CN101345728A - 超宽带通信信号多用户编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多用户码的编码方法，特别涉及一种超宽带通信信号多用户编码方法，属于无线通信技术领域。它针对室内超宽带系统数据传输速率高，直扩序列只能是短序列而又必须是多用户系统的实际情况，提出了一种基于混沌学的两端截断中间抽取二进数字序列产生方法，在其产生的序列矩阵的列中，舍弃前16位和后33位，取其中间位，并将其中的0用－1代替，得到数字混沌序列，其中的一列为一个用户地址序列，行数为用户数。仿真结果表明，在其他条件相同的前提下，本发明所述混沌序列的多用户DS－UWB系统比一般基于m序列的多用户DS－UWB系统有更好的性能。

Description

超宽带通信信号多用户编码方法

技术领域

本发明涉及一种多用户码的编码方法，特别涉及一种超宽带通信信号多用户编码方法，属于电通信技术领域。

背景技术

超宽带(UWB)通信技术因其具有低功率谱密度、低截获概率、低功耗、高数据速率、能有效对抗多径效应、系统设计简单、低成本等优点，近年来倍受国际通信学界的广泛关注。认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术，在新一代移动通信和军事隐蔽通信中也将有极好的应用前景。

目前，已提出了多种用于无线个域网的高速超宽带系统方案，如DS-CDMA和MB-OFDM。但无论采用哪一种超宽带技术，只要是多用户系统，就必然涉及用户码或地址码的设计。一般可沿用CDMA的方法，采用传统的伪随机序列，例如m序列，Gold序列，但对于短序列，m序列的数目非常少，例如周期为N＝15的m序列只有2个，周期N＝63的m序列只有6个，而满足较好互相关特性的m序列优选对则更少，例如周期为N＝15的m序列没有优选对，周期N＝63的m序列优选对只有2个，远远不能满足多用户的需求。Gold序列是m序列线性运算的结果，虽然将可用的序列数增加到N+2，但平衡性不一致。产生平衡Gold的方法也比较复杂，不利于码的构造。另一个不足之处是m序列和Gold序列都很容易通过移位寄存器的构造被破译。现有超宽带系统主要用于室内高速数据传输，序列不能太长，用户数却较多，考虑到现有超宽带系统中采用传统伪随机序列产生方法及其性能上存在的问题，人们一直努力寻找更有效可行的正交序列产生方法。在所有的努力中，混沌序列的产生方法和应用性能研究一直受到了人们的广泛关注。事实上，采用非线性混沌动力学系统来改善短序列的正交性能直观上具有可能性。在文献“An application of Choas：generatingbinary pseudo-random sequences”([A]，Proceedings of ISCAS’88[C]，SanJose.CA：ISCAS，1988：1-3)中，提出了一种基于[0，1]区间混沌映射的二进制序列的二值产生方法，并且证明了混沌二值序列具有白噪声相似的随机性能。但是，该方法产生混沌序列效率低，实时性差，要求混沌序列具有平稳性和各态历经性，且需要进行相应的(-1，1)到(0，1)的混沌映射以消除混沌序列的空间平均值或时间平均值；文献“A chaotic direct-sequence spread spectrum communicationsystem”([J]，IEEE trans.on communications，1994，Vol.42(2/3/4)：1524-1527)中，公开了一种利用混沌系统的初值敏感性，使用混沌序列取代传统二进制伪随机序列码的DS/SS扩频通信模型的方法，并且验证了混沌扩频序列抗噪性能和抗多址干扰性能，但是这种方法使用混沌实值序列取代数字扩频序列，其实用性差；文献“Logistic-Map混沌扩频序列”([J]，电子学报，1997，第25卷(1)：19-23)和“二相混沌扩频序列的产生及其性能分析”([J]，哈尔滨工业大学学报，2003，第35卷(9)：117-1120.)中，分别提出了基于Logistic混沌映射和Chebyshev混沌映射的多位量化方法产生数字二进制混沌序列，并分析了序列的相关函数和互相关函数的均方差统计特性，但是，为了保持混沌性能不变，量化位数均要求足够大，经量化结果拼接形成的序列长度则更长。文献“Communication with chaos via DSP implementation”([A].Proceedings ofISCAS’97[C]，Hong Kong：ISCAS，Jun.9-12，1997，Vol.2：1069-1072)中，对混沌系统的有限字长效应进行了深入地实验研究，其结论是，只要硬件的运算精度大于24位，则有限字长效应对混沌系统性能的影响可以忽略。然而，为了同时兼顾多用户UWB系统的实时性和安全性，对于大于24位以上长度的伪随机序列仍不是理想的序列长度。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种能满足室内数据传输、有效提高系统性能的超宽带通信信号多用户编码方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种超宽带通信信号多用户编码方法，由非线性动力学系统方程产生实值混沌序列信号，用截断数字二进制混沌序列的方法，得到数字混沌序列矩阵，对所述的数字混沌序列矩阵再进行多用户编码处理，步骤为：

