CN104065470A - 一种混沌无线通信及发送编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混沌无线通信方法,用来传输二进制信号,将要发送的数据转换成双极性二进制序列;给该双极性二进制序列后添加补充码,得到补充码二进制序列;将补充码二进制序列转换成脉冲控制序列;将脉冲控制序列施加到一个具有特定回归映射结构的混沌系统产生信道中传输的混沌信号;通过接收到的信号构建回归映射,并根据回归映射点的相对位置恢复发送信息。本发明还公开了一种无线发送编码方法。本发明的方法,能够有效克服无线信道中的多径干扰,同时信道中传输的信号具有宽频谱特性,较好地利用了信道带宽进行无线通信和信息传输,信号编码方式简单,信道中传输信号为宽频谱混沌信号。
Description
技术领域
本发明属于信息和通信技术领域,涉及一种混沌无线通信方法,本发明还涉及一种无线发送编码方法。
背景技术
从卫星通信、水声通信、手机移动通信到无线Wi-Fi网络,无线通信是当今社会依赖的最重要的通信手段之一。然而无线信道会给传输信息的信号带来干扰、噪声和信号畸变,比如信号的衰减、相移、多径传输和多普勒频移。信号的衰减是指信号的幅值将随着传播距离的增加而衰减;信号的相移是指信号通过有限带宽的信道时,信道对信号产生的滤波作用;多径传输是同一个信号由于传输介质的折射和反射等因素影响而经过不同的路径到达接收端,并在接收端得到不同时延和衰减信号的叠加造成的严重信号畸变;多普勒频移是指接收端和发射端具有相对运动时,会使得信号的频率发生变化。如何从接收到的信号中高效地识别发送的信息仍然是无线通信中具有挑战性的课题。
混沌信号具有对初始条件敏感、宽频谱特性和容易产生等特点,这些特点使得混沌信号很适合通信应用。混沌通信目前主要有混沌键控、混沌掩模、混沌调制和混沌符号动力学通信方法,但大多数现有混沌通信方法只考虑了理想信道的情况。由于无线信道具有的上述特点,现有技术中的混沌信号在无线信道中传输将造成极大的畸变,使得混沌无线通信的研究很少。
发明内容
本发明目的是提供一种混沌无线通信方法,该方法在信道中传输宽带混沌信号,能够减小多径干扰的影响。
本发明另一目的是提供一种无线发送编码方法。
本发明采用的技术方案是:一种混沌无线通信方法,该方法包括:
将要发送的数据转换成双极性二进制序列;
给该双极性二进制序列后添加补充码,得到补充码二进制序列;
将补充码二进制序列转换成脉冲控制序列;
将脉冲控制序列施加到一个具有特定回归映射结构的混沌系统产生信道中传输的混沌信号;
通过接收到的信号构建回归映射,并根据回归映射点的相对位置恢复发送信息。
本发明采用的另一技术方案是:一种无线发送编码方法,该方法用于传输二进制信息,
将要发送的数据转换成双极性二进制序列;
给该双极性二进制序列后添加补充码,得到补充码二进制序列;
将补充码二进制序列转换成脉冲控制序列;
将脉冲控制序列施加到一个具有特定回归映射结构的混沌系统产生信道中传输的混沌信号。
本发明的方法,能够克服无线信道的多径传输干扰,信道中传输宽频谱的混沌信号。由于混沌信号经过无线信道传输后其正的Lyapunov指数不变,接收到信号的回归映射与发射信号的回归映射结构相同。如果传输信号具有恒定的斜率,那么接收信号的回归映射也具有恒定斜率,因此,解码和编码可以采用相同的规则。该方法的具体优点包括:
1)信号编码方式简单,信道中传输信号为宽频谱混沌信号。
2)通信方法能够有效克服多径传输产生的影响。
附图说明
图1是待发送的二进制信息序列;
图2是采用本发明方法编制的待发送双极性二进制信息序列;
图3是本发明方法发射信号得到的混沌吸引子相图;
图4是本发明方法发射信号的时间序列波形图;
图5是本发明方法发射信号的回归映射;
图6是本发明方法接收信号的回归映射;
图7是本发明方法发送信息的示意图;
图8是本发明方法解码信息的示意图;
