一種雙時頻非重複非完全跳頻序列的構造方法
2023-05-30 04:00:31 2
專利名稱：一種雙時頻非重複非完全跳頻序列的構造方法
技術領域：
本發明涉及一種雙時頻非重複非完全跳頻序列的構造方法領域，屬於無線通信領域。
背景技術：
由於無線電信號具有開放式的收發特點，使得無線電信號極其容易被非法幹擾、截獲和測向，跳頻通信(Frequency Hopping Communication)是通信對抗的產物，與傳統的通信方式相比，具有抗幹擾能力強、截獲概率低、多址組網能力強等優點，因此被廣泛地應用在無線通信領域，如軍事及民用移動通信、現代雷達和聲納等電子系統。跳頻通信是最常用的擴展頻譜通信方式之一，其工作原理為通信收發雙方通過一組偽隨機序列同步地改變載波頻率來傳遞信息。這裡所說的偽隨機序列即為跳頻序列，它是由PN序列發生器產生，用於控制頻率合成器輸出信號，使得載波頻率跳變的地址碼序列，有時候也稱之為跳頻碼。
跳頻序列的設計是跳頻通信的關鍵技術之一。高效的跳頻序列可以降低超寬帶多微網通信設備之間的碰撞概率，提高多微網工作條件下的通信質量，研究跳頻序列可以更好的設計出超寬帶無線通信邏輯信道的劃分方案。跳頻序列的性能直接關係到跳頻系統的性能，因此通常要求跳頻序列(1)自相關旁瓣及互相關峰值要低。保證跳頻序列集合中的任意兩個跳頻序列，在所有相對時延下發生概率重合的次數要儘可能的少；(2)序列數目要多。這樣一方面可以實現多址通信，另一方面可以提高跳頻系統的保密性能；(3)線性複雜度要大。該要求也著眼於通信的保密性及抗幹擾能力；(4)各子載頻的出現次數基本相同。
下面介紹一下關於跳頻序列構造的理論知識。
設有q(q≥2)個子載頻可用於跳頻，這些頻帶可構成子載頻集合F＝{f1，f2，...，fq}，長度為L的某個跳頻序列(第p個微網使用)表示為Sp＝{sp(1)，sp(2)，...，sp(j)，...，sp(L)}，sp(j)∈F。若跳頻網裡共有P個微網正在同時使用，每個微網採用彼此不同的跳頻序列，則將這P個微網使用的跳頻序列集合標記為S＝{S1，S2，…，Sp}，P≤N，其中N為總共能夠支持的微網數。為了對不同的跳頻序列族進行統一的性能比較，我們使用漢明相關作為量度，定義如下 定義1子載頻集合F上長度為L的任意兩個跳頻序列Su＝{su(j)}，Sv＝{sv(j)}在相對時延為τ時的漢明互相關定義為 其中，j+τ以模L運算，且 從上述定義看出，
表示兩個跳頻序列Su和Sv在相對時延為τ時，在一個序列周期裡發生子載頻重合的次數。顯而易見，
越小，兩個跳頻序列之間的重合次數就越小，也就是表示兩個微網間的相互幹擾越小。
根據定義1，同時可以定義 其中，H(Su)表示漢明自相關的峰值旁瓣，H(Su)表示平均漢明自相關的旁瓣值。如果不同微網都使用同一個序列，則這兩個值是評價系統同步微網的重要性能指標。
為了使長周期和短周期的跳頻序列有一致的比較標準，通常定義漢明相關值與序列長度之比，稱為歸一化漢明相關係數，用ρ表示(雙載波應比上序列長度的兩倍)。
目前國內外有關跳頻序列的構造方法一種是單載波跳頻序列構造，另一種是雙載波非重複完全跳頻序列構造方法，其共同的缺點是多微網通信時，設備之間的碰撞概率大，支持的微網數目少。
發明內容
對本發明的目的在於針對上述方法的缺點，提出一種雙時頻非重複非完全跳頻序列的構造方法，使得多微網通信時，微網之間的碰撞概率降低，通信質量提高，支持的微網數目增多。