(1)舍弃该序列矩阵列中的前16位和后33位，取其中间位；

(2)以列作为一个用户地址序列，行数为用户数，得到多用户编码矩阵；

(3)将其中的0用-1代替；

(4)输入直扩超宽带信号调制器，得到超宽带通信信号多用户编码码字。

所述的非线性动力学系统方程为非线性迭代Logistic方程。

本发明基于混沌学的短序列产生方法，在多值量化方法的基础上，采用中间抽取的截断数字二进制混沌序列的产生方法，在不改变混沌映射系统的有限字长误差的同时，可以有效产生所需长度的伪随机混沌序列，直扩序列信号非相关，类随机而又确定、易于产生和再生，且数量多，满足室内超宽带系统数据传输速率高，直扩序列只能是短序列而又必须是多用户系统的实际需要，具有应用前景。

附图说明

附图1是本发明超宽带通信信号多用户编码方法的流程图；

附图2是本发明低信噪比时，对误码率的影响的对比曲线图；

其中，曲线1为信噪比0dB时采用kasami序列调制冲激波形信号时在接收端接收信号的误码率；曲线2为信噪比0dB时采用混沌子集序列调制冲激波形信号时在接收端接收信号的误码率；曲线3为信噪比1dB时采用kasami序列调制冲激波形信号时在接收端接收信号的误码率；曲线4为信噪比1dB时采用本实施例混沌子集序列调制冲激波形信号时在接收端接收信号的误码率。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案及其效果作进一步描述：

实施例：

参见附图1，它是本实施例超宽带通信信号多用户编码方法的流程图。

1、实值混沌序列的产生：

选择合适的非线性方程，合理调整系统参数使得系统处于混沌状态区间，由非线性迭代x_k+1＝f(x_k)源源不断地产生出混沌信号。本发明采用比较简单的现有技术Logistic映射方法，参见文献：“Deterministic Chaos，AnIntroduction(Second Revised)”.Federal Republic of Germany：VCH，1988)。实值混沌序列信号的计算系统，需CPU具有32位及以上浮点数值计算精度。

2、从实值序列得到数字混沌序列矩阵：

Logistic映射分布在区间(0，1)上，可以把该区间上的小数x写成二进制数表达形式：

$x=\underset{v=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_v{2}^{-(v+1)}=\left(a_0{a}_1{a}_2\mathrm{\Λ}\right),a_v=0\mathrm{or}1$

量化：取前L位近似表示x，舍弃后面的位，有

$\tilde{x}=\underset{v=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_v{2}^{-(v+1)}=\left(a_0{a}_1{a}_2\mathrm{\Λ}{a}_{L-1}\right)=2^{-L}\underset{v=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_v{2}^{(L-1)-v}=2^{-L}X,a_v=0\mathrm{or}1$

其中 $X=\underset{v=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_v{2}^{(L-1)-v}$

X是一个由L位二进制数表示的整数，它与小数

一一对应。参数L的选取有限制，若值太小，计算精度将得不到保证，所得序列将脱离混沌状态。实际计算表明，L＝32时，所产生的序列仍处于混沌态。

3、有限位(m＊n)二进混沌序列矩阵的产生：

由于受计算精度的限制，得到的序列必然呈周期性，对于有限长度的序列，其对应的状态数目也较少，对于小数

一方面，如果其值较小，其对应的X的高位就可能连续数个0，另一方面，量化又使得X的最低位引入了取舍误差，所以X的两端表现出的对实值随机性的破坏成为影响序列性能的重要因素。为此，本发明采用一种两端截断的方法，将实值x的绝对值的有效值用L比特表示：

|x|＝0.b₁(x)b₂(x)Λb_i(x)Λb_L(x)＝0.X，b_i(x)∈(0，1)

则迭代N次得到的实值序列形式为：

4、多用户编码处理：

对上述取其中间的m位，在本实施例中，L＝64位，m＝15位，舍弃矩阵列的前16位和后33位，则可取，i＝17～32，将其中的0用-1代替，生成的矩阵B为：

$B=\left[\begin{array}{cc}{b}_i\left(x_0\right)b_{i+1}\left(x_0\right)L& b_{i+m-1}\left(x_0\right)\\ b_i\left(x_1\right)b_{i+1}\left(x_1\right)L& b_{i+m-1}\left(x_1\right)\\ b_i\left(x_2\right)b_{i+1}\left(x_2\right)L& b_{i+m-1}\left(x_2\right)\\ M& \\ b_i\left(x_N\right)b_{i+1}\left(x_N\right)L& b_{i+m-1}\left(x_N\right)\\ M& \end{array}\right]$

在本实施例中，上述二进制混沌序列矩阵中的一列为一个用户地址序列，行数为用户数。

4、直扩超宽带信号调制：

直扩超宽带(DS-UWB)可表示为

其中，T_m是冲激脉冲的宽度，伪随机码序列{n_j ^(k)}∈{±1}作为扩频码用来调制冲激波形信号w(t)的相位以区别不同用户。

是数字信息，对于一确定的扩频码，数字为“1”，

表现为由L_s个用伪随机码调制的冲激脉冲组成的序列，数字为“0”，

表现为与之反相的冲激脉冲序列。k为用户序号。M表示数据帧长。这里冲激脉冲w(t)为高斯脉冲二阶导数，单个脉冲的间隔为Tm＝0.6ns，采样间隔Ts＝0.2ns，帧长1024比特，Ls＝N＝15。

