CN108028669A - 在数字混沌协作网络中通信数据的方法和设备 - Google Patents

在数字混沌协作网络中通信数据的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明教导了一种用于协作地联网数字混沌传输的系统和方法。本发明涉及使用产生的数字混沌序列作为发射侧的扩频序列，接收接收侧的扩频信号和解扩该信号，恢复接收侧的信号，将数字混沌扩频码的存储复制与用于发射侧的数字混沌扩频码进行对比，以根据预定标准判断所述信号是否属于预设组，并且根据其组成员分配将信号转发到组成员。

Description

在数字混沌协作网络中通信数据的方法和设备
关于联邦资助的研究或开发的声明
本发明部分使用通过陆军小企业创新研究的拨款获得的资金来生产。因此，联邦政府对本发明享有一定的权利。
技术领域
本发明一般涉及无线通信系统和嵌入式无线系统。特别地，本发明涉及将数字信号和数字信息嵌入到数字混沌波形中。本发明还涉及无线通信系统和嵌入式无线系统,其中在发射器处具有多个信号聚合以及在接收器处具有多个检测，其中数字信号和数字信息被嵌入到多个数字混乱波形内。此外，本发明涉及通过无线传输协作地联网数字混沌信号。
背景技术
通信系统中的无线通信设备与其他无线通信设备直接或间接通信。对于直接的点对点通信，参与的无线通信设备将其接收器和发射器调谐到相同的信道并通过这些信道进行通信。对于间接无线通信，每个无线通信设备通过分配的信道直接与关联的基站和/或接入点通信。
参与无线通信的每个无线通信设备包括内置无线电收发器(即，发射器和接收器)或耦合到相关联的无线电收发器。通常，发射器包括用于发射射频(RF)信号的一个天线，所述射频信号由接收器的一个或多个天线接收。当接收器包括两个或更多个天线时，接收器选择其中一个天线来接收输入的RF信号。在一个天线的发射器和一个天线的接收器之间的这种类型的无线通信被称为单输出单输入(SISO)通信。
众所周知的通信系统通过降低数据速率并从而增加码元持续时间和/或增加发射功率来在SISO系统上提供范围扩展。然而，增加发射功率会对共享网络的其他用户造成更多的干扰。改善距离接收的优选方法不会导致网络容量下降。对于流行的多载波系统(如SISO WLANs)，通过采用802.11a/802.11g信号并降低码元速率来实现距离的改善。具体而言，802.11ah是IEEE802.11-2007无线网络标准的修改范围扩展。修订的目标是优化特定信道化的速率与范围性能。提出了一种实现范围扩展的方法：将802.11a/802.11g物理层下采样为26个信道。当码元时钟除以26时，每个码元持续时间变为104μββο，并且每个子载波的相应速率变为12kbps。保持其它系统参数相同(例如，数据载体的数目，循环前缀百分比等)，信号的带宽以及接收器处的集成热噪声功率被降低。因此，对于与802.1la/802.1lg相同的发射功率，热噪基底会减少10*log10(26)。这使接收器的灵敏度达到了14dB的“增益”，相当于现有WLAN的范围改善了至少5倍。所需要的是一种通信设备，系统和方法，其增加了用于特定应用的现有WLAN的传输范围，而不会影响数据速率，并且增加了灵活性以适应高连接性环境的新市场。合适的发明将改进目标设备的传输特性而不会对其它附近的无线系统和设备造成更多干扰。
因此，需要一种用于改善接收范围的方法，其不会导致网络容量降低或者增加无线设备的干扰敏感性。
