動態(tài)頻譜抗干擾系統(tǒng)中跳頻序列研究*

李勝男，李永貴，閆 巖

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

動態(tài)頻譜抗干擾系統(tǒng)中跳頻序列研究*

李勝男1,2，李永貴2，閆 巖1

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

現(xiàn)有的跳頻序列，由于綜合性能不均衡，參數(shù)無法實時改變，無法直接應(yīng)用于動態(tài)頻譜抗干擾系統(tǒng)中，因此迫切需要研究一種適用于動態(tài)頻譜抗干擾系統(tǒng)的動態(tài)跳頻序列?；趍偽隨機序列，提出了一種頻率數(shù)可根據(jù)通信環(huán)境實時變化的跳頻序列。仿真結(jié)果表明，與基于固定參數(shù)的頻率自適應(yīng)跳頻序列相比，動態(tài)跳頻序列在均勻性、隨機性、漢明相關(guān)性等方面均具有更好的性能。

動態(tài)頻譜抗干擾；跳頻序列；任意頻率數(shù)；均勻性

0 引言

作為跳頻通信三大關(guān)鍵技術(shù)之一，跳頻序列對跳頻通信系統(tǒng)的性能有著決定性的影響。目前常見的跳頻序列主要有基于有限域的跳頻序列、基于混沌理論的跳頻序列以及基于密碼學(xué)的跳頻序列等[1-4]。然而，這些跳頻序列大多是針對頻率數(shù)為素數(shù)的整數(shù)次冪(即pk，p為素數(shù))的跳頻系統(tǒng)而設(shè)計的，而實際的跳頻通信難以滿足可用頻率數(shù)為整數(shù)冪的要求[5]。特別地，在動態(tài)頻譜抗干擾系統(tǒng)[6-7]中，構(gòu)成跳頻頻率表的頻率數(shù)、頻率值、分布帶寬等頻譜資源隨著頻譜感知的結(jié)果實時、動態(tài)變化，現(xiàn)有的跳頻序列由于綜合統(tǒng)計性能不均衡，參數(shù)無法實時改變，無法直接應(yīng)用于動態(tài)頻譜抗干擾系統(tǒng)中。因此，研究適用于動態(tài)頻譜抗干擾系統(tǒng)的動態(tài)跳頻序列技術(shù)，是實現(xiàn)動態(tài)頻譜抗干擾系統(tǒng)必須要解決的問題。

文獻[8-9]基于重新映射思想，提出了一種頻率數(shù)為pk-pm的跳頻序列產(chǎn)生方法，但其從根本上并沒有跳出整數(shù)冪的思想。文獻[10]基于分段映射、奇偶交替思想，提出了一種任意頻率數(shù)跳頻序列構(gòu)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(shù)難以實時改變。文獻[11]基于3DES算法，提出了一種任意頻率數(shù)跳頻序列構(gòu)造方法，然而，3DES算法屬于公開算法，勢必還會經(jīng)歷長期的攻擊考驗[12]，而且，實際跳頻電臺中常采用的方法是，在單個m序列發(fā)生器上加非線性前饋邏輯，或者用幾個m序列發(fā)生器進行非線性組合，再通過抽頭選取，從而得到高度非線性的跳頻序列。

因此，本文首先基于m序列，通過抽頭模型，產(chǎn)生多組跳頻獨立序列。然后，根據(jù)頻譜感知得出的可用頻率數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)對跳頻獨立序列進行偽隨機映射，提出一種頻率數(shù)實時可變的跳頻序列構(gòu)造方法。仿真證明它在均勻性、隨機性、漢明相關(guān)性等方面均具有良好的統(tǒng)計性能，同時，頻率數(shù)能夠為任意值，且實時改變。

1 系統(tǒng)模型

動態(tài)頻譜抗干擾系統(tǒng)在傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)中引入動態(tài)頻譜接入思想，在對電磁環(huán)境實時、有效感知的基礎(chǔ)上，通過智能決策及動態(tài)調(diào)整通信參數(shù)，提高無線通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境適應(yīng)能力、抗干擾能力和多用戶組網(wǎng)高效性。如圖1所示，假設(shè)系統(tǒng)中共有N1個通信用戶Uk(k=1,…,N1)，N2個干擾用戶Jk(k=1,…,N2)。假設(shè)每個通信周期分為四個階段：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(tǒng)中所有通信用戶將本地的TOD調(diào)整為相同。完成時間同步后，系統(tǒng)進入頻譜感知階段(這一階段一直在進行，直到通信結(jié)束)，所有通信用戶對頻譜環(huán)境進行感知，得到分布帶寬內(nèi)所有可用頻譜。在智能決策階段，網(wǎng)控中心根據(jù)感知結(jié)果得到本周期內(nèi)系統(tǒng)的通信參數(shù)(如頻率數(shù)、跳頻間隔、功率、調(diào)制方式等)以及系統(tǒng)所要實現(xiàn)的最優(yōu)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(jù)決策結(jié)果完成通信。