本发明特别地将B的一列b_M(x₀)b_M(x₁)L b_M(x_N)M＝i，i+1，i+2，L i+m-1用作一个用户地址序列{n_j ^(k)}∈{±1}，行数为用户数m。即将二进数字混沌序列用于超宽带多用户系统。由于序列很短，已不能认为单独的一个序列是混沌的，但b_M(x₀)b_M(x₁)L b_M(x_N)M＝i，i+1，i+2，Li+m-1是矩阵B的一个子集，其间的自相关和互相关特性仍然存在，这里称为混沌子集序列。

本实施例提供的超宽带通信信号多用户编码的接收端可采用自适应MMSE判决反馈均衡器进行接收。

本发明的效果通过与常用方法比较而得到证实。

由于周期为15的m序列只有2个，作为对比的系统采用长度相同的基于m序列生成的互相关性较好的小集合kasami序列。考虑对比时两系统室内密集多径信道完全一致，在本实施例参照现有技术(J.Foerster，Q.Li，“UWB Channel Modeling Contribution from Intel”IEEE P802.15 Wireless PersonalArea Networks IEEE P802.15-02/279r0-SG3a)，设第k个用户的多径信道模型为h^(k)(t)，第k个用户的信道输出为

$y_{\mathrm{DS}}^{\left(k\right)}\left(t\right)=x^{\left(k\right)}\left(t\right)\⊗h^{\left(k\right)}\left(t\right).$

当有K个用户处于激活状态时，接收端得到：

$r_{\mathrm{DS}}\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{DS}}^{\left(k\right)}\left(t\right)+n\left(t\right)$

式中，n(t)为等效高斯白噪声，包括AWGN和来自其他窄带系统的信号对UWB系统的影响。

从而有：混沌DS-UWB系统中经过信道的信号为 ${y_1}_{\mathrm{DS}}^{\left(k\right)}\left(t\right)={x_1}^{\left(k\right)}\left(t\right)\⊗h^{\left(k\right)}\left(t\right),$ 对比系统经过信道的信号为 ${y_2}_{\mathrm{DS}}^{\left(k\right)}\left(t\right)={x_2}^{\left(k\right)}\left(t\right)\⊗h^{\left(k\right)}\left(t\right),$ 接收端得到相应的r_1DS(t)和r_2DS(t)。采用现有技术——自适应MMSE判决反馈均衡器接收技术(一种较低复杂度的UWB信道自适应均衡技术[J]，通信学报，2005，第26卷(10)：13-17)进行接收端仿真，冲激脉冲为高斯脉冲二阶导数，单个脉冲的间隔为Tm＝0.6ns，采样间隔Ts＝0.2ns，帧长1024比特，得到如附图2所示结果。

参见附图2，图中，曲线1为信噪比0dB时采用kasami序列调制冲激波形信号时在接收端接收信号的误码率；曲线2为信噪比0dB时采用混沌子集序列调制冲激波形信号时在接收端接收信号的误码率；曲线3为信噪比1dB时采用kasami序列调制冲激波形信号时在接收端接收信号的误码率；曲线4为信噪比1dB时采用本实施例混沌子集序列调制冲激波形信号时在接收端接收信号的误码率。由图2表明，在信噪比和用户数相同的情况下，本发明的UWB多用户编码信号表示方法比常用方法在接收端有更低的误码率。

本发明针对室内超宽带系统数据传输速率高，直扩序列只能是短序列而又必须是多用户系统的实际情况，提出了一种基于混沌学的两端截断中间抽取二进数字序列产生方法，通过混沌系统对初始相位的敏感的依赖性，可以提供数量远多于m序列，非相关，类随机而又确定、易于产生和再生的直扩序列信号。例如不同的初值产生的混沌集合对应不同的室内系统，一个混沌集合中的一个混沌实值对应一个用户序列号，这在利用线性移位寄存器产生伪随机序列时是做不到的。按本发明技术方案建立的基于截断混沌序列的多用户DS-UWB系统，接收端采用自适应MMSE判决反馈均衡器进行接收。仿真结果表明，在其他条件相同的前提下，基于截断混沌序列的多用户DS-UWB系统比一般基于m序列的多用户DS-UWB系统有更好的性能。

Claims (2)

1.一种超宽带通信信号多用户编码方法，由非线性动力学系统方程产生实值混沌序列信号，用截断数字二进制混沌序列的方法，得到数字混沌序列矩阵，其特征在于，对所述的数字混沌序列矩阵再进行多用户编码处理，步骤为：

(1)舍弃该序列矩阵列中的前16位和后33位，取其中间位；

(2)以列作为一个用户地址序列，行数为用户数，得到多用户编码矩阵；

(3)将其中的0用-1代替；

(4)输入直扩超宽带信号调制器，得到超宽带通信信号多用户编码码字。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带通信信号多用户编码方法，其特征在于：所述的非线性动力学系统方程为非线性迭代Logistic方程。

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