications,”IEEE Trans.Commun.,vol.55,no.11,pp.2052-2055,Nov.2007.

参考文献[10]A.J.Al-Dweik and B.S.Sharif,“Exact performance analysisof synchronous FH-MFSK wireless networks,”IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.58,no.7,pp.3771-3776,Sep.2009.

发明内容

为了克服传统跳频系统和跳频序列的局限性，本发明提供了一种基于信道质量特性的跳频序列集构建方法。本发明通过考虑信道质量增益的不同，对传统跳频序列集进行特定扩展，通过替换算法改进扩展的传统跳频序列，从而得到和信道质量增益相匹配的跳频序列集合，即基于信道质量的跳频序列(CQ-FHS，Channel Qualities based FHS)。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于信道质量特性的跳频序列集构建方法，包括以下步骤：

步骤S1，获取可用跳频信道集

所述跳频信道集

表示为：

式中，f_i表示跳频信道集中的跳频信道；

获取所述跳频信道f_i对应的信道增益均方值为λ_i，且满足λ₀≥λ₁≥…≥λ_q-1≥λ，λ表示阈值，q是素数；

计算得到所述跳频信道集

中跳频信道f_i的信道质量比Ω_i；

f_i、λ_i和Ω_i中的i＝0，1，…，q-1；

步骤S2，在所述跳频信道集

上构造长度为L_p和序列个数为K_p的素数跳频序列集合

并对所述素数跳频序列集合

进行扩展，得到新的跳频序列集合

式中，Q^(k)表示跳频序列集合

中的第k条跳频序列，mL_p表示Q^(k)的长度，

表示第k条跳频序列的第j个频点，

中的j＝0，1，2，…，mL_p-1；

每个跳频信道f_i在Q^(k)出现的平均数

m为预设值；

步骤S3，基于所述信道质量比，对跳频序列{Q^(k)|k＝1，2，…，q-1}进行替换操作，从而得到基于信道质量的跳频序列集，即CQ-FHS集。

优选的，本发明的步骤S1通过扫描整个工作频谱，获得跳频可用信道增益{h_i}，得到跳频信道f_i的信道增益均方值

h_i中的i＝0，1，2，…，q-1。

优选的，本发明的步骤S1中通过下式计算得到所述跳频信道集

中跳频信道f_i的信道质量比Ω_i：

式中，λ_(q-1)/2表示集合{λ_i|i＝0，1，…，q-1}的中值，即表示跳频信道f_(q-1)/2的信道增益均方值。

优选的，本发明的步骤S2中构建的素数跳频序列集合

表示为：

式中，H_a为最大汉明自碰撞，H_c为最大汉明互碰撞。

优选的，本发明的步骤S2中通过对素数跳频序列集合

进行如下扩展：

其中，m terms表示m个

级联。

优选的，本发明的步骤S3具体包括：

步骤S31，基于所述信道质量比，计算得到跳频信道{f_j|j＝(q-1)/2+1,(q-1)/2+2，…，q-1在CQ-FHS集中出现的次数；

步骤S32，对每个跳频序列{Q^(k)}进行如下替换操作：

在步骤S32的替换操作中，设置变量m0_j表示信道f_j出现的次数，m0_j的初始值为

判断每个跳频序列{Q^(k)}中每个跳频信道是否满足

其中，v＝(q-1)/2，

l＝0，1，2，…，mL_p-1，j＝v+1，v+2，…，v+(q-1)/2；

如果满足则将跳频信道f_j替换为f_2v-j，并将跳频信道f_j在跳频序列中出现的次数m0_j减一，将跳频信道f_2v-j在跳频序列中出现的次数m0_2v-j加一；否则继续判断下一个跳频信道是否满足条件，直到跳频序列{Q^(k)}中跳频信道{f_j|j＝v+1，v+2，…，v+(q-1)/2}的出现次数m0_j满足m0_j≤m_j，则处理完毕。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明提出一种新的基于信道质量的跳频序列集及其构建方法，并应用于FHMA系统中，相较于传统跳频序列集，本发明构建的基于信道质量的跳频序列集使得跳频信道的使用概率，随着信道质量不同而不同，保证FHMA具有较低BER性能的同时，又具有较高的频谱效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明的FHMA系统结构示意图。

