论文研究-伪随机数量化在基于概率自适应跳频系统中的应用 .pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.36M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 伪随机数量化在基于概率自适应跳频系统中的应用# 杨晓文，申晓红，姜喆，王海燕，赵瑞琴** （西北工业大学航海学院，西安，710072）摘要：本文提出了基于误码率的映射和对伪随机数流的量化来产生跳频图案的方法，重点阐明了量化准则，构建了基于概率的自适应跳频通信仿真系统。该方法将各个跳频频点的误码率映射为一个概率密度函数，由此得到量化向量，根据伪随机数发生器产生的满足特定统计规律的伪随机数流和特定的量化准则，对伪随机数流进行量化，生成跳频图案，进行跳频通信。基于概率的自适应跳频通信相对于传统的跳频通信或自适应跳频通信误码率更低，保密性更强。该方法可以提高水声通信系统的可靠性和保密性。关键词：通信技术；自适应跳频；概率；伪随机数量化；水声通信中图分类号：TN914.41 5 10 15 The Application of Pseudo Random Numbers Quantification in Adaptive Frequency Hopping System Based on Probability 20 YANG Xiaowen, SHEN Xiaohong, JIANG Zhe, WANG Haiyan, ZHAO Ruiqin (School of Marine Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi'an,710072) Abstract: This paper put forward a method producing frequency hopping(FH) pattern based on Bit error rates(BER) mapping and the quantification of pseudo random numbers, focusing attention on quantitative criteria, also established a specific adaptive FH communication simulation system based on probability. BER of all FH channels are mapped into a probability density function(PDF), and then getting quantitative vector, the pseudo random numbers produced by the pseudo random number generator corresponding with specific statistical rule are quantified according to specific quantitative criteria, thus producing FH pattern used for communications. Compared with traditional FH or adaptive FH, adaptive FH based on probability has lower BER, furthermore, it features higher security. The proposed method can improve the reliability and security of underwater acoustic(UWA) FH system. Key words: Communication；adaptive frequency hopping; probability; the quantification of pseudo random numbers; underwater acoustic communications 25 30 35 0 引言传统的自适应跳频通信技术的关键环节在于根据信道估计的结果，对频率集中的频点进行“好”与“坏”的划分，选择“好”的频点进行数据传输，“差”的频点不用，以达到避开频率集中被干扰的频点的目的[1~4]。然而，信道的质量绝对不是一个“好”或“坏”就能反映出来的。传统的自适应跳频中，对于频率集中被选中的频点不加以区别的进行对待，也 40 就是说，特别好的频点和相对较好的频点具有相同的权重，这显然是不合理的。由此人们提基金项目：教育部博士点基金(20096102110038)；教育部博士点基金(20106102120013)；国家自然科学基金 (60972153)；国家自然科学基金 (51249005) 作者简介：杨晓文（1989-）男，硕士，主要研究方向：通信信号处理通信联系人：王海燕(1965-)，男，教授，博士。主要研究方向：水声通信网络，微弱信号检测，数字信号处理. E-mail: hywang@nwpu.