本發明為實現上述發明目的採用如下技術方案 本發明的雙時頻非重複非完全跳頻序列的構造方法，包括以下步驟 步驟1，初始條件設置，有q＝2n個子頻帶，序號分別為1、2、3、…、2n-1、2n，跳頻序列長度L＝q/2-1＝n-1； 步驟2，計算機搜索初始化，以序列為初始序列，搜索形式的序列，進行異步組網移位相關運算，保證每一次移位都滿足使其與S1在不同跳頻對上總計最多碰撞兩次；跳頻序列碰撞次數移位運算公式為 其中
為集合序列S1和S2的碰撞次數，
為集合序列，
為延時為τ的集合序列； 步驟3，判斷S2與S1碰撞次數
是否滿足在不同跳頻對上總計最多碰撞兩次，當結果為是，則搜索成功，繼續搜索形式的序列；當結果為否，跳過S2形式的序列，搜索形式序列；判斷S3形式某一序列是否滿足與S1、S2不同跳頻對上總計最多碰撞兩次，當結果為是，則搜索成功；當結果為否，跳過S3形式的序列，繼續搜索形式的序列；依次類推，最後搜索形式的序列，必須滿足與前面所有的序列在不同跳頻對上總計最多碰撞兩次；本次搜索完畢； 步驟4，繼續搜索未使用的跳頻對，組成長度L＝n-1的序列，並且保證每個序列中都不含有重複的子載頻；當不能組成符合步驟2所述要求的跳頻序列，則退出，否則進入下一步； 步驟5，將步驟4得出的每個序列與步驟3所有序列進行步驟2所述的移位運算，如果所有兩兩序列在不同跳頻對上總計最多碰撞兩次，則步驟4生成的序列為符合條件的跳頻序列，加入步驟4生成的序列族中，否則捨棄； 步驟6，將步驟5得到的跳頻序列進行編號，分配給不同的微網使用。對於通信中的某一微網，利用跳頻序列族中的某一跳頻序列控制雙路頻率合成器，生成所需要的頻率，在不同的時隙內輸出頻率跳變的本振信號，用它對調製信號進行變頻，變頻後輸出信號的功率已達到射頻通帶的要求，然後經過天線發射出去。
本發明的有益效果是 本發明方案在平均碰撞次數以及序列個數方面都優於現有技術方案，特別是在q/2為偶數的情況下，本發明方案支持的微網數要遠大於現有技術方案。而本發明方案序列長度較其他兩個方案相差一跳，序列長度變短，交織深度減少，導致接收分組的時延減少，對實時業務影響也相應地減少了。與同類技術相比較，不僅降低了最大碰撞次數，同時也減少了平均碰撞次數，提高了系統抗同頻幹擾的能力。
圖1本發明的方法流程圖。
圖2本發明的跳頻序列構造後的應用示意圖。
圖3本發明的系統物理信道劃分方案。
具體實施例方式 對於雙載波跳頻通信系統來說，每個微網同時使用兩路不同子載波的跳頻信號，具有可交換性，即微網A使用跳頻對與為同一種跳頻方式。為了便於研究，假設同一跳頻對上面頻率序號小於下面頻率序號，即據此，可以得出下列結論 結論1對於非重複雙載波跳頻序列來說，總共可以使用的跳頻對數目為q(q-1)/2，所能構成的非重複雙載波跳頻序列數目為
這裡的q為子載波數，L為跳頻序列長度。
證明根據子載波數為q，那麼根據概率論知識可以得出跳頻系統中總共可能存在的跳頻對數目為 除以2是因為上述提及的跳頻對具有可交換性，實質上為同一種跳頻方式。
而對於長度為L的非重複雙載波跳頻序列，跳頻序列數目為 這裡除以L，是因為異步組網的情況下，每個序列和其他L-1序列平移等價，證畢。
例如如表格1所示，對於q＝6的跳頻系統來說，總共可以使用的跳頻對數目為q(q-1)/2＝15，所能構成的長度為3的非重複雙載波跳頻序列數目為30。
表1 q＝6跳頻系統可用跳頻對 如果任意一個DC-TFC(雙載波時頻碼或時頻序列)使用所有的子載頻元素，則任意兩個DC-TFC的平均漢明互相關值恆為2。據此我們不妨分兩種情況進行研究一是任意一個DC-TFC使用所有的子載頻元素，兩個DC-TFC在任意相對時延下，都是在兩個跳頻對上分開碰撞一次的情況。即最大漢明互相關值等於平均漢明互相關值，都等於2；二是任意一個DC-TFC未使用所有的子載頻元素，兩個DC-TFC在任意相對時延下，都是在兩個跳頻對上分開碰撞甚至不發生碰撞的情況，即最大漢明互相關值等於2，而平均漢明互相關值會小於2。這兩種情況任意兩個DC-TFC中都不含有重複的跳頻對。本發明將前一種情況稱為非重複完全雙載波跳頻序列，而將後一種情況稱為非重複非完全雙載波跳頻序列。