一般而言，符合IEEE802.11a和802.11g或“802.11g”以及802.11n的标准的传输系统使用映射到64位正交幅度调制(QAM)多载波丛的正交频分调制(OFDM)编码码元来实现其高数据传输速率。从一般意义上来说，OFDM的使用将整个系统带宽划分为多个频率子带或信道，其中每个频率子带与可在其上调制数据的相应子载波相关联。因此，OFDM系统的每个频率子带可被视为在其内发送数据的独立传输信道，从而增加通信系统的整体吞吐量或传输速率。同样，由完全正交的高速混沌扩频码组成的多码扩频系统可以用来提高SISO系统的整体吞吐量或传输速率，其中所述完全正交的高速混沌扩频码传输独立的调制数据。高速“扩展信号”属于被称为伪噪声(FN)或伪随机信号的信号类别。这类信号具有良好的自相关和互相关特性，使得不同的PN序列几乎相互正交。这些PN序列的自相关和互相关特性允许原始信息承载在发射器处传播的信号。
符合前述802.11a/802.11g/802.11n标准以及诸如802.16a IEEE标准的其他标准的无线通信系统中所使用的发射器通常执行多载波OFDM码元编码(其可以包括纠错编码和交织)，使用逆快速傅里叶变换(IFFT)技术将编码的码元转换到时域中，并对信号执行数模转换和传统的射频(RF)上变频。这些发射器然后在适当的功率放大之后将调制的和未转换的信号传输到一个或多个接收器，从而产生具有高峰均比(PAR)的相对高速的时域信号。
用于直接序列扩频(DSSS)无线通信系统，例如符合商用电信标准WCDMA和CDMA2000的系统的发射器在纠错，交织之后并且在码元映射之前执行数据比特的高速扩展。之后，数字信号被转换成模拟形式并使用传统的RF上变频方法进行频率转换。所有DSSS信号的组合信号被适当的功率放大并发送给一个或多个接收器。
同样地，符合上述802.11a/802.11g/802.11n和802.16a IEEE标准的无线通信系统中使用的接收器通常包括一RF接收单元，其对接收信号执行RF下变频和滤波(其可以在一个或多个阶段中执行)，以及一基带处理器单元，其处理OFDM编码的码元，码元承载感兴趣的数据。频域中呈现的每个OFDM码元的数字形式在基带下变频，传统的模数转换和接收的时域信号的快速傅里叶变换之后被恢复。而用于接收DSSS的接收器必须在基带下变频之后对高信号进行解扩以恢复原始信息信号频带，但是产生一处理增益，该处理增益等于高速信号与承载信号的信息比率。之后，基带处理器执行解调和频域均衡(FEQ)以恢复发送的码元，然后用适当的FEC解码器，例如维特比解码器处理这些码元，以估计或确定所发送的码元的最可能的标识。然后解码已恢复的并识别的码元流，其可以包括使用许多已知的纠错技术中的任何纠错技术进行解交织和纠错，以产生与发射器发送的原始信号相对应的一组恢复信号。
为了进一步增加可能在通信系统中传播的信号的数量和/或为了补偿与各种传播路径相关的有害效应并且由此改善传输性能，在无线传输系统内使用多个发送和接收天线已是众所周知的。这种系统通常被称为多输入多输出(MIMO)无线传输系统，并且特别地在802.11n IEEE标准和3GPP LTE高级标准内提供。众所周知，MIMO技术的使用使得频谱效率，吞吐量和链路可靠性的显着提高，并且随着MIMO系统内发射和接收天线的数量增加，这些益处通常会增加。
特别地，除了使用OFDM时创建的频道之外，由特定发射器和特定接收器之间的各种发射和接收天线形成的一个MIMO信道包括多个独立的空间信道。众所周知，无线MIMO通信系统可以通过利用由这些空间信道创建的附加维度来传输附加数据来提供改进的性能(例如增加的传输容量)。当然，宽带MIMO系统的空间信道在整个系统带宽上可能经历不同的信道条件(例如，不同的衰落和多径效应)，并且因此可能在整个系统带宽的不同的频率处(即在不同的OFDM频率子带上)实现不同的信噪比(SNR)。因此，对于特定的性能等级，可以使用每个空间信道的不同频率子带传输的每个调制码元的信息比特的数量(即，数据速率)在每个频率子带上可以不同。尽管DSSS信号占用整个信道频带，但对于特定的性能等级而言，可以使用每个空间信道的不同的DSSS序列传输的每个调制码元的信息比特的数量(即，数据速率)。