图3为本发明不同用户数(K)下的基于CQ-FHS集的FHMA系统性能示意图。

图4为本发明采用CQ-FHS集的FHMA系统的频谱效率示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

在实际无线通信中，由于无线信道的开放性，或多或少存在干扰攻击和多径衰落。一些可用频率信道可能会受到不同程度的污染。传统跳频序列和跳频系统没有利用信道间的质量差异，不能有差异化地使用这些频率信道。因此本实施例提出了一种基于信道质量特性的跳频序列集构建方法，本实施例的方法构建的跳频序列集中跳频信道的使用概率随信道质量的不同而不同，可有效降低干扰信道对系统性能的影响，同时保证较低的频点碰撞概率，和较好的随机性。

具体如图1所示，本实施例的方法包括以下步骤：

步骤S1：通过扫描整个工作频谱，收发机预先获得跳频可用信道增益{h_i}。给定一个阈值λ，当均方值

大于λ时，可用的频点集如下所示：

式中，λ_i表示跳频信道f_i的信道增益的均方值，且满足λ₀≥λ₁≥····≥λ_q-1≥λ。这里，我们只考虑当q是素数时的情况。由此，集合{λ_i}的中值是λ_(q-1)/2。以该中值λ_(q-1)/2对应的信道f_(q-1)/2为基准，信道质量比(channel qualities ratio,CQR)定义为：

步骤S2：在频率集合

上构造长度L_p和序列个数为K_p的素数跳频序列集合

根据素数跳频序列集合特点，可以将其表示为

其中，H_a和H_c分别为最大汉明自碰撞和最大汉明互碰撞。

对素数跳频序列集合

进行如下扩展(m个

级联)，得到新的跳频序列集合

其中，m是正整数。集合

可以按行向量重写为如下所示：

其中，Q^(k)表示跳频序列集合

中的第k条跳频序列，Q^(k)的长度为mL_p，

表示第k条跳频序列的第j个频点，

中的j＝0，1，2，…，mL_p-1；

且每个频点{f_i}在Q^(k)出现的平均数始终等于

m是预先给定的一个正整数。

步骤S3：基于信道质量比，对每个跳频序列{Q^(k)}进行替换算法操作，从而获得CQ-FHS集。该替换算法的基本思想是：质量较好的信道在跳频序列中出现次数较多，反之较少。

本实施例的步骤S3包括以下步骤：

步骤S31，基于步骤S1计算得到的信道质量比，计算得到跳频信道

在CQ-FHS集中出现的次数；

一般情况下满足

这意味着信道之间的质量差距相对较小。

将跳频信道{f_j|j＝0，1，...，(q-1)/2}在CQ-FHS集中出现的次数m_j的初始值均设置为

之后在步骤S32的替换操作过程中用m0_2v-j表示，即m0_2v-j的初始值为

步骤S32，对每个跳频序列{Q^(k)}进行如下替换操作：

判断每个跳频序列{Q^(k)}中每个跳频信道是否满足

其中，v＝(q-1)/2，

l＝0，1，2，…，mL_p-1，j＝v+1，v+2，…，v+(q-1)/2；

如果满足则将跳频信道f_j替换为f_2v-j，并将跳频信道f_j在跳频序列中出现的次数m0_j减一，将跳频信道f_2v-j在跳频序列中出现的次数m0_2v-j加一；否则继续判断下一个跳频信道是否满足条件，直到跳频序列{Q^(k)}中跳频信道{f_j|j＝v+1，v+2，…，v+(q-1)/2}的出现次数m0_j满足m0_j≤m_j，则处理完毕。

本实施例的替换算法如下：

设置q值；计算

和

设置v＝(q-1)/2；

由传统素数序列集

扩展得到FHS集

％％对于每个k值进行如下循环操作(l＝0:mL_p)

