说明书一种OFDM系统中的跳频抗截获的方法
技术领域
本发明涉及一种OFDM系统中的跳频抗截获的方法，属于无线通信的技术领域。
背景技术
跳频是无线通信中常用的一种扩频方式，其工作原理是收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化。从通信技术的实现方式来说，跳频技术是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式。从信号频谱角度来看，跳频信号一般占用很宽的频带。
常用的跳频码序列是基于m序列、RS码等设计的伪随机序列。这些伪随机码序列通过移位寄存器加反馈结构来实现，结构简单，性能稳定，能够较快实现同步，它们可以实现较长的周期，汉明相关特性也比较好。
跳频通信的优点是抗干扰，与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被截获。定频干扰只会干扰部分频点，只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获通信内容。但常规跳频通信的缺点是：1)占用带宽大；2)跳频速度受限；3)对大功率宽带干扰没有抑制能力。下面我们对这些缺点分别予以详细说明。
1)常规跳频通信随机改变载波频率，不同载频的信号频谱之间完全不重叠或仅有小部分重叠。假如信号带宽为B，如果不同载频之间信号频谱不重叠，则N个频点的跳频系统使用的总带宽为NB。当前由于对通信系统的传输数据率需求越来越高，单个频点的信号带宽也变得越来越宽，例如只采用15个频点、单个频点信号带宽为20MHz时，总的信号带宽就将达到300MHz。这么大的带宽给射频链路设计以及AD/DA变换等都将带来很大困难。
2)常规跳频系统转换工作频点时需要改变振荡器的输出频率，并且需要锁相环重新进入稳定跟踪状态，这需要较长的时间，因此目前最快跳频速度只有几万次每秒。
3)当面对大功率宽带干扰时，如果干扰频谱覆盖跳频系统工作的全部频点，则常规跳频系统失去抗干扰能力，通信性能急剧恶化。
发明内容
本发明的目的是提出一种OFDM系统中的跳频抗截获的方法，从而提高信干噪比，降低宽带干扰带来的影响。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种OFDM系统中的跳频抗截获的方法，包括窄带干扰时的小幅跳频方法和宽带干扰时的随机跳频方法，其中小幅跳频方法包括以下步骤：
(1)确定通信系统的子载波个数N，其中空子载波个数为N0，数据子载波个数为N1，导频子载波个数N2，数据子载波标号为k＝0,1,...,N1-1，未跳频时插入导频后的数据子载波标号为f(k)；
(2)生成周期为T的伪随机序列a(n)，其中n＝1,...,T，再截取其中一段长度为T1的序列a1(n)，并将其转换为M进制序列b(n)，长度为T2，其中为整数，n＝1,2,...,T2,M≤N0；
(3)根据伪随机序列的取值调整每个OFDM符号中数据子载波的位置；
(4)对插入导频后的子载波进行映射得到最终的频域序列，再经过IFFT发射出去；
(5)接收端经过FFT解映射、删除导频后得到接收端频域序列，再生成与发射端相同的M进制序列，进一步解得每个数据子载波原始标号上对应的数据值，完成解跳频；
其中宽带干扰时的随机跳频方法包括以下步骤：
(1)在未跳频状态下对应的N0个空子载波和N1个数据子载波中随机选取N2个子载波，再用这N2个标号对应的子载波用来传输数据；
(2)对插入导频后的子载波进行映射得到最终的频域序列，再经过IFFT发射出去；
(3)接收端经过FFT解映射、删除导频后得到接收端频域序列，根据解出的随机函数的种子，即得到随机选取的N2个子载波，再进一步解出这N2个子载波上的数据值，完成解跳频。
其中随机跳频方法中的步骤(1)中随机选取标号的过程在不同的OFDM符号中相互独立，且在N0+N1个子载波上满足均匀分布，并记录所采用的随机函数的种子，附在数据中。
本发明的有益效果：
本发明提出的快跳频的方法能有效的应对各种干扰情况，而且实现复杂度低，适应性广。在窄带干扰情况下，使用本发明中的小幅跳频的方法，每个频点的间隔为一个子载波带宽，并且不使用过多的频点，这样信号带宽几乎没有增加，但同时又能起到抗截获的作用，利用编码OFDM系统对抗频率选择性衰落的特性，本方法在快速跳频的同时还能对窄带干扰进行有效的抑制；在宽带干扰情况下，使用本发明中的随机跳频的方法，在每个OFDM符号间隔均随机选取相对较少的子载波传送数据，能有效提高接收端信干噪比，并且能通过收发端的联合设计准确地提取数据。
具体实施方式