在使用典型方案的MIMO-OFDM通信系统中，可以由多载波调制引起高峰均功率比(PAPR)。也就是说，因为数据是通过MIMO-OFDM方案中的多载波来传输的，所以最终的OFDM信号具有通过对每个载波的幅度求和而获得的幅度。当建设性地(零相位差)或破坏性地(χ180相位差)添加载波信号相位时，高PAPR产生。值得注意的是，OFDM信号具有比单载波信号更高的峰均比(PAPR)，所述峰均比通常被称为峰均功率比(PAPR)。因为在时域中，多载波信号是许多窄带信号的总和。在某些时候，这个总和很大，而在其他时候则很小，这意味着信号的峰值明显大于平均值。类似地，MIMO-DSSS方案对于周期序列或二值序列可以具有高PAPR；然而，混沌扩频序列不具有这两个特性之一，因此对于SISO和MIMO操作具有更好的PAPR性能。
对SISO和尤其对MISO无线通信形式的不断增加的依赖会造成可靠性和隐私问题。数据应该从发射器可靠地传输到接收器。特别是，通信应该抗噪声、抗干扰，且不被非预期方拦截。
在过去的几年中，人们越来越关注超宽带(UWB)脉冲无线电(IR)通信系统。这些系统利用产生超宽带信号的超短持续时间的脉冲，所述超宽带信号以极低功率谱密度为特征。UWB-IR系统特别适用于短距离无线通信，因为它们将低复杂度与低功耗，低可探测性(LPD)，抗多径衰落的能力以及多用户功能相结合。
目前的UWB-IR通信系统采用用于信道化目的的伪随机噪声(PN)编码和用于编码二进制信息的脉冲位置调制(PPM)。
其他人已经在基于混沌的通信系统的背景下提出了周期性的脉冲序列。另外的工作依赖于两个混沌系统的自同步属性。在这样的系统中，使用可变的时间延迟将数据调制成脉冲串，并且数据可以通过相干接收器来解码，该相干接收器具有与发射器中使用的发生器匹配的混沌发生器。这种系统在本领域中被称为混沌脉冲位置调制(CPPM)方案。
已经提出这种混沌动态系统来解决通信隐私问题。混沌信号表现出广泛的连续谱，并已经在扩频应用方面进行了研究。混沌信号的不规则性使得拦截和解码变得困难。在很多情况下，对于不具有用于传输的混沌信号的知识的接收器而言，混沌信号难以同噪声和干扰区分开来。在UWB系统的情况下，非周期性(混沌)码的使用通过消除发送的信号的频谱特征来增强系统的扩频特性。这导致低可拦截/检测性(LPI/LPD)，并且可能对其他用户的干扰较小。这使得基于混沌的通信系统更具吸引力。
仍然需要对混沌编码/调制方法进行改进，以产生这样有吸引力的通信系统。一种现有技术，即2005年4月15日授予Maggio等人的美国专利No.6,882,689，试图利用伪混沌编码/调制方法改善混沌编码，该方法利用发射器处的混沌映射的码元动态来编码数据。该方法使用码元动态作为动态系统演变的“粗粒度”描述。状态空间被分区并且一个码元与每个分区相关联。Maggio的发明使用了动态系统的轨迹，并将其分析为一个码元系统。Maggio现有技术的优选发射器接受用于编码的数字数据，并且使用移位寄存器根据混沌映射将数字数据分配到码元状态，以接近伯努利移位图，伯努利移位图充当卷积码，所述卷积码具有等于混沌映射上所定义的码元状态的多个状态。伪混沌编码的数据在发送信号中被转换成模拟形式，并被调制成同步帧。
Maggio现有技术的局限性在于其仅使用基于所发送的数据生成的一个混沌映射(例如，伯努利移位映射)。通过将映射限制在伯努利移位，在对波形进行长期的观察后，在每个传输或重复码元中重复的信息可被识别。一旦受危害，所有未来的数据都可被敌对系统检测到并被解码。
教导混沌编码/调制方法的另一现有技术系统在本申请发明人共同发明的美国申请No.13/190,478(“478专利”)中进行了描述，并且其全部内容通过引用的方式并入本文。'478申请的系统教导了一种通过数字混沌扩频序列来无线传输数据的系统、设备和方法。'478申请的系统教导了在发射器和接收器中的易失性存储器中构造和存储数字混沌扩频码序列。'478申请的系统消除了在接收器中产生数字混沌扩频码序列的需要。与用于发送数字信息的混沌扩频序列相对应的信息被接收器接收，用于识别用于获得编码信息的混沌扩频码序列。'478申请的系统进一步消除了对伯努利移位映射的依赖，因此教导了一种敌对系统不易检测到的系统。