图9是本发明方法实施例的误码率与噪声幅值的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的混沌无线通信方法和无线发送编码方法,均涉及编码和解码两大模块,
其中编码模块采用一个微处理器用于输入待发送信息和通过脉冲控制来产生信道中传输的混沌信号;
解码模块采用一个微处理器来接收通过信道传递来的信号和通过简单的阈值判断,解码发送信息。
本发明的混沌无线通信方法和无线发送编码方法,采用具有特定结构回归映射的混沌系统和脉冲控制产生发送信号,所采用的混沌系统表达式为:
其中x为系统状态变量,是连续变量;0<ζ≤ln2和ω=2πf,γ用来进行基频变换,当时刻, 其它时刻保持不变;s为离散变量,取值为-1或1;
公式(1)是由连续状态量x和离散开关信号s相互作用的混杂系统;γ是时间变换系数用来将时间变换到新的时间坐标t(γ),满足dt(γ)=γdt(γ=1),如果γ>1则基频变小,否则变大。这个时间变换用来使得传输信号不受信道带宽有限的影响。以下所有公式都是经过时间变换后的结果,即t=t(γ),ω=ω(γ),f=f(γ),公式(1)的解是:
其中t表示时间;n=floor(ft),表示为时间ft的整数部分;sn即为s在ft=n时刻的采样值;f为公式(1)中ω对应的频率,
对公式(2)按照采样周期Ts=1f进行采样,能够得到:
xn即为x在ft=n时刻的采样值,由公式(3)得到:
若n→∞,则得到初始值x0与将来采样值si的关系式:
由上面推导可知,若已知将来出现的所有符号si,就能够确定一个唯一的初始值与它们一一对应。
本发明的混沌无线通信方法,能够将信息或数据以混沌信号的形式在无线信道中传输,具体按照以下5个步骤实施:
步骤1、对发送数据进行预处理
将需要发送的信息或数据转换成二进制信息序列C=[c(1),c(2),…c(N)],N是待发送信息的个数,作为一个实施例考虑传输信息为“Chaoscommunication”,能够将字符逐个转换成ASCII码,如“C”的ASCII码为01000011(二进制),组合到一起则得到二进制信息序列C=[0,1,0,0,0,0,1,1,0,1,1,0,1,0,0,0,0,1,1,0,0,0,0,1,0,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,1,0,0,1,1,0,0,1,0,0,0,0,0,0,1,1,0,0,0,1,1,0,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,0,1,1,0,1,1,0,1,0,1,1,1,0,1,0,1,0,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,0,1,0,0,1,0,1,1,0,0,0,1,1,0,1,1,0,0,0,0,1,0,1,1,1,0,1,0,0,0,1,1,0,1,0,0,1,0,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,0,1,1,1,0],如图1所示。
再利用公式cs(i)=2c(i)-1,将二进制信息序列转换为双极性二进制信息序列,记为Cs=[cs(1),cs(2),…cs(N)],对于上面的信息,得到对应的双极性二进制信息序列Cs=[-1,1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,1,1,1,1,-1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,1,-1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,-1,1,-1,1,-1,1,1,-1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,1,1,-1],如图2所示。
将双极性二进制信息序列最后随机补充M个1或-1,得到发送数据,称为补充码二进制序列:
C′s=[cs(1),cs(2),…cs(N),c′s(N+1),…,c′s(N+M)],
其中的c′s(N+1),…,c′s(N+M)均为补充码。
上述的M数值的确定方法是:
设N1为预测初值需要考虑的码位长度,Nc<N1是脉冲控制间隔,若mod(N,N1)≤Nc,其中mod(N,N1)表示N除以N1取余数,则补充码个数M=N1-mod(N,N1);若mod(N,N1)>Nc,则补充码个数M=Nc+N1-mod(N,N1);补充码用来得到最后一个要发送数据的对应的准确控制量,控制间隔Nc满足Nc<(lnE+Bc)/(λ1Ts),其中Bc为计算机浮点数计算字长,E为解码器码极性判断阈值,λ1是公式(1)系统的正Lyapunov指数。
脉冲控制的作用是节省发射能量,避免由于系统的噪声和混沌对初始条件的敏感性而产生错误的发射信号,同时也保证了发射设备在有限浮点数表示字长的情况下能够准确计算发射信号。如果需要编码的si信息越多,采用公式(4)进行编码,要求字长就越长。本发明实施例中采用有限字长来编码N1位二进制信息,经过Nc=N1/2个码元周期(Ts),相对于后面N1个周期的初始值x0(jNc)=xe(j)通过(4)重新计算,这个初始值能够编码待传输Nc位信息。由于要发送的信息通常不是Nc的整数倍,由于需要N1个符号计算准确的初始值,因此补充码用来提供计算最后剩余不足Nc个码元需要计算初始时所需的二进制位数。
如果公式(1)的正Lyapunov指数为λ1(γ),发射装置的浮点计算字长为Bc位,这意味着能够以的精度处理一个实数,则一个初始偏差经过Nc个周期将被放大至为了能够准确解码发送的信息,这个被放大的误差不能大于“0”和“1”之间的解码阈值E,因此,于是有Nc<(lnE+Bc)/(λ1(γ)Ts(γ)),初始值用N1>Nc个符号计算能够得到更好的结果。
对于上面实施例,当N=19*8=152时,其回归映射如图5所示,此时E≈0.1,取Bc=16,则Nc<13,取Nc=10,N1=20,
则此时补充码的个数M=Nc+N1-mod(N,N1)=10+20-12=18,随机产生18个1或-1的随机数补充在Cs后,对于上面的实施例则得到:C′s=[-1,1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,1,1,1,1,-1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,1,-1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,-1,1,-1,1,-1,1,1,-1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,1,1,-1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,1,1,1,1,-1,1,-1,-1,1,1],至此,发送数据准备完毕。
步骤2、将补充码二进制序列C′s转换成期望的初始值序列(或称为脉冲控制序列)
计算j=0,1,...,Ns,Ns=(N+M)/Nc-2,得到期望的初始值串xe=[xe(0),xe(1),…,xe(Ns)];
如步骤1中的实施例,计算得到
顺序计算下去则得到:
xe=[xe(0),xe(1),xe(2),…,x(15)]=[-0.4734,0.2619,-0.8206,…,-0.5849]。
步骤3、将脉冲控制序列施加到混沌系统产生信道中传输的混沌信号(进行信息编码,即准备发送信号)
公式(1)中的参数选择,ζ决定发送信号的信息容量,在此取ζ=ln2,以便获得最大信息容量;γ决定发送信息的频带,为保证混沌信号中的信息不被改变,要求公式(1)的第三个(负的)李亚谱诺夫指数λ3(γ)满足条件|λ3(γ)|≤α,α为信道带宽参数,由于这个李亚谱诺夫指数λ3(γ)与γ有关,改变γ可改变信号频带,为了充分利用信道带宽传输信息,
取γ=|λ3(1)α, (6)
