低碰撞区跳频序列设计及其在多层异构网络中的应用研究

Multi-layer heterogeneous networks have wide application in massive connections and various communication scenarios. With the densification and complexity of the node deployment, how to solve the inter-layer and intra-layer interference of the multi-layer networks is of great concern. Frequency-hopping communication has many advantages, such as high confidentiality, strong anti-jamming performance and anti-multipath fading ability. It can deal with the key problem in multi-layer heterogeneous networks, and has important academic value and practical significance. The construction of low-hit-zone (LHZ) frequency-hopping sequences (FHSs), which is one of the key issues in the recent research of quasi-synchronous frequency-hopping multiple-access communication, has a decisive impact on the frequency-hopping communication system performance. In this project, we will construct LHZ-FHSs and analyze its performance in the multi-layer heterogeneous networks. The research contents mainly include: (1) the designs of LHZ-FHSs with optimal partial Hamming correlation properties; (2) the designs of LHZ-FHSs with optimal aperiodic Hamming correlation properties; (3) the study on the performance of multi-layer heterogeneous networks based on LHZ-FHSs. The implementation of this project will meet the practical needs of the multi-layer heterogeneous network communication, lay the theoretical foundation for improving the anti-jamming performance of the systems, and has important significance and practical value.

多层异构网络在海量连接与各类通信场景方面有着广泛的应用。随着网络中节点部署的密集化和复杂化，如何解决多层网络的层间与层内干扰问题至关重要。跳频通信具有保密性高、抗干扰能力强、抗多径衰落等优点，能够应对多层异构网络中的关键问题，具有重要的学术价值和实际意义。低碰撞区跳频序列设计是近来年准同步跳频多址通信研究中的关键点之一，对跳频通信系统的性能起着决定性的影响。本课题拟设计低碰撞区跳频序列并分析其应用于多层异构网络的系统性能。主要研究内容包括：（1）具有优异部分汉明相关性能的低碰撞区跳频序列设计；（2）具有优异非周期汉明相关性能的低碰撞区跳频序列设计；（3）基于低碰撞区跳频序列的多层异构网络性能研究。本课题的实施将满足多层异构网络通信的实际需要，为提升系统抗干扰性能奠定理论基础，具有重要意义和实用价值。

跳频通信的收发双方按照相同的伪随机序列对频率合成器进行控制，使得载波频率进行不断地、随机地跳变，从而可以实现频带共享、多址接入，具有保密性高、抗衰落及抗干扰等能力，为网络安全通信提供技术保障，具有重要的研究意义与学术价值。面对超大规模用户及各类通信场景的广泛需求，本项目旨在运用跳频通信理论与技术，结合编码学和密码学，主要研究具有多序列数目、隐蔽性好、安全性高、抗干扰能力强的低碰撞区跳频序列集。本项目代表性进展包括：（1）构造出了具有新参数的低/零碰撞区跳频序列集，这些序列集均具有某种最优的汉明相关特性，如最优周期汉明相关、最优周期部分汉明相关、最优非周期汉明相关及最优平均汉明相关。此外，部分低碰撞区跳频序列集还具有宽间隔特性。可以根据不同的通信场景需求，使用具有相应参数的跳频序列集。（2）建立了一些新的跳频序列理论界。包括更紧的有关无碰撞区跳频序列集非周期汉明相关的理论界、无碰撞区跳频序列集时频二维汉明相关的理论界及低碰撞区跳频序列集平均周期汉明相关的理论界。这些理论界可以为设计出最优的跳频序列提供理论指导。（3）从新型应用场景的角度出发，分析了所适用的跳频序列及相应的通信性能。将跳频序列应用于信息隐藏领域，适用于新时代多参与者协作完成数字作品时版权归属信息嵌入等场景。研究结果表明，基于跳频序列的优异汉明相关特性及较好的随机性，相应系统的误码率可以较小且具有较好的抗攻击性，从而可以确保信息提取的正确性与可靠性。此外，与传统的跳频通信方式相比，基于宽间隔低碰撞区跳频序列集的跳频多址接入方式能够为系统提供更低的误码率及更好的抗跟踪干扰能力。并且，本项目所研究的跳频系统不局限于特定的网络，具有一定的普适性。