虽然'478申请的系统解决了现有技术中存在的许多问题，但是该系统对SISO系统的适用性具有局限性。'478申请中公开的接收器即使在存在其他用户或外部干扰的情况下也检测并处理单个用户的一个数据流。因此，'478申请对联合处理在接收器处检测到的多个信号的传输系统是无用的。例如，多个信号的联合处理允许增加容量并且还增强MIMO系统的接收。
通常，无线通信中最根本的问题在于如何通过信道来有效而可靠地传输数据。近年来积极研究的下一代多媒体移动通信系统需要一种高速通信系统，其能够处理和传输诸如图像和无线数据的各种形式的信息，且与提供基于语音服务的最初的通信系统不同。
然后，根据现有技术，所需要的是一种系统和方法，其不会为了距离而牺牲数据速率，提供增强的鲁棒性，同时还能改善LPI/LPD。进一步需要一种系统和方法，其在检测和接收多个信号的系统中表现出相同的积极改进。
发明内容
本发明教导了现有技术中没有的改进。在一个方面，本发明教导了一种通过无线传输协作地联网数字混沌信号的方法，包括：
a.在接收侧接收多个不同数据信号，其中所述多个不同数据信号中的每一个数据信号在发送侧用不同的混沌序列进行调制，其中在发送侧所述多个不同数据信号中的每一个数据信号的调制使用一个产生的数字混沌序列数据库进行，数字混沌序列数据库具有多个数字混沌序列，其中用于产生数字混沌序列数据库的方法包括：记录具有非线性动态的无特征波形，缓冲所记录的无特征波形，对固定数目的样本进行采样以用于所述缓冲的无特征波形的特定扩频因子，针对特定扩频因子存储固定数量的样本的可变数量组，以形成数字混沌序列数据库的条目，使得针对特定扩频因子的固定数量的样本组不同，各组之间互相关性低，然后利用Gram-Schmidt过程处理所有固定数量的样本组，
b.在接收侧解调多个不同的数据信号中的每一个数据信号以提取多个不同的用户数据信号，
c.验证不同的用户数据信号中的至少一个用户数据信号被寻址到所述接收侧，根据所述不同的用户数据信号中的至少一个用户数据信号是否被寻址到多组接收侧中的一组不同的接收侧来处理所述不同的用户数据信号中的至少一个用户数据信号，其中所述多组接收侧包括作为组成员接收多个不同的数据信号的接收侧，
d.验证多个提取的多个不同用户数据信号未寻址到接收侧，
e.将未寻址到接收侧的多个提取的多个不同的用户数据信号进行聚合，以创建新的聚合的数据信号，所述新的聚合的数据信号包括未寻址到接收侧的提取的多个不同的用户数据信号的聚合，其中，接收侧的多个不同的用户数据信号一起进行信号处理，以对抗无线介质的影响和相互干扰，提高对所有活动的不同用户数据信号的检测，
f.传输未寻址到接收侧的聚合的多个提取的多个不同的用户数据信号，其中传输时间是一致的，并且在下一个传输机会处(Txop)或者在接收侧已知的由延迟和中断容忍协议指定的时间内通过无线介质再次进行传输。
在另一方面，本发明提供了一种通过无线传输协作地联网数字混沌信号的方法，包括：
a.接收具有多个不同数据信号的聚合数据信号，所述多个不同数据信号包含源自多个用户的不同用户数据信号，其中所述多个不同数据信号中的每一个数据信号在发送侧用不同的混沌序列进行调制，
b.在接收侧解调所述多个不同的数据信号中的每一个数据信号以提取不同的用户数据信号，使用产生的数字混沌序列数据库来进行数据信号的调制，其中产生数字混沌序列包括：将具有非线性动态的无特征波形记录在存储器中，缓冲无特征波形，针对所述缓冲的无特征波形的特定扩频因子对固定数量的样本进行采样，针对特定扩频因子存储固定数量的样本的可变数量组，以形成所述数据库的条目，使得针对特定扩频因子的固定数量的样本组不同，各组之间互相关性低，然后利用Gram-Schmidt过程处理所有组段，以协作的方式进行操作以便为共享无线介质的所有用户提高整体网络容量，其中未寻址到接收侧的所述提取的不同的用户数据信号在下一个传输机会处(Txop)或者在接收侧已知的由延迟和中断容忍协议指定的时间内通过无线介质被聚合，时间一致，且再次进行传输，和