上述算法中，初始{m0_j}设置为m；操作“

”表示频点f_j被f_2v-j取代。

本实施例通过上述构建方法生成一种新的基于信道质量的跳频序列集(CQ-FHS集)，并应用于FHMA系统中，如果频率信道质量已经获取，具有不同的信道增益，则可以根据本发明提出的CQ-FHS集应用于FHMA系统中，提高系统的传输性能，并提升了频谱效率。已有的FHMA系统为了提升性能，有的采用信道编码、快跳频等方式，这些已有的方式并不是从跳频序列本身来考虑的，会增加系统收发端的信号处理复杂度，从CQ-FHS集来提高系统的传输性能和频谱效率，是更为根本的方法。

实施例2

本实施例对上述实施例1构建得到的CQ-FHS集性能进行验证，其具体过程如下：

假定通过扫描整个工作频谱，得到可用的信道频率集

频点个数为q＝5。并假设上述

中，各信道质量比(CQR)为：

[Ω₀，Ω₁，Ω₂，Ω₃，Ω₄]＝[1.5，1，1，1，0.3] (7)

设置m＝3，则CQ-FHS集中的频点出现次数应为：

[m₀，m₁，m₂，m₃，m₄]＝[5，3，3，3，1] (8)

对应上述信道质量，首先给出一个传统的素数跳频序列集合。

再根据m＝3得到一个扩展的素数序列集合：

再利用上述实施例1中设计的频点替换方案，对上式(10)每个跳频序列{Q^(k)}中的频点进行替换得到一种新的CQ-FHS集。

新构造的跳频序列集

就是一个基于信道质量的跳频序列集合。

下面研究新的CQ-FHS集的性能：频点出现次数；频点自碰撞和互碰撞值。

CQ-FHS集中，每个频点的出现次数与信道质量匹配(即满足式(8)，每个跳频频点出现次数与信道质量好坏相关)。而传统伪随机跳频序列由于具有均匀特性，每个频点的出现次数都相同(m_j＝3)。

CQ-FHS集和传统伪随机跳频序列的频点自碰撞和互碰撞值进行比较，如下表1所示。由该表可以看出，因为CQ-FHS集打破了传统随机跳频序列的均匀性，频点自碰撞和互碰撞值可能会有所增加。但在实际通信系统中，信道质量也非均匀完全一致的，由后面的研究可以看出，CQ-FHS集仍然可以提高FHMA系统的传输性能。

表1 CQ-FHS集的频点自碰撞和互碰撞值

实施例3

本实施例将上述实施例提出的CQ-FHS集应用于FHMA系统中，用于验证该跳频序列对系统性能的提升，基于CQ-FHS集的FHMA系统收发端结构如图2所示。

为便于描述，我们假设每个用户对可用信道进行扫描，获得跳频信道增益参数{h_i}。每个跳频符号间隔T内，该信道增益参数保持静态不变；每个跳频间隔内，用户发送M元FSK信号。为了避免用户的载波间干扰，假设跳变频率的最小间隔为M/T。在每个信道期间(即跳频系统中的频带)，该信号受到平坦瑞利衰落和加性高斯白噪声(AWGN)。

在接收端，接收到的信号依次经过解跳、非相干解调和判决块中，其中采用非相干MFSK解调器。假设第k个用户是期望的用户，为了解跳使用的跳频序列为CQ-FH集中的序列S^(k)。

假设可用的频点集合为

信道CQR参数为(假设两个频率信道(f₉和f₁₀)受到较大干扰；信道f₀和f₁干扰最小。)：

[Ω₀，Ω₁，Ω₂，…，Ω₈，Ω₉，Ω₁₀]＝[1.5，1.5，1，…，1，0.3，0.3]