結合結論1，可以得出如下結論 結論2如果構造出的任意兩個DC-TFC中都不含有重複的跳頻對，那麼理論上最多支持[q(q-1)/2]/L個異步通信微網，其符合不同跳頻對分開碰撞且總計最多碰撞兩次。對於序列長度L＝q/2，即任意一個DC-TFC序列使用所有的子載頻元素，最多構造[q(q-1)/2]/(q/2)＝q-1個異步微網；對於序列長度L＝q/2-1，即任意一個DC-TFC序列只使用了其中的q-2個子載波，則最多能構造出
個異步微網，這裡假設q為大於等於2的偶數個子載波數，奇數情況同理可以得出。
根據結論1和結論2研究本發明的非重複非完全跳頻序列的構造方法，這種構造思想所構造出來的序列族，不僅所包含的序列數目要大於等於單載波和非重複完全跳頻序列，在保持最大碰撞次數為2的情況下，平均碰撞概率也要低一些。
雙載波TFC的構造採用計算機回溯搜索的方法，來搜尋符合上述要求的雙載波TFC，即假設存在q個子載波數(為方便分析，q取偶數，奇數同理)，構造序列長度L＝q/2-1的雙載波跳頻序列，使得任意兩個DC-TFC中都不含有重複的跳頻對，且兩兩序列最大漢明互相關值(碰撞次數)不超過2(在兩個跳頻對上分開碰撞一次甚至不發生碰撞)。
如圖1所示，一種雙時頻非重複非完全跳頻序列的構造方法，包括如下步驟 步驟1，初始條件設置，有q＝2n個子頻帶，序號分別為1、2、3、…、2n-1、2n，跳頻序列長度L＝q/2-1＝n-1； 步驟2，計算機搜索初始化，以序列為初始序列，搜索形式的序列，進行異步組網移位相關運算，保證每一次移位都滿足使其與S1在不同跳頻對上總計最多碰撞兩次；跳頻序列碰撞次數移位運算公式為 其中
為集合序列S1和S2的碰撞次數，
為集合序列，
為延時為τ的集合序列； 步驟3，判斷S2與S1碰撞次數
是否滿足在不同跳頻對上總計最多碰撞兩次，當結果為是，則搜索成功，繼續搜索形式的序列；當結果為否，跳過S2形式的序列，搜索形式序列；判斷S3形式某一序列是否滿足與S1、S2不同跳頻對上總計最多碰撞兩次，當結果為是，則搜索成功；當結果為否，跳過S3形式的序列，繼續搜索形式的序列；依次類推，最後搜索形式的序列，必須滿足與前面所有的序列在不同跳頻對上總計最多碰撞兩次；本次搜索完畢； 步驟4，繼續搜索未使用的跳頻對，組成長度L＝n-1的序列，並且保證每個序列中都不含有重複的子載頻；當不能組成符合步驟2所述要求的跳頻序列，則退出，否則進入下一步； 步驟5，將步驟4得出的每個序列與步驟3所有序列進行步驟2所述的移位運算，如果所有兩兩序列在不同跳頻對上總計最多碰撞兩次，則步驟4生成的序列為符合條件的跳頻序列，加入步驟4生成的序列族中，否則捨棄； 步驟6，將步驟5得到的跳頻序列進行編號，分配給不同的微網使用。對於通信中的某一微網，利用跳頻序列族中的某一跳頻序列控制雙路頻率合成器，生成所需要的頻率，在不同的時隙內輸出頻率跳變的本振信號，用它對調製信號進行變頻，變頻後輸出信號的功率已達到射頻通帶的要求，然後經過天線發射出去。
如圖2所示，圖中PFD表示鑑頻鑑相器，CP表示電荷泵，LPF表示低頻濾波器，VCO表示壓控振蕩器。在UWB跳頻序列控制器中存儲了所有可使用的雙時頻跳頻序列，而同一個微網設備使用分配到的某個特定序列，該序列用於區分多個微網，根據OFDM符號的時鐘信號，每兩個OFDM符號要使用雙路頻率合成器產生的子載波來調製，然後發送出去。