圖1 復(fù)雜電磁環(huán)境中的動態(tài)頻譜抗干擾系統(tǒng)模型

為實現(xiàn)動態(tài)頻譜抗干擾通信，必須設(shè)計一種能使信號在無干擾、可用信道上傳輸?shù)膭討B(tài)跳頻序列。假設(shè)第k個周期內(nèi)無干擾、可用頻率數(shù)為qk，則動態(tài)跳頻序列可表示為F={ft|t=1,2,3,…}，其中，ft∈{1,2,…,qk}。

2 動態(tài)跳頻序列生成算法

基于上述假設(shè)，動態(tài)跳頻序列可以根據(jù)動態(tài)參數(shù)實時生成。動態(tài)跳頻序列生成原理圖如圖2所示。

圖2 動態(tài)跳頻序列生成原理圖

2.1 獨立跳頻序列的產(chǎn)生

32[(at+4+u2)mod2]+16[(at+6+u3)mod2]+

8[(at+8+u4)mod2]+4[(at+10+u5)mod2]+

2[(at+12+u6)mod2]+(at+14+u7)mod2

(1)

2.2 序列選擇

首先，由實時感知得到的頻率數(shù)為qk，根據(jù)公式(2)設(shè)置門限THm：

THm=qk

(2)

然后，根據(jù)公式(3)，將N條跳頻序列的t時刻的跳頻碼與門限值逐一比較，找到第一個小于門限值的跳頻碼，得到參數(shù)m。

(3)

2.3 偽隨機映射

根據(jù)公式(4)，并依據(jù)k周期內(nèi)可用的頻率數(shù)，得到t時刻的跳頻碼。通過時鐘驅(qū)動，從而得到所需長度的跳頻序列：

(4)

3 仿真及性能分析

跳頻序列的綜合統(tǒng)計性能對跳頻通信系統(tǒng)起著決定性作用，為了驗證本文提出方法產(chǎn)生的跳頻序列的性能，本文從均勻性、隨機性、漢明相關(guān)性等方面對跳頻序列進行性能分析，并與工程上應(yīng)用廣泛的基于固定參數(shù)的頻率自適應(yīng)跳頻序列比較分析。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

3.1 均勻性

均勻性通常分為一維均勻性和二維均勻性。一維均勻性是指各跳頻碼出現(xiàn)的概率相等，即P(ft=i)=1/qk(i=1,…,qk)。二維均勻性是指各跳頻碼對連續(xù)出現(xiàn)的概率相等，即跳頻碼ft出現(xiàn)后緊接著出現(xiàn)跳頻碼ft的聯(lián)合概率相等，P(ft=i,ft+1=j)=1/qk2。其中，i,j=1,…,qk。

序列的均勻性常用χ2檢驗法驗證。以檢驗一維均勻性為例，檢驗假設(shè)H0={序列服從均勻分布}，則檢驗統(tǒng)計量為：

(5)

均勻性仿真曲線如圖3所示。由圖3可知，基于固定參數(shù)的頻率自適應(yīng)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(tài)跳頻序列的卡方檢測值均低于理論參考值。因此，可以認為動態(tài)跳頻序列具有較好的均勻性。

圖3 均勻性仿真曲線

3.2 隨機性

(6)

圖4 隨機性仿真曲線

隨機性仿真曲線如圖4所示。由圖4可知，在碼子距離小于10時，基于固定參數(shù)的頻率自適應(yīng)跳頻序列的隨機性卡方檢測值高于理論參考值，而動態(tài)跳頻序列的卡方檢測值始終低于理論參考值。因此，可以認為動態(tài)跳頻序列具有較好的隨機性。

3.3 漢明相關(guān)性

漢明相關(guān)性分為漢明自相關(guān)和漢明互相關(guān)，它們表征了序列間的碰撞特性，反映了系統(tǒng)的抗衰落能力和用戶間組網(wǎng)的碰撞情況。周期為L的兩個序列在時延τ時的周期漢明相關(guān)定義為：

顯然，漢明相關(guān)值越小，漢明相關(guān)性越好。

漢明自相關(guān)及互相關(guān)仿真曲線分別如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知，動態(tài)跳頻序列的漢明自相關(guān)值和漢明互相關(guān)值都略微低于基于固定參數(shù)的頻率自適應(yīng)跳頻序列的漢明自相關(guān)值和漢明互相關(guān)值。因此，可以認為動態(tài)跳頻序列具有更好的漢明相關(guān)性。

