一种电力物联网跳频图案生成方法、装置及存储介质与流程

本发明涉及跳频通信技术领域，具体涉及一种电力物联网跳频图案生成方法、装置及存储介质。

背景技术：

随着能源互联网和智能电网的不断发展，多种电力高业务设备接入电力物联网通信网络。这种通信网络具有以下特点：电力业务节点众多（大规模接入），接入时刻随机（随机接入），信息传输安全性高等。为了保证电力物联网通信安全性，跳频技术是一种最优的通信传输方式。跳频技术可提供较优的多址接入能力，并有效避免多节点相互干扰和恶意干扰，该技术已经广泛应用于传统物联网通信系统中。跳频图案是跳频技术的核心，决定了跳频技术的上述特性。通常跳频图案由两个部分构成，一个是跳频频点表，在该跳频频点表中记录了所有可用的跳频频点；一个是跳频序列，跳频序列是伪随机序列，从跳频频点表中按照特定的数学方法选出特定数目的跳频频点，可以通过这些被选出的跳频频点构成一个跳频序列，即一个跳频图案。

电力多业务跳频接入通信网络中，在电力主站范围内，大量业务节点通过跳频技术接入网络，这些节点接入时间是随机的。除了不同业务间可能存在干扰，且主站范围内也可能存在恶意干扰机，目前传统伪随机跳频图案（包括无碰撞跳频序列、最优随机跳频序列），传统基序列个数和频点碰撞次数完全受频隙集合大小限制，无法实现大规模节点接入；其次，在任意时延下传统基序列的频点碰撞较大，不利于电力通信高可靠性传输需求，无法满足跳频序列个数多（满足大量节点接入），跳频频点随机性好（减小恶意干扰），在任意时延下，跳频序列的汉明相关值小（减小用户互干扰）。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是传统伪随机跳频图案无法同时满足大量节点接入、跳频频点随机性好和在任意时延下跳频序列的汉明相关值小，目的在于提供一种电力物联网跳频图案生成方法、装置及存储介质，在常规跳频序列组成的基序列集中选取满足最大汉明相关的跳频序列，采用移位跳频序列交织方法产生随机接入低碰撞跳频图案，为电力物联网跳频通信体制提供大规模节点的安全接入。

一种电力物联网跳频图案生成方法，包括以下步骤：

步骤s1、在频隙集fq中选取多个频点，将所述多个频点进行随机组合，得到多条频点数目为l的基序列，所述多条频点数目为l的基序列组成序列集；

步骤s2、从所述序列集中选取多条满足最大汉明相关的基序列，得到基序列条数为m的基序列集s；

步骤s3、将所述基序列集s中的每一条基序列分别循环左移，每一条基序列循环左移后均得到对应的f条移位序列；

步骤s4、将f条移位序列进行相互交织，得到每一条基序列对应的跳频序列，最终得到m条跳频序列，所述m条跳频序列组成对应的lhz跳频序列集r。

进一步地，所述频隙集fq包括q个可供跳变的频点；基序列中的l个频点包括所述q个可供跳变的频点，且所述l≥q，其中，q为自然数，由于频隙集中的频点可重复选择且每个频点至少被选择了一次，这样基序列中不仅包含了频隙集中的所有频点而且基序列中的频点数大于频隙集中的频点个数。

进一步地，所述最大汉明相关的值为hm，具体计算过程为：

其中，ha为所述基序列集s的最大汉明自相关，hc为基序列集s的最大汉明互相关；sⁱ、s^j为基序列集s的中任意两条基序列，s={s⁰,s¹,...,s^m-1}，，0≤i≤m-1，0≤j≤m-1，t1表示基序列长度为l时的相对时延，在计算最大汉明相关的值时满足0≤t1≤l-1。

其中，汉明相关函数为：

；

其中，函数，b和d表示频隙集fq中的频点，上述汉明相关函数中的符号下标按模l运算，即除以l取余，t表示相对时延，相对时延的大小取决于序列长度。

进一步地，所述lhz跳频序列集r的低碰撞区lhz大小lhz为：

；

其中，ha(r)和hc(r)为两个预设的非负整数，lahz为汉明自相关低碰撞区，lchz为汉明互相关低碰撞区，t2表示跳频序列在低碰撞区的相对时延。

进一步地，所述步骤s3中得到f条移位序列为：

；

其中，ke表示sⁱ循环左移的位数，e表示设定参数，e为正整数且满足ef=l，0≤k≤f-1，0≤i≤m-1。

进一步地，所述步骤s4中对每一条基序列循环左移得到的f条移位序列进行相互交织的过程为：

将所述移位序列中下标为的元素赋值给，所述为跳频序列中的元素，最终得到fl个元素；计算公式为：；其中，0≤j≤fl-1，为j除以f取余数（即j模f计算），为j除以f的取整数部分；