这里时间变换系数按公式(6)选取,能够保证产生的混沌信号具有最大带宽,这个通信系统在发送和接收之间没有相对位移的情况下的信息传输速率是λ1(1)(γln2)bits/Ts,
令初始值s0=sign(xe(0)),x0=xe(0),按照离散步长Δt=1/fN2计算公式(2)表示的发射信号的离散值x(kΔt),N2≥100为正整数,若k≤NsN2Nc,则每当k=jN2Nc-1(j=1,...,Ns)时,令x((jN2Nc-1)Δt)=xe(j),,否则,按公式(2)计算;
这样得到经过编码的混沌信号,该信号将通过信道传送出去。
如步骤1中的实施例,取N2=100,f=1,初始值s0=sign(xe(0))=-1,x0=xe(0)=-0.4734,则按照步长Δt=1/fN2=0.01计算公式(2)得到x(kΔt),当计算到x(999Δt)时,将x(999Δt)用xe(1)代替,同时令s9=sgn(xe(1)),当计算到x(1999Δt)时,将x(1999Δt)用xe(2)代替,同时令s19=sgn(xe(2)),继续下面计算,依次类推,能够得到整个序列x(0Δt),x(1Δt),…x(((N+M)×N2-1)Δt),该序列即为发送序列。实施例中,发送序列的相图和时间序列图分别如图3、图4所示,其中图3的横坐标为x,纵坐标为dx/dt,图4的横坐标为时间,纵坐标为x。
步骤4、利用接收信号计算回归映射
对应设置的信号接收端收到经过信道传送来的信号xR(t),按采样步长Δt=1/fN2进行采样,得到采样序列xR(kΔt),记为xR(k),令xRS(0)=x0,xRS(l)=xR(lN2-N3),l=1,2,…N,xRS(l)为接收到的符号序列,N3为远小于N2的正整数,则能够得到回归映射点R(l)=(xRS(l-1),xRS(l)),将回归映射点看作一个二维坐标点,则能够在二维平面上画出对应l=1,2,…N所有接收信号回归映射点,类似地,对于发送信号也能够得到回归映射点。
上述的步骤3实施例中得到的发送序列经过无线信道传输,信道模型为:
其中xR为接收信号,x为发送信号,L多径个数,τj为第j个多径的时间延迟,为第j个多径对应的信号衰减,α描述了信道的带宽。
该实施例中取值分别为:L=3,β=0.9,α=40,τ1=2,τ2=3,τ3=5,N3=5,发送信号的回归映射和接收信号的回归映射如图5和图6所示。显然图5和图6中的回归映射的斜率相同,意味着接收信号和发射信号的最大Lyapunov指数不变。
步骤5、根据回归映射点的相对位置恢复发送信息(对接收信号的码值进行判别)
对于回归映射点R(l)=(xRS(l-1),xRS(l)),若xRS(l-1)≤xRS(l)则对应接收到信息S(l)=1,否则S(l)=-1,随着l增加依次判断就得到对应发送信息的接收信息S=[s(1),s(2),…,s(N)],即得到对应C=[(s(1)+1)/2,(s(2)+1)/2,…(s(N)+1)/2],即成。
对于上述步骤1-4的实施例,根据步骤5可知,得到解码的信息(如图7)和对应发射的信息(如图8),可见本发明方法的发送与接收信息完全一致。
上述的步骤1-5构成本发明的混沌无线通信方法,相应地,步骤1-3构成了本发明的无线发送编码方法。
本发明方法在实验时在发送信息中加入均匀分布有界噪声,得到在不同噪声幅值情况下的通信误码率的曲线如图9。图9中的横坐标为噪声幅值,纵坐标为误码率,可见,在噪声信号幅值小于0.6(噪声为信号幅值的12%)的情况下,传输误码率很低,充分说明本发明方法在具有噪声的无线信道中能够有效传输信息。
上面的实施例仅是一个说明,实际中该发明能以多种不同的方式实施。
Claims (10)
1.一种混沌无线通信方法,该方法用来传输二进制信号,其特征在于,
将要发送的数据转换成双极性二进制序列;
给该双极性二进制序列后添加补充码,得到补充码二进制序列;
将补充码二进制序列转换成脉冲控制序列;
将脉冲控制序列施加到一个具有特定回归映射结构的混沌系统产生信道中传输的混沌信号;