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线出了基于概率的自适应跳频方案[5~7]。 http://www.paper.edu.cn 基于概率的自适应跳频不是对频点进行简单的“好”与“坏”的划分，而是对每个频点单独传输数据（不进行跳频）时的误码率进行估计，依据估计的结果，遵循“好的频点多用，差的频点少用”的原则，给不同的频点赋予了不同的权重（使用概率），为数据传输生成特 45 定的跳频图案，使得系统在进行跳频频点的选择时更加合理[5]。基于概率的自适应跳频与传统的方法相比，具有降低系统误码率，易于加密的优点。文献[5,6,7]给出了基于概率的自适应跳频通信的基本原理，但是没有给出具体实现方法。本文在前人已经取得的工作的基础上，提出了基于误码率的映射和对伪随机数流的量化来产生跳频图案的方法，给出了基于概率的自适应跳频通信系统的实现框图，仿真验证了基于概 50 率的自适应跳频系统的性能。 1 基于概率的自适应跳频通信系统图 1 基于概率的自适应跳频通信系统 Fig.1 Adaptive frequency hopping communication system based on the probability 55 基于概率的自适应跳频通信系统实现的原理框图如图 1 所示，相比一般的跳频通信系统，其中大部分环节是一致的，多出了①跳频频点误码率估计，②基于误码率的信道映射， ③伪随机数流的量化等步骤。①和②的具体说明如下： ① 跳频频点误码率估计：估计出各个跳频频点单独传输数据时的误码率。该步骤是实现基于概率的自适应跳频的基础，通常采用发送确定的导频序列来实现。 60 ② 基于误码率的信道映射：根据估计出的各个跳频频点的误码率，按照“好的频点多用，差的频点少用”的原则，做基于误码率的映射函数，从而为每个频点分配使用概率，在此基础上产生用于对伪随机数流进行量化的向量。基于误码率的信道映射的实现方法如下：误码率映射的概率密度函数如式(1)所示[5]: (1) 65 其中，为第i个信道的比特误码率；M为跳频频点的个数；参数α （α >0）为调整因子，α 越低，每个信道使用的概率就越接近，α 越高，信道质量的差异给信道使用概率带来 - 2 - 数据调制跳频调制频率合成跳频频率选择跳频图案跳频解跳数据解调①跳频频点误码率估计频率合成跳频频率选择②基于误码率的信道映射混沌密钥序列伪随机数产生器③伪随机数流的量化跳频图案跳频同步接收数据发送数据水声信道同步1f111(1()):()(())(1())iiiMiiBERcfBERcfBERcBERciBERc

中国科技论文在线的影响就越明显。下界映射函数 [5]为： http://www.paper.edu.cn (2) 70 其中，为所有跳频频点使用概率的下限，函数是在函数的基础上，对其输出结果进行尺度变化，目的是保证给每个频点分配的使用概率大于使用概率的下限值。上界映射函数 [5]为：其中，为所有跳频频点使用概率的上限，函数是对函数得到的数据做最后的调整， 75 削减所有大于的概率值，将超出多余的部分平均加到其他的概率值上，目的是保证 (3) 给每个频点分配的使用概率小于使用概率的上限值。整个映射函数的作用可表示为(4)式: (4) 自此每个频点都被分配了一个合适的使用概率，完成了基于误码率的信道映射过程。 2 量化准则 80 基于误码率的信道映射的结果是为每个跳频频点分配一个合适的使用概率，以下的工作是按照一定的量化准则，对伪随机数发生器产生的伪随机数流进行量化，生成具有一定概率分布的量化序列，从而生成特定的跳频图案。本文提出基于概率的伪随机数流量化准则。假设伪随机数流发生器产生(0,1)区间上均匀分布的伪随机数流，系统跳频频点的个数记 85 为 M，第 i 个跳频频点（信道）被分配的使用概率记为，则对应的量化向量可以表示为 (5) 为了更进一步增强跳频系统的保密性，本文选择混沌密钥序列作为特定的种子序列。跳频图案的同步可以归结为种子序列的同步，实际中，只要保证收发双方的种子序列同步，跳频图案也就同步了。由此伪随机数流发生器产生在(0,1)区间上均匀分布的伪随机数流，利用量化向量，依次对伪随机数流中的每一个数按式（6）所示的量化准则进行量化，结果 90 记为： (6) 通过对伪随机数流的依次量化,量化的结果就是相应的跳频频点的标号，从而产生了用 95 于传输数据的跳频图案。例如，伪随机数流中的一个元素落到了区间内，则量化的结果是选择第四个跳频频点进行数据的传输。 100 因为假设伪随机数流发生器产生的是(0,1)区间上均匀分布的伪随机流，所以量化准则只要做各个跳频频点使用概率的加法运算就能得到相应的量化区间的端点，从而得到量化区间的划分。如果产生的不是(0,1)区间上均匀分布的伪随机流，例如高斯分布的伪随机数流，为了产生一定的满足特定概率分布的跳频图案，相应的量化区间的划分必须通过复杂的积分运算才能得出。 - 3 - 2f22minmin:()(1)fxfxPxMPminP2f1f3f33maxmax:()(1)fxfxPxMPmaxP3f2fmaxPmaxP123fffficipqv11121(,,,,1)MqiivppppqviNiOp111,jjikkikkNppOpj1231234(,)ppppppp