根据得到的fl个元素，组成跳频序列rⁱ，跳频序列rⁱ表示为：

；

根据得到的跳频序列rⁱ，组成lhz跳频序列集r，lhz跳频序列集r表示为：

。

在电力多业务跳频接入通信网络中，在电力主站范围内，大量业务节点会通过跳频技术接入网络，这些节点接入时间是随机的，除了不同业务间可能存在干扰，且主站范围内也可能存在恶意干扰机，跳频技术的核心是跳频图案的设计，传统伪随机跳频图案（包括无碰撞跳频序列、最优随机跳频序列），传统随机跳频序列个数和频点碰撞次数完全受频隙集合大小限制，无法实现大规模节点接入；其次，在任意时延下传统基序列的频点碰撞较大，不利于电力通信高可靠性传输需求，本发明在常规跳频序列组成的基序列集中选取满足最大汉明相关的跳频序列进行循环左移，利用循环左移后的跳频序列进行交织最后得到满足电力物联网跳频通信体制提供大规模节点的安全接入的跳频序列集合，并且频隙集fq中的所有频点{f1,f2,...,fq}能被每个跳频序列使用，即频隙集fq中的所有频点可以重复选择且每个频点至少被选择了一次，这样可以实现最大的处理增益；在生成的跳频序列集中，对于任意两条跳频序列，在准同步接入时，发生频点碰撞的次数很小（汉明互相关值小），在异步随机接入时，频点碰撞的次数略微放宽，这样可有效消除电力业务节点间干扰；与拥有相同的频点个数q的传统最优伪随机跳频序列相比，本发明生成的跳频序列集的序列数目经过循环左移后产生的移位序列条数成倍增加，这样跳频系统能容纳更多的电力业务节点接入，且对于跳频序列集合中任意跳频序列及其移位序列，两者的频点碰撞次数少即汉明自相关旁瓣值小，在任意时延下，本发明考虑到了最大汉明相关，包括跳频序列在低碰撞区lhz内和低碰撞区lhz外的最大汉明相关，使得lhz跳频序列集合中任意两条跳频序列，两者在lhz内的频点碰撞次数少，且在lhz外的频点碰撞次数也不会太多，跳频序列的汉明相关值小，汉明相关值为同一条序列或者任意两条序列在不同时延的下对应位相同的个数；在小时延下频点碰撞小于传统随机跳频图案；在大时延下频点碰撞有所增加但仍小于传统低碰撞跳频图案。

进一步地，一种电力物联网跳频图案生成装置，包括：

序列集生成单元，用于从频隙集fq中选取多个频点进行随机组合得到多条频点数目为l的基序列，所述多条频点数目为l的基序列组成序列集；

基序列集生成单元，用于从所述序列集中选取多条满足最大汉明相关的基序列，得到基序列条数为m的基序列集s；

移位单元，用于将基序列集s中的每一条基序列分别循环左移，得到每一条基序列对应的f条移位序列；

跳频图案生成单元，用于将每一条基序列对应的f条移位序列进行相互交织得到对应的跳频序列，最终得到m条跳频序列，所述m条跳频序列组成对应的lhz跳频序列集r。

进一步地，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明方法中的步骤。本方法的具体使用依赖大量计算，因此优选的通过计算机程序来实现上述计算过程，所以任何包含本方法中所保护的步骤的计算机程序及其存储介质也属于本申请的保护范围内。

进一步地，一种电力物联网跳频图案的应用方法，跳频系统中包括lhz跳频序列集r，所述跳频系统将电力物联网通信网络中大规模业务节点通过所述lhz跳频序列集r，将各个业务节点通过电力跳频通信链路接入主站网络中，实现跳频通信。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种电力物联网跳频图案生成方法、装置及存储介质，基于常规跳频序列组成的基序列集中选取满足最大汉明相关的跳频序列进行循环左移，且每条跳频序列中均包括了频隙集中的所有频点，并且频隙中的频点可以重复选择，以实现最大的处理增益；在生成的跳频序列集合中，对于任意两条跳频序列，在准同步接入时，发生频点碰撞的次数很小（汉明互相关值小），在异步随机接入时，频点碰撞的次数略微较宽，这样可有效消除电力业务节点间干扰；采用移位跳频序列组合方法产生随机接入低碰撞跳频图案，经过循环左移后产生的移位序列使得跳频序列的条数成倍增加，这样跳频系统能容纳更多的电力业务节点接入，为电力物联网跳频通信体制提供大规模节点的安全接入；