c.根据特定组类的成员资格或非成员资格，对所提取的不同用户数据信号进行信号处理。
又一方面，本发明教导了一种通过无线传输协作地联网数字混沌信号的方法，包括：
a.在接收侧接收数据信号，其中在发送侧用不同的混沌序列对所述数据信号进行调制，
b.在接收侧解调数据信号以提取不同的用户数据信号，使用产生的数字混沌序列数据库来执行对数据信号的调制，其中产生数字混沌序列包括：将具有非线性动态的无特征波形记录在存储器中，缓冲所述无特征波形，针对所述缓冲的无特征波形的特定扩频因子对固定数目的样本进行采样，针对特定扩频因子存储固定数量的样本的可变数量组以形成数据库的条目，使得针对特定扩频因子的固定数量的样本组不同，各组之间互相关性低，然后利用Gram-Schmidt过程处理所有组段，
c.根据特定组类的成员资格或非成员资格，对所提取的不同用户数据信号进行处理，
d.信号处理所提取的不同的用户数据信号，以在无线介质上以协作的方式进行操作，使得它模仿来自共同原始源的传输并且提高到至少一个第二接收器的总体网络容量，以用于所有活动用于，其中所述处理的信号，未寻址到第二接收器的提取的不同的用户数据信号在下一个传输机会处(Txop)或者在接收侧已知的由延迟和中断容忍协议指定的时间内通过无线介质被聚合，时间一致且再次进行传输。
又一方面，本发明教导了一种用于使用不同的数字混沌扩频序列来无线地传输多个数据以便协作地无线传输数据的系统、设备和方法。在一个方面，本发明教导构建和存储多个数字混沌扩频码序列。
在本发明的另一方面中，基于预期的应用来选择数字混沌波形。例如，嵌入在高比特率和高功率信号中的功率信号内的极低信息比特率的传输需要数字混沌扩频码序列，其特征为单峰自相关，低自相关旁瓣，极低的互相关和具有极低的谱线密度的非常宽的频谱范围。特定的数字混沌波形族，如伯努利映射，陈氏系统或池田映射等。
在本发明的另一方面中，将多个构造的数字混沌扩频码存储在易失性存储器中。
在单个组内，易失性存储器包括用于存储长度为N的多个构造的数字混沌扩频序列的分配。数字混沌存储器分配可以被划分成M组的相同数量的长度为N的数字混沌扩频码序列。用户被分配一个索引存储内存的组ID。这些组可以按顺序编入索引。顺序排序可以是已知的顺序，例如自然数的正式排序(例如，1,2,3...)。但是，排序不需要是连续的。对于当前用户索引号码的唯一要求是它将存储器位置的pth组进行排序，所述pth组与存储在发射器和接收器中的组id p相关联，以便提供在发射器处的所选择的数字混沌扩频码序列和在接收器处检测到并已恢复的索引之间的一对一的对应关系。
又一方面，本发明公开了一种数据载荷，其中当包括前导码并且包括中间码时，所述数据载荷被构建为使得可以在一个或多个位置处检测到多个嵌入信号，而不干扰每个成分信号的固有性能。数据载荷可以由至少一个非数字混沌封装信号和作为协作网络协议一部分的至少一个数字混沌封装信号组成。前导码和中间码也是通过在下一个码元周期中重复码元的数字混沌序列来构造的，所述码元的数字混沌序列翻转数字混沌序列的副本。
又一方面，本发明教导了一种包括存储多个数字混沌序列的易失性存储器的发射器系统。
又一方面，本发明教导了一种包括存储多个数字混沌序列的易失性存储器的接收器系统。
又一方面，本发明教导了一种使用数字混沌扩频序列来传输数据的系统。
另一方面，本发明公开了一种基于复制周期上的相对幅度用于在网络的前导码和中间码中嵌入控制信息的方法。使用预先选择的数字混沌序列来传递该控制信息。
又一方面，本发明教导了一种用于选择数字混沌波形的方法，该数字混沌波形用于数字混沌扩频序列中。