中国科技论文在线 3 仿真及性能分析 105 3.1 仿真条件 http://www.paper.edu.cn 对于多径信道，假设发送信号的波形为 ,则接收信号的波形为 (7) 其中和分别为第 i 个路径的加权振幅和时延，为各相同性的高斯白噪声。本文采用文献[8]给出的水声信道，则信道的单位冲击响应时域波形如图 2 所示，其频域波形如图 3 所示。由图 3 可知信道在 8500Hz 和 9500Hz 这两个跳频频点衰落比较严重。 110 图 2 仿真信道的单位冲击响应 Fig.2 The simulation channel unit impulse response 115 图 3 仿真信道的幅频响应系统的跳频频点间隔为 100Hz，采用 2FSK 调制，每比特数据进行一次跳频，在 Fig.3 The simulation channel amplitude frequency response 8000~9500Hz 的频率范围内取 16 个跳频频点。接收端使用 FFT 对数据进行解调。仿真时假设：跳频系统已实现同步。 120 3.2.1 传统混沌跳频与本文提出方法的性能对比混沌信号是由初始状态唯一确定的有界的确定性类随机信号，具有很强的保密性，在水声通信中采用的 logistic 混沌序列是一种一维的离散混沌映射。logistic 映射表达式为当迭代初值，参数时系统进入到混沌状态。 (8) 125 根据 logistic 的性质及拓扑映射的知识，采用 cos 映射可以对 logistic 序列进行均匀量化， - 4 - ()st61()iiirtAstntiAi()nt00.010.020.030.040.050.060.0700.10.20.30.40.50.60.7相对多径时延/s加权振幅80008200840086008800900092009400960000.20.40.60.811.21.41.61.82频率/Hz振幅1(1)nnnxuxx001x3.5699464u

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 按式（9）进行分区，序列落在各个子区内的概率是相等的[9,10]。 (9) 量化后的结果就用来产生跳频图案。基于概率的自适应跳频中，取 M=16， =10，，，伪随机数产生 130 器的初始状态设定为 3，仿真结果如图 4 所示：图 4 传统混沌跳频和基于概率的自适应跳频的误码率对比 Fig.4 The comparison of traditional chaotic frequency hopping and adaptive frequency hopping communication system based on the probability 135 3.2.2 传统自适应跳频与本文提出方法的性能对比传统的自适应跳频和基于概率的自适应跳频都能做到跳频图案的产生根据信道的实际情况做出自适应的调整，但是传统的自适应跳频为每个使用的跳频频点赋予相同的权重（使用概率）。取 M=14（即在剔除两个性能最差的跳频频点的基础上进行数据传输）， =10，，，伪随机数产生器的初始状态设定为 3，仿真结果如图 5 所示： 140 图 5 传统自适应跳频和基于概率的自适应跳频的误码率对比 Fig.5 The comparison of traditional adaptive frequency hopping and adaptive frequency hopping based on the probability 从仿真结果可以看出 145 i.在比特信噪比较小的范围内，噪声功率相对信号功率较大，每一个跳频频点的误码率都比较大，在这种情况下，基于概率的自适应跳频在跳频频点的选择方面不具有明显的优势，相比传统混沌跳频或传统自适应跳频性能相差不大。 - 5 - 22(1)sin,sin22jjjEEqq0,1,1jqmin0.02Pmax0.2P-5051015202510-410-310-210-1100比特信噪比/dB比特误码率传统混沌跳频基于概率的自适应跳频min0.02Pmax0.2P-4-20246810121410-410-310-210-1100比特信噪比/dB比特误码率传统自适应跳频基于概率的自适应跳频

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn ii.随着比特信噪比的逐渐增大，噪声功率相对信号功率逐渐变小，有些跳频频点的误码率相对其他跳频频点很低，基于概率的自适应跳频遵循好的频点多用的原则，在跳频频点 150 的选择方面更合理，因而性能上体现出了明显的优势，表现在图像上就是在一定范围内基于概率的自适应跳频的误码率曲线相对于传统混沌跳频或传统自适应跳频的误码率曲线有非常明显的下降。 iii.随着比特信噪比的进一步增大，噪声功率相对信号功率已经很小，除了少数振幅衰落非常严重的跳频频点由于码间干扰使得误码率维持在一个较高的数值无法下降之外（这样 155 的跳频频点就算完全不加噪声，也会有严重的误码，这是振幅急剧衰落和码间干扰综合作用的结果），绝大部分跳频频点的误码率已经非常小的接近于 0，这种情况和第一种情况很类似，基于概率的自适应跳频在跳频频点的选择上不具有很明显的优势。