動態頻譜抗干擾系統中動態寬間隔跳頻序列研究

李勝男,李永貴,牛英滔,閆 巖,羅建翔

(1.解放軍理工大學 通信工程學院,南京 210007; 2.南京電訊技術研究所,南京 210007)

0 概述

文獻[6-7]基于重新映射思想,提出了一種頻率數為pk-pm的跳頻序列產生方法,但其從根本上并沒有跳出整數冪的思想。文獻[8]基于分段映射、奇偶交替思想,提出了一種任意頻率數跳頻序列構造方法,該方法生成的序列具有較好的一維均勻性,但二維均勻性和隨機性較差,同時頻率數難以實時改變。文獻[9]基于3DES算法,提出了一種任意頻率數跳頻序列構造方法,然而,3DES算法屬于公開算法,勢必還會經歷長期的攻擊考驗。

此外,對于跳速已經確定的系統來說,跳頻序列設計成寬間隔跳頻,能夠有效分散干擾信號的出現時間,為糾錯編碼等措施的有效實施提供機會,從而進一步提高抗干擾能力[1]。目前產生寬間隔跳頻序列最常見的思想是對跳頻基序列重新進行寬間隔映射,主要方法有2種:一種是基于頻帶劃分的思想,先將整個頻帶進行劃分,使劃分出的頻帶間滿足寬間隔要求,再將跳頻碼根據一定的規則依次映射到相應頻帶上,如去中間頻帶法、對偶頻帶法[10-11]。這種方法以犧牲隨機性和跳頻增益為代價。另一種是基于頻點修正的思想,以相鄰或相關的跳頻碼為參考,對當前跳頻碼進行運算,使這些跳頻碼間滿足寬間隔要求,如隨機平移替代法、隨機均勻轉移替代法、雙向預測法[12]。這種方法產生的跳頻序列具有較好的跳頻增益,但是均勻性大大降低[2]。文獻[13-14]對隨機平移替代法和隨機均勻轉移替代法的性能進行了比較,結果表明隨機均勻轉移替代法整體性能不如隨機平移替代法。文獻[15]針對隨機平移替代法的平均跳頻間隔較小、隨機性差的問題,提出了一種改進的隨機平移替代法,但其均勻性大大降低。

由于目前應用最廣的跳頻序列還是基于m序列構造的跳頻序列,因此本文首先基于m序列,通過非連續抽頭模型,產生跳頻基序列。然后,根據頻譜感知得出的可用頻率數、跳頻間隔等通信參數,基于隨機平移替代法的思想,對跳頻基序列重新進行偽隨機映射,提出一種頻率數、跳頻間隔實時可變的動態寬間隔跳頻序列構造方法。

1 系統模型

動態頻譜抗干擾系統在傳統無線通信系統中引入動態頻譜接入思想,在對電磁環境實時、有效感知的基礎上,通過智能決策及動態調整通信參數,提高無線通信系統的電磁環境適應能力,抗干擾能力和頻譜利用率。如圖1所示,假設系統中通信用戶為Uk(k=1,2,…,N1),干擾用戶為Pi(i=1,2,…,N2)。假設每個通信周期分為4個階段:同步階段,頻譜感知階段,智能決策階段和通信階段。在時間同步階段,系統中所有用戶將本地的TOD調整為相同。實現TOD同步后,系統進入頻譜感知階段(這一階段一直在進行,直到通信結束),所有通信用戶對頻譜環境進行感知,得到可用頻譜集。在智能決策階段,網控中心根據感知結果得到本周期內系統的通信參數(如頻率數、跳頻間隔、功率、調制方式等),以及系統所要實現的最優目標,對各通信用戶的頻譜分配和使用進行決策。在通信階段,各通信用戶根據決策結果進行通信。

圖1 復雜電磁環境中的動態頻譜抗干擾系統

為實現動態頻譜抗干擾通信,必須設計一種能使信號在無干擾、可用信道上傳輸的動態寬間隔跳頻序列。假設第k個周期內,無干擾、可用頻率數為qk,跳頻間隔為Dk,則動態寬間隔跳頻序列可表示為F={ft|t=1,2,…},其中,ft∈{1,2,…,qk}。

2 動態寬間隔跳頻序列生成算法

基于上述假設,動態寬間隔跳頻序列可以根據變化的通信參數實時生成。動態寬間隔跳頻序列生成原理如圖2所示。

個體對自身正當利益的追求是無可厚非的，畢竟“任何人如果不同時為了自己的某種需要和為了這種需要的器官而做事，他就什么也不能做”[3]286。 但在市場逐利本質的驅使下，受利益最大化原則的影響，個體極易因一己之私而產生短視、功利的思想和行為，淪為自身私欲的奴隸。 倘若各個利益主體都對一己之私錙銖必較，不惜犧牲他人或集體的利益，那么利益主體間就生成一種互抑狀態。 在這種互抑狀態下，各個利益主體看似享有爭取自身利益的自由，實則經常性的由于多方牽制而難以真正實現自身的利益訴求。 這種多元利益主體之間自發形成的互抑狀態若不加以引導和調試，必將激化本就錯綜復雜的利益沖突。

圖2 動態寬間隔跳頻序列生成原理

2.1 跳頻基序列的產生

st= 2r-1·[(at+u0)mod 2]+…+

2·[(at+2(r-2)+ur-1)mod 2]+

[(at+2(r-1)+ur)mod 2]

(1)

2.2 偽隨機映射

根據k周期內可用的頻率數qk和跳頻間隔Dk,由式(2)可得到t時刻的跳頻碼。通過時鐘驅動,得到所需長度的跳頻序列。

(2)