本发明提出一种能够应对OFDM系统中各种干扰情况的快速跳频方法，包括窄带干扰时的小幅跳频方法和宽带干扰时的随机跳频方法。
该方法包括小幅跳频和随机跳频两部分。为了应对各种条件的干扰情况，我们在窄带干扰时采取小幅跳频方案，每个频点的间隔为一个子载波带宽，并且不使用过多的频点，选取若干个子载波传送数据，并使用伪随机序列在每个OFDM符号间隔对子载波进行移位。这样信号带宽增加很少，但同时又能起到快速跳频和抗截获的效果。而在宽带干扰下，我们采取随机跳频的方案，在每个OFDM符号间隔均随机选取相对较少的子载波传送数据，从而提高信干噪比，降低宽带干扰带来的影响。假设一个OFDM通信系统中子载波个数为N，其中空子载波个数为N0，数据子载波个数为N1，导频子载波个数N2，数据子载波标号为k＝0,1,...,N1-1，未跳频时插入导频后的数据子载波标号为f(k)。
在窄带干扰情况下，采用小幅跳频的方法，生成周期为T的伪随机序列a(n)， 其中n＝1,...,T，再截取其中一段长度为T1的序列a1(n)，并将其转换为M进制序列b(n)，长度为T2，其中为整数，n＝1,2,...,T2,M≤N0。再根据伪随机序列的取值调整每个OFDM符号中数据子载波的位置，即
s ( n , k ) = f ( k ) + b ( n mod T 2 ) - M 2 ]]>
其中f(k)表示数据子载波的初始标号，mod表示求余运算，s(n,k)表示第n个符号时原始标号为k的数据子载波所对应的位置。最后对插入导频后的子载波进行映射得到最终的频域序列，再经过IFFT发射出去。在接收端，经过FFT解映射、删除导频后得到接收端频域序列r(n)，再生成与发射端相同的M进制序列b(n)，则可进一步解得每个数据子载波原始标号上对应的数据值，完成解跳频。
在宽带干扰情况下，采用随机跳频的方法，在未跳频状态下对应的空子载波和数据子载波中随机选取N2个子载波，再用这N2个标号对应的子载波用来传输数据。其中随机选取标号的过程在不同的OFDM符号中相互独立，且在N0+N1个点上满足均匀分布，并记录所采用的随机函数的种子，附在数据中。再对插入导频后的子载波进行映射得到最终的频域序列，再经过IFFT发射出去。在接收端，经过FFT解映射、删除导频后得到接收端频域序列r(n)，根据解出的随机函数的种子，即可得到随机选取的N2个子载波，再进一步解出这N2个子载波上的数据值，完成解跳频。
考虑一个使用本发明方法的OFDM通信系统。系统中子载波个数为64，其中数据子载波个数为48，导频子载波个数为4，空子载波个数为12，数据子载波原始标号为k＝0,1,...,47。数据子载波在插入导频时的映射方式为
f ( k ) = k - 26 0 ≤ k ≤ 4 k - 25 5 ≤ k ≤ 17 k - 24 18 ≤ k ≤ 23 k - 23 24 ≤ k ≤ 29 k - 22 30 ≤ k ≤ 42 k - 21 43 ≤ k ≤ 47 ]]>
针对窄带干扰情况，采用小幅跳频的方法，先生成周期为1024的伪随机序列a(n)，其中n＝1,...,1024，再将其转换为4进制序列b(n)，其中n＝1,2,...,512。然后 根据伪随机序列的取值调整每个OFDM符号中数据子载波的位置，即
s(n,k)＝f(k)+b(nmod1024)-2
其中f(k)表示数据子载波的初始标号，mod表示求余运算，s(n,k)表示第n个符号时原始标号为k的数据子载波所对应的位置。在接收端经过FFT解映射、删除导频后得到接收端频域序列r(n)，再生成与发射端相同的4进制序列b(n)，则可解得每个数据子载波原始标号上对应的数据值，完成解跳频。选取10个OFDM符号，以OFDM符号为横轴，每个OFDM符号中所占用的子载波的频段为纵轴，对其中的数据子载波进行观察，不同OFDM符号中相同颜色的子载波对应未跳频状态下的同一子载波。
针对宽带干扰情况，采用随机跳频的方法，在未跳频状态下对应的空子载波和数据子载波总共有52个，在这52个子载波对应标号中随机选取8个标号，再用这8个标号对应的子载波用来传输数据。其中随机选取标号的过程在不同的OFDM符号中相互独立，且在52个点上满足均匀分布，并记录所采用的随机函数的种子，附在数据中。再对插入导频后的子载波进行映射得到最终的频域序列，再经过IFFT发射出去。在接收端，经过FFT解映射、删除导频后得到接收端频域序列r(n)，根据解出的随机函数的种子，即可得到随机选取的8个子载波，再进一步解出这8个子载波上的数据值，完成解跳频。选取10个OFDM符号，以OFDM符号为横轴，每个OFDM符号中所占用的子载波的频段为纵轴，对其中的数据子载波进行观察，不同OFDM符号中相同颜色的子载波对应未跳频状态下的同一子载波。