如圖3所示，對於上述雙載波方案必須產生264MHz的混頻信號，同時，要產生的12個子帶中心頻率分別為4356MHz、4620MHz、6336MHz、6600MHz、6864MHz、7128MHz、7392MHz、7656MHz、7920MHz、8184MHz、8448MHz和8712MHz。先產生中心頻率為8448MHz的載波，然後經過分頻電路，得到4224MHz、2112MHz、1056MHz、528MHz、264MHz和132MHz的載波頻率。例如某微網ID為3，則根據表2跳頻序列控制器選擇(3，5)-(4，6)-(9，11)-(7，12)跳頻方式，則雙路頻率合成器根據此信息以及經分頻電路產生的頻率，對應合成(6336MHz，6864MHz)、(6600MHz，7128MHz)、(7920MHz，8448MHz)、(7392MHz，8712MHz)，用這些雙載波對兩路調製信號進行變頻，最後發射出去。
表2 雙載波超寬帶系統跳頻方案
權利要求
1、一種雙時頻非重複非完全跳頻序列的構造方法，其特徵在於該方法包括以下步驟
步驟1，初始條件設置，有q＝2n個子頻帶，序號分別為1、2、3、…、2n-1、2n，跳頻序列長度L＝q/2-1＝n-1；
步驟2，計算機搜索初始化，以序列為初始序列，搜索形式的序列，進行異步組網移位相關運算，保證每一次移位都滿足使其與S1在不同跳頻對上總計最多碰撞兩次；跳頻序列碰撞次數移位運算公式為
其中
為集合序列S1和S2的碰撞次數，
為集合序列，
為延時為τ的集合序列；
步驟3，判斷S2與S1碰撞次數
是否滿足在不同跳頻對上總計最多碰撞兩次，當結果為是，則搜索成功，繼續搜索形式的序列；當結果為否，跳過S2形式的序列，搜索形式序列；判斷S3形式某一序列是否滿足與S1、S2不同跳頻對上總計最多碰撞兩次，當結果為是，則搜索成功；當結果為否，跳過S3形式的序列，繼續搜索形式的序列；依次類推，最後搜索形式的序列，必須滿足與前面所有的序列在不同跳頻對上總計最多碰撞兩次；本次搜索完畢；
步驟4，繼續搜索未使用的跳頻對，組成長度L＝n-1的序列，並且保證每個序列中都不含有重複的子載頻；當不能組成符合步驟2所述要求的跳頻序列，則退出，否則進入下一步；
步驟5，將步驟4得出的每個序列與步驟3所有序列進行步驟2所述的移位運算，如果所有兩兩序列在不同跳頻對上總計最多碰撞兩次，則步驟4生成的序列為符合條件的跳頻序列，加入步驟4生成的序列族中，否則捨棄；
步驟6，將步驟5得到的跳頻序列進行編號，分配給不同的微網使用。對於通信中的某一微網，利用跳頻序列族中的某一跳頻序列控制雙路頻率合成器，生成所需要的頻率，在不同的時隙內輸出頻率跳變的本振信號，用它對調製信號進行變頻，變頻後輸出信號的功率已達到射頻通帶的要求，然後經過天線發射出去。
全文摘要
本發明公開了一種雙時頻非重複非完全跳頻序列的構造方法，屬於無線通信領域。本發明的跳頻序列的構造方法通過判斷兩兩序列在不同跳頻對上總計最多碰撞兩次，將生成的序列為符合條件的跳頻序列；然後繼續搜索未使用的跳頻對，組成長度L＝n-1的序列，並且保證每個序列中都不含有重複的子載頻。本發明與同類跳頻序列構造方法相比較，使得多微網通信時，微網之間的碰撞概率降低，通信質量提高，支持的微網數目增多，提高了系統抗同頻幹擾的能力。
文檔編號H04B1/713GK101478331SQ200910028388
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月23日 優先權日2009年1月23日
發明者徐平平, 徐漢青, 林旺德 申請人:東南大學