又一方面，本发明教导了一种用于将多个不同通信信号嵌入数字混沌通信波形内的方法，数字混沌通信波形源自单个天线子系统。关于该方面的方法可以包括用于引入低可拦截性(LPI)和低可探测性(LPD)，降低的峰均比(PAPR)以及增加的网络系统容量的多个天线单元。
本发明教导了一种用于经由多个数字混沌扩频序列来无线传输数据聚合的系统、设备和方法。在一个方面，本发明教导了使用多个先验构造和存储的数字混沌扩频码序列，用于多个数字混乱波形内的数字信号和数字信息的数据聚合。在本发明中，数据聚合是任何方法或技术，由此多个不同的数据流-无论是用于单个用户或多个用户-在发射器或接收器处在单个有效负载中被收集或聚合并一起被处理。示例包括但不限于多个混沌扩频序列，其被分配给单个用户以通过至少一个发射天线增加其传输速率；一个协作的网络方案，由此所有在特定时间段内接收的用户被一起检测，通过至少一个发射天线一起作为单个增广有效载荷被一起转发(即同步)。
在本发明的另一方面中，基于预期的应用或操作来选择多个数字混沌波形。例如，可以根据诸如单峰自相关，低自相关旁瓣，非常低的互相关以及在发射器处的低PAPR等特征选择多个数字混沌波形，以通过多个同时检测带有多个数字混沌波形的数字信号和数字信息来增加容量。
在本发明的另一方面，多个构造的数字混沌扩频码被存储在易失性存储器中。构造的数字混沌扩频码可以存储在发射器和接收器中。
在本发明的另一方面，在单个组内，易失性存储器可以包括不同的组或存储单元，用于存储长度为N的构建的数字混沌扩频序列。数字混沌扩频序列可以被划分为M组数字混沌扩频码子序列。用户被分配一个索引存储内存的组ID。这些组可以按顺序编入索引。顺序排序可以是已知的顺序，例如自然数的正式排序(例如，1,2,3...)。但是，排序不需要是连续的。对于当前用户索引号码的唯一要求是它将存储器位置的pth组进行排序，所述pth组与存储在发射器和接收器中的组id p相关联，以便提供在发射器处的所选择的数字混沌扩频码序列和在接收器处检测到并已恢复的索引之间的一对一的对应关系。
又一方面，本发明公开了一种数据载荷，当包括前导码并且包括中间码时，所述数据载荷被构建为使得可以在一个或多个位置处检测到多个嵌入信号，而不干扰每个成分信号的固有性能。数据载荷可以由至少一个高PAPR信号和作为公共网络协议一部分的至少另一个信号组成。前导码和中间码也可以通过在下一个码元周期中重复码元的数字混沌序列来构造的，所述码元的数字混沌序列翻转数字混沌序列的副本。
在另一方面，本发明公开了一种数据载荷，其中当包括前导码并且包括中间码时，所述数据载荷被构造为使得可以增大数据载荷以在每个聚合数字信号内包括信号字段和码元定界符和在多个数字混沌波形内的包括数字信息，从而可以准确可靠地识别每个成分信号的到达时间、部分聚合的数字信号。详述接收器的操作模式的信号字段，包含数字信号的长度的至少一个信息和发送数据的数字信息以及所述数据的速率。此外，组成的信号字段包括用于保护和检测信号字段内的其他信息的错误的奇偶校验信息。
又一方面，本发明教导了如上所述的具有增大的有效载荷的发射器系统。
又一方面，本发明教导了具有增大的有效载荷的接收器系统。
又一方面，本发明教导了一种用于发送具有多个数字混沌波形的多个数字信号和数字信息的系统。
另一方面，本发明教导了一种用于接收具有多个数字混沌波形的多个数字信号和数字信息的系统。
又一方面，本发明教导了一种接收器系统，其能够利用具有多个数字混沌波形的多个数字信号和数字信息的增大的载荷来检测信号的每个到达时间。
又一方面，本发明教导了一种接收器系统，其能够处理具有多个数字混沌波形的多个数字信号和数字信息的每个信号字段，并且配置剩余的接收器子系统以恢复具有多个数字混沌波形的每个数字信号和数字信息。