圖5 漢明自相關(guān)性仿真曲線

圖6 漢明互相關(guān)性仿真曲線

3.4 實時性

動態(tài)跳頻序列與常規(guī)跳頻序列的最大不同是頻率數(shù)可取任意值，且能根據(jù)感知環(huán)境實時變化。因此，圖7給出了頻率數(shù)分別為79、180、256、200時的時頻圖。由圖7可知，動態(tài)跳頻序列具有較好的實時性。

3.5 游程特性

跳頻序列中取值相同的相繼的(連在一起的)元素合稱為一個“游程”。在一個游程中元素的個數(shù)稱為游程長

圖7 時頻圖

度，也就是在某個頻率上的停留時間。為了抗截獲和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，跳頻序列的最長游程越小越好。表2給出了完全隨機序列的不同游程長度的理論參考值和動態(tài)跳頻序列的檢測值。

由表2可知，動態(tài)跳頻序列的游程特性與理論參考值基本一致。因此，可以認為動態(tài)跳頻序列具有較好的游程特性。

表2 動態(tài)跳頻序列的游程特性

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有跳頻序列的頻率數(shù)只能為素數(shù)的整數(shù)次冪的不足，本文基于m序列，利用非連續(xù)抽頭法，提出了一種頻率數(shù)可為任意值的跳頻序列。仿真結(jié)果表明，與基于固定參數(shù)的頻率自適應(yīng)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(guān)性等性能，同時，頻率數(shù)可為任意值，且能根據(jù)通信環(huán)境實時變化。

[1] 姚富強. 通信抗干擾工程與實踐(第二版)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012.

[2] 梅文華. 跳頻序列設(shè)計[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2016.

[3] 李偉, 禹思敏. 基于 Logistic 映射的混沌跳頻信號發(fā)生器設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 微型機與應(yīng)用, 2010,29(3): 44-48.

[4] 李思奇, 全厚德, 崔佩璋, 等. 基于混沌特性的跳頻序列復(fù)雜度分析[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2013, 39(8): 113-116.

[5] 關(guān)磊. 高性能智能跳頻序列族構(gòu)建與組網(wǎng)理論研究[D]. 西安：西安電子科技大學(xué), 2015.

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

[7] 朱毅超, 梁亮, 田驊, 等. 一種基于認知的動態(tài)頻譜抗干擾新技術(shù)[J]. 通信技術(shù), 2014, 47(1): 71-75.

[8] PARK S B, LEE K E, CHOI Y K, et al. Some good frequency hopping sequences with arbitrary number of slots[C].Military Communications Conference, MILCOM 2001, Communications for Network-Centric Operations: Creating the Information Force, IEEE, 2001, 2: 1325-1329.

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

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

[11] Guan Lei, Li Zan, Xiao Song, et al. A family of adaptive frequency slot number FH sequences for high security and reliability communication[C].Intelligence and Security Informatics Conference (EISIC), 2015 European, IEEE, 2015: 30-36.

[12] 張邦寧,魏安全，郭道省. 通信抗干擾技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2006.

The research of frequency hopping sequences in dynamic spectrum anti-jamming systems

Li Shengnan1,2，Li Yonggui2，Yan Yan1

(1. College of Communication Engineering, PLA Uuniversity of Science and Technology, Nanjing 210007, China;2. Nanjing Telecommunication Technology Institute, Nanjing 210007, China)

Due to unbalanced integrated performance and fixed parameters, current frequency hopping (FH) sequences cannot be applied to dynamic spectrum anti-jamming system directly. Therefore, there is an urgent need to research a kind of dynamic FH sequence suitable for dynamic spectrum anti-jamming system. Based on m sequence, FH sequences, whose frequency slots number can be changed in real-time according to communication environment, was proposed. The simulation results show that, compared to the frequency adaptive FH sequence based on fixed parameters, the dynamic FH sequence has better performance in uniformity, randomness and Hamming correlation.

dynamic spectrum anti-jamming; frequency hopping sequences; arbitrary frequency slots number; uniformity

國家自然科學(xué)基金(61401505)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20151450)

TN914.41

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.08.022

李勝男，李永貴，閆巖.動態(tài)頻譜抗干擾系統(tǒng)中跳頻序列研究[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(8)：70-72，75.

2016-12-29)

李勝男(1993-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：無線通信、通信抗干擾。E-mail：18761685289@163.com。

李永貴(1964-)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：通信抗干擾理論與技術(shù)。

閆巖(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：衛(wèi)星通信、物理層安全。

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