基于概率的自适应跳频和传统混沌跳频的误码率都维持在很低的水平，基于概率的自适应跳频在性能上具有微弱的优势，如图 4 所示。如果在剔除两个性能最差的跳频频点的基础上进行数据传输，即 M=14， 160 其他条件不变，能够进一步降低系统的误码率，如图 5 所示，相同条件下基于概率的自适应跳频相对传统自适应跳频在性能上仍然具有一定的优势。综上分析可以看出，对比非自适应的传统混沌跳频、传统自适应跳频，基于概率的自适应跳频在降低误码率性能上是最优的。 4 结论 165 本文提出了基于误码率的映射和对伪随机数流的量化来产生跳频图案的方法，该方法能产生满足一定概率分布的跳频图案，使基于概率的自适应跳频通信得以实现。基于概率的自适应跳频通信在跳频频点的选择上比传统的方法更加合理，因而在性能也具有优势。并且基于伪随机数流量化的自适应跳频通信系统具有易于同步、易于加密、易于实现的优点，在实际中具有很高的应用价值。 170 [参考文献] (References) 175 180 185 190 [1] 李一兵, 谭俊锋, 叶方, 雷洪玉. 自适应跳频通信系统信道质量评估方法研究[J] . 哈尔滨工程大学学报, June 2006, 27( 3): 442-446. [2] YIN Jing-wei, ZHANG Xiao, SUN Li-qiang & MEI Ji-dan. An application of the differential spread-spectrum technique in mobile underwater acoustic communication[J]. SCIENCE CHINA Information Sciences, October 2011, 54(10): 2190-2198. [3] Zander J. Adaptive frequency hopping in HF communication[J]. IEEE Proceeding Communications , April 1995, 142 (2) : 99- 105. [4] Yin Wen-long, Cheng Yun-peng, Shen Liang. Adaptive frequency hopping in HF communication[C]. 2011 International Conference on Transportation, Mechanical, and Electrical Engineering (TMEE), 16-18 December: 427-430. [5] Luca Stabellini, Lei Shi, Ahmad Al Rifai, Juan Espino, Veatriki Magoula. A New Probabilistic Approach for Adaptive Frequency Hopping[C]. Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2009 IEEE 20th International Symposium, 13-16 Sept: 2147-2151. [6] 殷文龙，陈浩楠，沈良，程云鹏，王金刚. 基于概率映射的短波自适应跳频方法. 通信技术，2012 年第 3 期，第 45 卷. [7] Ami Ben Cheikh , Tim Esemanny and Horst Hellbrucky. Smooth Adaptive Frequency Hopping[C]. Cross Layer Design (IWCLD), 2011 Third International Workshop,Nov.30 -Dec.1. [8] Milica Stojanovic. Underwater acoustic communications: design considerations on the physical layer[C]. Wireless on Demand Network Systems and Services, Fifth Annual Conference, 23-25 Jan, 2008. [9] Ling Cong, Sun Song-geng. Chaotic frequency hopping sequences. IEEE Transactions on communications[J], Nov.1998. Volume:46, Issue:11: 1433-1437. [10] Heidari BG, McGuillem CD . A chaotic sequence spread spectrum communication system [J]. IEEE Transcomm, 1994,42(2/3/4) : 1524～1527. - 6 -

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