2、本发明一种电力物联网跳频图案生成方法、装置及存储介质，在任意时延下，本发明考虑到了最大汉明相关，包括跳频序列在低碰撞区lhz内和低碰撞区lhz外的最大汉明相关，使得lhz跳频序列集合中任意两条跳频序列，两者在lhz内的频点碰撞次数少，且在lhz外的频点碰撞次数也不会太多，跳频序列的汉明相关值小，汉明相关值为同一条序列或者任意两条序列在不同时延的下对应位相同的个数；在小时延下频点碰撞小于传统随机跳频图案；在大时延下频点碰撞有所增加但仍小于传统低碰撞跳频图案。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的数据流程示意图；

图2为基于跳频的电力多业务通信接入网示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，本发明一种电力物联网跳频图案生成方法，包括以下步骤：

步骤s1、在频隙集fq中选取多个频点，将所述多个频点进行随机组合，得到多条频点数目为l的基序列，所述多条频点数目为l的基序列组成序列集；

其中，频隙集fq包括q个可供跳变的频点；基序列中的l个频点包括了所述q个可供跳变的频点，且l≥q，其中，q为自然数，由于频隙集中的频点可重复选择且每个频点至少被选择了一次，这样基序列中不仅包含了频隙集中的所有频点而且基序列中的频点数大于频隙集中的频点个数。

步骤s2、从所述序列集中选取多条满足最大汉明相关的基序列，得到基序列条数为m的基序列集s；

其中，所述最大汉明相关的值为hm，具体计算过程为：

其中，ha为所述基序列集s的最大汉明自相关，hc为基序列集s的最大汉明互相关；sⁱ、s^j为基序列集s的中任意两条基序列，s={s⁰,s¹,...,s^m-1}，，0≤i≤m-1，0≤j≤m-1，t1表示基序列长度为l时的相对时延，在计算最大汉明相关的值时满足0≤t1≤l-1；

其中，汉明相关函数为：

；

其中，，b和d表示频隙集fq中的频点，上述汉明相关函数中的符号下标按模l运算，即除以l取余运算，t表示相对时延，相对时延的大小取决于序列长度。

步骤s3、将所述基序列集s中的每一条基序列分别循环左移，每一条基序列循环左移后均得到对应的f条移位序列；移位序列表示为：；其中，ke表示sⁱ循环左移的位数，e表示设定参数，e为正整数且满足ef=l，0≤k≤f-1，0≤i≤m-1。

步骤s4、将f条移位序列进行相互交织，得到每一条基序列对应的跳频序列，最终得到m条跳频序列，所述m条跳频序列组成对应的lhz跳频序列集r。

上述步骤s4中对每一条基序列循环左移得到的f条移位序列进行相互交织的过程为：

将所述移位序列中下标为的元素赋值给，所述为跳频序列中的元素，最终得到fl个元素；计算公式为：；其中，0≤j≤fl-1，为j除以f取余数（即j模f计算），为j除以f的取整数部分；

根据得到的fl个元素，组成跳频序列rⁱ，跳频序列rⁱ表示为：

；

根据得到的跳频序列rⁱ，组成lhz跳频序列集r，lhz跳频序列集r表示为：

。

所述lhz跳频序列集r的低碰撞区lhz大小lhz为：

；

其中，ha(r)和hc(r)为两个预设的非负整数，lahz为汉明自相关低碰撞区，lchz为汉明互相关低碰撞区，t2表示跳频序列在低碰撞区的相对时延；。

对于lhz跳频序列集r，还考虑了lhz跳频序列集r在低碰撞区外的最大汉明自相关、最大汉明互相关和最大汉明相关，具体的计算过程为：

其中，t3表示跳频序列的序列长度为fl时的相对时延，z1为任意正整数，且0≤z1≤lhz。

在一种实施例中，一种电力物联网跳频图案生成装置，用于实现上述实施例中的方法步骤，包括：序列集生成单元，用于从频隙集fq中选取多个频点进行随机组合得到多条频点数目为l的基序列，所述多条频点数目为l的基序列组成序列集；

基序列集生成单元，用于从所述序列集中选取多条满足最大汉明相关的基序列，得到基序列条数为m的基序列集s；

移位单元，用于将基序列集s中的每一条基序列分别循环左移，得到每一条基序列对应的f条移位序列；

跳频图案生成单元，用于将每一条基序列对应的f条移位序列进行相互交织得到对应的跳频序列，最终得到m条跳频序列，所述m条跳频序列组成对应的lhz跳频序列集r。

在另一种实施例中，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明方法中的步骤。本方法的具体使用依赖大量计算，因此优选的通过计算机程序来实现上述计算过程，所以任何包含本方法中所保护的步骤的计算机程序及其存储介质也属于本申请的保护范围内。