又一方面，本发明教导了一种用于改善如上所述的多用户检测的方法，其中所接收的具有多个数字混沌波形的多个数字信号和数字信息经过处理，以将所聚合的发送的数字信号和数字信息分离成数据流，所述数据流投影在除了自身之外的所有用户的零空间中。在由解扩子系统处理之前，对所接收到的聚合发送的数字信号和数字信息中的每一个所识别的数字信号和数字信息部分进行分区。
在又一方面，本发明教导了一种用于将多个不同的通信信号聚合并嵌入源自多个天线的数字混沌通信波形内的方法。多天线系统的天线单元不需要同地协作，它们仅在引入低可拦截性(LPI)和低可探测性(LPD)，降低的峰均比(PAPR)，和增加了的网络系统容量的情况下协作。
附图说明
通过参考在详细描述和附图中所描述的本发明的各个实施例，可以更全面地理解本发明，其中相同的附图标记表示相同的元素，并且其中：
图1是可与本发明的各个实施例一起使用的示例性多输入多输出(MIMO)无线传输系统；
图2是可与本发明的各个实施例一起使用的示例性单输入多输出(SIMO)无线传输系统；
图3是可与本发明的各个实施例一起使用的另一示例性单输入多输出(SIMO)无线传输系统；
图4是可与本发明的各个实施例一起使用的另一个示例性MIMO无线传输系统；
图5是可与本发明的各个实施例一起使用的另一示例性MIMO无线传输系统；
图6是根据本发明的各个实施例的示例性无线发射器；
图7是根据本发明的各个实施例的示例性无线接收器；
图8是根据本发明的各个实施例的用于构建数字混沌序列的示例性方法的流程图；
图9是根据本发明的各个实施例的示例性接收器同步过程；
图10是根据本发明的各个实施例的分组形成的示例性实施例；
图11是本发明的零空间处理器子系统的示例性实施例；
图12示出了可以用于描述本发明的示例性实施例的典型的单元或组布置900；和
图13是具有组A，组B和组C的组布置1300的示例性实施例。
具体实施方式
本文中的示例性实施例和本发明的最佳模式的简要描述参考了附图和流程图。虽然足够详细地描述了这些示例性实施例以使得本领域技术人员能够实践本发明，但是应当理解的是，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以实现其他实施例，以及进行逻辑和机械改变。因此，本文的描述仅仅是为了说明的目的而不是为了限制。例如，任何方法或过程中所述的步骤可以以任何顺序执行，而不限于所给出的顺序。
这里可以根据功能块组件和各种处理步骤来描述本发明。应该理解，这样的功能块可以通过被配置为执行指定功能的任何数量的硬件和/或软件组件来实现。例如，本发明可以采用各种集成电路(1C)组件(例如，存储器元素，处理元素，逻辑元元素，查找表等)，其可以在一个或多个微处理器或其他控制设备的控制下执行各种功能。类似地，本发明的软件元素可以用诸如C，C++Java，COBOL，汇编器，PERL等的任何编程或脚本语言来实现，其中各种算法是用数据结构，对象，进程，例程或其他编程元素的任何组合来实现。此外，应当注意，本发明可以采用任何数量的用于数据传输，信令，数据处理，网络控制等的常规技术。更进一步地，本发明可以用于检测或防止使用脚本语言，例如JavaScript，VBScript等的安全问题。关于密码学的基本介绍，请阅读由Bruce Schneider编写的文本，该文本的题目为“Applied Cryptography：Protocols Algorithms，And Source Code In C”参考，其由JohnWiley&Sons(第二版，1996)出版，其通过引用的方式并入本文。
应该理解的是，在本文中所示和所述的具体实施方式是对本发明及其最佳模式的说明，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。事实上，为了简洁起见，传统的无线数据传输、发射器、接收器、调制器、基站、数据传输概念和系统的其他功能方面(以及系统的各个操作组件的组件)可能不在这里详细描述。此外，这里包含的各个附图中所示的连接线旨在表示各种元素之间的示例性功能关系和/或物理耦合。还应该注意的是，在实际的电子交易或文件传输系统中可能存在许多替代或附加的功能关系或物理耦合。