计算得到CQ-FHS集参数为：[m₀，m₁，m₂，…，m₈，m₉，m₁₀]＝[5，3，3，…，3，1，1]。

图3给出了不同用户数(K)下的基于CQ-FHS集的FHMA系统性能。从图中可以看出，在小信噪比SNR(Signal-to-noise ratio,SNR)区域，CQ-FHS集优于传统的UFHS；在大信噪比区域，所提出CQ-FHS集略差于传统UFHS序列。原因在于CQ-FHS集的频点互碰撞通常大于UFHS，从而导致MAI增加。在大信噪比区域，多址干扰成为影响误码率性能的主要因素。因此，所提出的CQ-FHS集的误码率改进得益于互碰撞和频率点使用概率之间的平衡。

采用CQ-FHS集的FHMA系统的频谱效率如图4所示。考虑的信道质量与图3中的相同。通过比较可知，本发明提出的CQ-FHS集可以充分利用整个频谱甚至略微污染信道，从而获得较高频谱效率增益，接近于无污染(q＝11)的情况，在低SNR区域甚至优于无污染情况。对于传统的“开-关模式”UFHS集，直接将受污染的信道排除在可用的时隙集之外，浪费了频谱资源。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于信道质量特性的跳频序列集构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，获取可用跳频信道集

所述跳频信道集

表示为：

式中，f_i表示跳频信道集中的跳频信道；

获取所述跳频信道f_i对应的信道增益均方值为λ_i，且满足λ₀≥λ₁≥…≥λ_q-1≥λ，λ表示阈值，q是素数；

计算得到所述跳频信道集

中跳频信道f_i的信道质量比Ω_i；

f_i、λ_i和Ω_i中的i＝0，1，…，q-1；

所述步骤S1中通过下式计算得到所述跳频信道集

中跳频信道f_i的信道质量比Ω_i：

式中，λ_(q-1)/2表示集合{λ_i|i＝0，1，…，q-1}的中值，即表示跳频信道f_(q-1)/2的信道增益均方值；

步骤S2，在所述跳频信道集F上构造长度为L_p和序列个数为K_p的素数跳频序列集合

并对所述素数跳频序列集合

进行扩展，得到新的跳频序列集合

式中，Q^(k)表示跳频序列集合

中的第k条跳频序列，mL_p表示Q^(k)的长度，

表示第k条跳频序列的第j个频点，

中的j＝0，1，2，…，mL_p-1；

每个跳频信道f_i在Q^(k)出现的平均数

m为预设值；

所述步骤S2中构建的素数跳频序列集合

表示为：

式中，H_a为最大汉明自碰撞，H_c为最大汉明互碰撞；

所述步骤S2中通过对素数跳频序列集合

进行如下扩展：

其中，m terms表示m个

级联；

步骤S3，基于所述信道质量比，对跳频序列{Q^(k)|k＝1，2，…，q-1}进行替换操作，从而得到基于信道质量的跳频序列集，即CQ-FHS集；

所述步骤S3具体包括：

步骤S31，基于所述信道质量比，计算得到跳频信道{f_j|j＝(q-1)/2+1，(q-1)/2+2，…，q-1在CQ-FHS集中出现的次数；

步骤S32，对每个跳频序列{Q^(k)}进行如下替换操作：

在步骤S32的替换操作中，设置变量m0_j表示信道f_j出现的次数，m0_j的初始值为

判断每个跳频序列{Q^(k)}中每个跳频信道是否满足

其中，v＝(q-1)/2，

l＝0，1，2，…，mL_p-1，j＝v+1，v+2，…，v+(q-1)/2；

如果满足则将跳频信道f_j替换为f_2v-j，并将跳频信道f_j在跳频序列中出现的次数m0_j减一，将跳频信道f_2v-j在跳频序列中出现的次数m0_2v-j加一；否则继续判断下一个跳频信道是否满足条件，直到跳频序列{Q^(k)}中跳频信道{f_j|j＝v+1，v+2，…，v+(q-1)/2}的出现次数m0_j满足m0_j≤m_j，则处理完毕。

2.根据权利要求1所述的一种基于信道质量特性的跳频序列集构建方法，其特征在于，所述步骤S1通过扫描整个工作频谱，获得跳频可用信道增益{h_i}，得到跳频信道f_i的信道增益均方值

h_i中的i＝0，1，2，…，q-1。

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