基于上述实施例的另一实施例，一种电力物联网跳频图案的应用方法，跳频系统中包括lhz跳频序列集r，所述跳频系统将电力物联网通信网络中大规模业务节点通过所述lhz跳频序列集r，将各个业务节点通过电力跳频通信链路接入主站网络中，实现跳频通信。

如图2所示，在电力多业务跳频接入通信网络中，在电力主站范围内，大量业务节点会通过跳频技术接入网络，这些节点接入时间是随机的，除了不同业务间可能存在干扰，且主站范围内也可能存在恶意干扰机，跳频技术的核心是跳频图案的设计，传统伪随机跳频图案（包括无碰撞跳频序列、最优随机跳频序列），传统随机跳频序列个数和频点碰撞次数完全受频隙集合大小限制，无法实现大规模节点接入；其次，在任意时延下传统基序列的频点碰撞较大，不利于电力通信高可靠性传输需求，本发明在常规跳频序列组成的基序列集中选取满足最大汉明相关的跳频序列进行循环左移，利用循环左移后的跳频序列进行交织最后得到满足电力物联网跳频通信体制提供大规模节点的安全接入的跳频序列集合，并且频隙集fq中的所有频点{f1,f2,...,fq}能被每个跳频序列使用，即频隙集fq中的所有频点可以重复选择且每个频点至少被选择了一次，这样可以实现最大的处理增益；在生成的跳频序列集中，对于任意两条跳频序列，在准同步接入时，发生频点碰撞的次数很小（汉明互相关值小），在异步随机接入时，频点碰撞的次数略微放宽，这样可有效消除电力业务节点间干扰；与拥有相同的频点个数q的传统最优伪随机跳频序列相比，本发明生成的跳频序列集的序列数目经过循环左移后产生的移位序列条数成倍增加，这样跳频系统能容纳更多的电力业务节点接入，且对于跳频序列集合中任意跳频序列及其移位序列，两者的频点碰撞次数少即汉明自相关旁瓣值小，在任意时延下，本发明考虑到了最大汉明相关，包括跳频序列在低碰撞区lhz内和低碰撞区lhz外的最大汉明相关，使得lhz跳频序列集合中任意两条跳频序列，两者在lhz内的频点碰撞次数少，且在lhz外的频点碰撞次数也不会太多，跳频序列的汉明相关值小，汉明相关值为同一条序列或者任意两条序列在不同时延的下对应位相同的个数；在小时延下频点碰撞小于传统随机跳频图案；在大时延下频点碰撞有所增加但仍小于传统低碰撞跳频图案。

本发明用到的定理为：跳频序列集r为lhz跳频序列集，其序列长度为fl，lhz大小为z=e-1，lhz内的最大汉明相关为fhm，lhz外的最大汉明相关为（f-1）hm+l。

对上述定理的证明为：由于跳频序列集s的最大汉明相关值为hm，根据交织技术结果，易得r是lhz跳频序列集，其lhz大小为z=e-1，lhz内的最大汉明相关为fhm；而对于lhz外的最大汉明相关，在相对时延t≥e下，其中rⁱ、r^j∈r，汉明相关函数为：

情况1.当i=j时。因为ef=l，在相对时延满足t≥e时，即，如果要使，则。由此可求得存在唯一正整数n1=g，0≤g≤f-1，使得n2满足取0≤n2≤l-1任意值时，都有；这样rⁱ、r^j∈r的汉明相关函数变为：

情况2.当i≠j时。rⁱ、r^j∈r的汉明相关函数为：

；

综上所述，在lhz外的最大汉明相关为。

证毕。

实施例2

为了更好理解本发明方法的实施过程，提供一种实施例，当q=7，l=16，m=3，选取基序列集s={s⁰，s¹，s²}，其中

容易验证，基序列集s为最大汉明相关大小为hm=2的跳频序列集，令e=2,f=8，则可以得到移位序列d=（0，2，4，…，14）。则可以得到跳频序列集r={r⁰，r¹，r²}，其中：

可以验证，跳频序列集r为lhz大小为z=1的lhz跳频序列集，其序列长度为128。lhz内的最大汉明相关为16，lhz外的最大汉明相关为30。

由此可见，不仅考虑到了低碰撞区lhz内的最大汉明相关还考虑了低碰撞区lhz外的最大汉明相关，对于跳频序列集合中任意跳频序列及其平移序列，两者在lhz内的频点碰撞次数少，且在lhz外的频点碰撞次数也不会太多，跳频序列条数足够多，且频点随机性好。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。