通过接收到的信号构建回归映射,并根据回归映射点的相对位置恢复发送信息。
2.根据权利要求1所述的混沌无线通信方法,其特征在于,该方法所依据的混沌系统表达式为:
其中为x连续状态变量,s为离散变量,ω=2πf,γ是时间坐标变换系数。
3.根据权利要求2所述的混沌无线通信方法,其特征在于,混沌系统表达公式(1)中的解如下:
其中n=floor(ft),表示为时间ft的整数部分,sn即为s在ft=n时刻的采样值,所有变量都在经过变换后的新时间坐标中。
4.根据权利要求3所述的混沌无线通信方法,其特征在于,0<ζ≤ln2和ω=2πf为参数,当时, 其它时刻保持不变;并且γ=|λ3(1)|α。
5.根据权利要求1-4任一项所述的混沌无线通信方法,其特征在于,在待发送的双极性二进制信息序列后添加由M个随机产生的-1和1构成的补充码构成补充码序列C′s=[cs(1),cs(2),…cs(N),c′s(N+1),…,c′s(N+M)],其中的c′s(N+1),…c′s,(N+M)为补充码,
设N1为预测初值需要考虑的码值长度,选择Nc<N1为脉冲控制间隔,若mod(N,N1)≤Nc,其中mod(N,N1)表示N除以N1取余数,则补充码个数M=N1-mod(N,N1);若mod(N,N1)>Nc,则补充码个数M=Nc+N1-mod(N,N1);补充码用来得到最后一个要发送数据的对应的准确控制量,控制间隔Nc满足Nc<(lnE+Bc)(λ1(γ)Ts(γ)),其中Bc为浮点数计算精度,E为解码器码极性判断阈值。
6.根据权利要求5所述的混沌无线通信方法,其特征在于,
将补充码双极性二进制序列转换成期望的初始值序列,按照计算,j=0,1,...,Ns,Ns=(N+M)/Nc-2,得到期望的初始值序列xe=[xe(0),xe(1),…,xe(Ns)],令初始值s0=sign(xe(0)),x0=xe(0),按照离散步长Δt=1/fN2计算公式(2)表示的发射信号的离散值x(kΔt),N2≥100为正整数,若k≤NsN2Nc,则每当k=j2NcN-1(j=1,...,Ns)时,令x((jN2Nc-1)Δt)=xe(j),,否则,按公式(2)计算,从而得到发送信号。
7.根据权利要求6所述的混沌无线通信方法,其特征在于,
接收到混沌信号xR(t)后,
按采样步长Δt=1/fN2进行采样,得到采样序列xR(kΔt),记为xR(k),
计算回归映射点,令xRS(0)=x0,xRS(l)=xR(lN2-N3),l=1,2,…N,xRS(l)为接收到的符号序列,N3为远小于N2的正整数,
则能够得到回归映射点R(l)=(xRS(l-1),xRS(l)),将回归映射点看作一个二维坐标点,则能够在二维平面上画出对应l=1,2,…N所有接收信号回归映射点;
对于回归映射点R(l)=(xRS(l-1),xRS(l)),
若xRS(l-1)≤xRS(l)则对应接收到信息S(l)=1,否则S(l)=0,随着l增加依次判断就得到接收信息S=[s(1),s(2),…,s(N)],即得到发送信息C=[(s(1)+1)/2,(s(2)+1)/2,…(s(N)+1/)2],即成。
8.根据权利要求1所述的混沌无线通信方法,其特征在于,包括编码和解码两大模块,
其中编码模块采用一个微处理器用于输入待发送信息和通过脉冲控制来产生信道中传输的混沌信号;
解码模块采用一个微处理器来接收通过信道传递来的信号和通过简单的阈值判断,解码发送信息。
9.一种无线发送编码方法,该方法用于传输二进制信息,其特征在于:
将要发送的数据转换成双极性二进制序列;
给该双极性二进制序列后添加补充码,得到补充码二进制序列;
将补充码二进制序列转换成脉冲控制序列;
将脉冲控制序列施加到一个具有特定回归映射结构的混沌系统产生信道中传输的混沌信号。
10.根据权利要求9所述的无线发送编码方法,其特征在于,采用权利要求2、3、4、5和6所述方法进行发送信息编码。
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