其中,st為跳頻基序列t時刻對應的跳頻碼,ft為映射成寬間隔跳頻序列t時刻對應的跳頻碼,shiftt為[0,qk-2Dk-2]上均勻分布的隨機數,d(ft-1,st)為廣義跳頻間隔,shiftt和d(ft-1,st)分別可由式(3)、式(4)表示。

shiftt=tmod[qk-2Dk-1]

(3)

d(ft-1,st)=|ft-1-st|

(4)

3 仿真性能與分析

為了驗證本文提出方法產生的跳頻序列的性能,本文從均勻性、隨機性、漢明相關性、跳頻間隔等方面對跳頻序列進行性能分析,并與工程上應用廣泛的基于固定參數的頻率自適應跳頻序列比較分析。仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

3.1 均勻性

均勻性通常是指各跳頻碼出現的概率相等,即P(ft=i)=1/qk,i=1,2,…,qk。序列的均勻性常用χ2檢驗法驗證。檢驗假設H0={序列服從均勻分布},則檢驗統計量為:

(5)

在顯著性水平α下,當H0為真,且當L→∞時,自由度為qk-1的卡方檢測理論參考值可由式(6)得到。

(6)

其中,za≈1.643。

由圖3可知,基于固定參數的頻率自適應跳頻序列的均勻性卡方檢測值明顯高于理論參考值,而動態寬間隔跳頻序列的卡方檢測值隨著觀察長度的增大而增大,總體略高于理論參考值。但是,動態寬間隔跳頻序列明顯具有更好的均勻性。

圖3 均勻性仿真曲線

3.2 隨機性

(7)

由圖4可知,在碼子距離小于10時,基于固定參數的頻率自適應跳頻序列的隨機性卡方檢測值高于理論參考值,而動態寬間隔跳頻序列的卡方檢測值始終低于理論參考值。因此,動態寬間隔跳頻序列具有較好的隨機性。

圖4 隨機性仿真曲線

3.3 漢明相關性

(8)

其中,f1(j),f2(j+τ)∈{1,2,…,qk},j+τ以模L運算,且:

(9)

由定義可知,漢明相關值越小,漢明相關性越好。

由圖5、圖6可知,動態寬間隔跳頻序列的漢明自相關值和漢明互相關值,都略低于基于固定參數的頻率自適應跳頻序列的漢明自相關值和漢明互相關值。因此,可以認為動態寬間隔跳頻序列具有更好的漢明相關性。

圖5 漢明自相關性仿真曲線

圖6 漢明互相關性仿真曲線

3.4 跳頻間隔

跳頻間隔一般由平均跳頻間隔來檢驗。平均跳頻間隔是指任意連續兩跳的跳頻碼之差的絕對值的平均值。

由圖7可知,動態寬間隔跳頻序列的平均跳頻間隔明顯高于基于固定參數的頻率自適應跳頻序列的平均跳頻間隔。因此,可以認為動態寬間隔跳頻序列的跳頻間隔特性更好。

圖7 跳頻間隔仿真曲線

4 結束語

動態頻譜抗干擾系統中的跳頻序列需要具備實時性、統計性能等特點,而現有的跳頻序列難以滿足上述要求。為此,本文基于m序列,利用隨機平移法,提出一種通信參數可根據頻譜環境實時變化的跳頻序列構造方法。仿真結果表明,與基于固定參數的頻率自適應跳頻序列相比,本文提出的跳頻序列具有較好的均勻性、隨機性、漢明相關性及較大的跳頻間隔。

[1] 梅文華.跳頻序列設計[M].北京:國防工業出版社,2016.

[2] 關 磊.高性能智能跳頻序列族構建與組網理論研究[D].西安:西安電子科技大學,2015.

[3] 姚富強.通信抗干擾工程與實踐[M].2版.北京:電子工業出版社,2012.

[4] 朱毅超,陸建勛.動態頻譜抗干擾系統在部分頻帶干擾下的性能[J].電子學報,2011,39(10):2331-2337.

[5] 朱毅超,梁 亮,田 驊,等.一種基于認知的動態頻譜抗干擾新技術[J].通信技術,2014,47(1):71-75.

[6] PARK S B,LEE K E,CHOI Y K,et al.Some Good Frequency Hopping Sequences with Arbitrary Number of Slots[C]//Proceedings of IEEE MILCOM’01.Washington D.C.,USA:IEEE Press,2001:1325-1329.

[7] 李 贊,廖麗思,金力軍,等.適用于任意頻隙數的跳頻序列族產生方法研究[J].無線電工程,2004,34(4):1-3.

[8] 耿阿囡,黃訓誠,莊奕琪,等.一種任意頻隙跳頻序列構造方法[J].通信技術,2007(4):54-56.

[9] GUAN L,LI Z,XIAO S,et al.A Family of Adaptive Frequency Slot Number FH Sequences for High Security and Reliability Communication[C]//Proceedings of EISIC’15.Washington D.C.,USA:IEEE Press,2015:30-36.

[10] 韓 明,趙洪林.采用分割頻帶法構造寬間隔跳頻序列[J].電訊技術,2014,54(11):1516-1521.

[11] 羅 翔,周三文,焦東立,等.一種基于RS碼的寬間隔跳頻序列生成方法[J].遙測遙控,2015(1):24-29.

[12] GUANG L,LI Z,SI J,et al.Generation and Characteristics Analysis of Cognitive-based High-performance Wide-gap FH Sequences[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2015,64(11):5056-5069.

[13] 何維苗.一種新的實現寬間隔跳頻的方法——隨機平移替代法[J].現代軍事通信,1999,7(4):13-15.

[14] 何維苗,馮 岡.構造寬間隔跳頻碼序列的兩種算法之比較[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2004,5(4):29-33.

[15] 馮建利,趙裔昌.一類改進的隨機平移替代法構造的寬間隔跳頻序列[J].電訊技術,2013,53(9):1175-1192.