如本领域普通技术人员将认识到的，本发明可以体现为方法，数据处理系统，用于数据处理的设备和/或计算机程序产品。相应地，本发明可以采取完全软件实施例，完全硬件实施例或组合软件和硬件的方面的实施例的形式。此外，本发明可以采用计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式，其具有体现在存储介质中的计算机可读程序代码装置。可以使用任何合适的计算机可读存储介质，包括硬盘、CD-ROM、光存储设备、磁存储设备等。
为了简化示例性实施例的描述，本发明被描述为能够与单输入单输出(SISO)和多接收天线系统一起使用，诸如单输入多输出(SIMO)，多输入单输出(MISO)和多输入多输出(M1MO)无线传输系统。例如，本发明也可以与SISO DSSS系统和MIMO DSSS系统一起使用。
还将理解的是，可以制定本发明的许多应用。例如，本发明可以用于促进任何传统的无线通信介质。此外，应当理解，本文描述的网络可以包括用于交换数据或交易业务的任何系统，诸如因特网、内联网、外联网、WAN、WLAN，WPAN、HAN、自组织网络、移动自组织网络(MANET)、卫星通信(SATCOM)和/或诸如此类。
图1是MIMO无线系统100的示例性框图，本发明可以与所述MIMO无线系统100一起使用。示例性MIMO无线系统100可以由发射器102组成，用于接收数据源101(信息信号101)并且通过传输信道116将该数据源101传输到接收器104。发射器102可以包括信号分离器104，用于接收数据源101并且将数据源101分成不同的数据源101流。数据源101的不同数据流中的每一个可以是由多个编码器106a-n独立地接收并编码。发射器102可以包括多个混沌调制器108a-n，用于接收编码的数据源，并且混沌调制编码的数据源以产生多个混沌调制数据源信号。
每个编码的数据源信号都是数字调制的，并使用数字混沌扩频码进行扩频。在一个实施例中，每个编码的数据源信号被数字调制，并且利用从数字混沌序列存储器获取出来的数字混沌扩频码进行扩频，如下面所全面讨论的那样。在另一个示例性实施例中，发射器102可以不包括分离器104。或者，数据源101可被提供给编码器106a-n。
随后可以通过空间映射器110对多个混沌调制的数据源信号进行空间映射(例如，散布在多个空间信道上)。然后在通过经由多个天线114a-n的多个空间信道116的通信方式传输空间映射的多个混沌调制的数据源信号之前，可以将空间映射的多个混沌调制的数据源信号提供给多个射频振荡器系统112a-n。
接收器104可以在多个天线118a-n处接收空间映射的多个混沌调制的数据源信号。可以使用多个射频接收系统120a-n从信道116恢复空间映射的多个混沌调制的数据源信号。RF接收器系统120a-n可以从通过信道116传输的信号中恢复求和的混沌调制的数据源信号。例如，RF接收器系统120a-n可以使用如现有技术中发现的用于从无线信道恢复数据信号的任何常规方法从通过信道116传输的信号中恢复求和的混沌调制的数据源信号。例如，RF接收器系统120a-n可以通过将所发送的信号下变频到基带模拟格式并将基带模拟信号转换成基带离散信号来恢复所发送的信号。
接收器104还可以包括MIMO均衡器122，用于分离由信道产生的空间映射的多个混沌调制的数据源信号。
MIMO均衡器122可以根据由空间映射的调制数据源信号对与每个路径遍历相关联的每个信道幅度和相位特性的估计来分离信道信号，以产生接收到的基带调制信号。接收到的基带调制信号然后可以根据数据源信号信道由多个混沌解调器124a-n进行混沌解调。多个混沌解调数据源信号然后可以被多个解码器126a-n解码。多个解码混沌解调数据源信号然后可以由信号合并器128合并，以将多个数据源信号组合成单个合并信号。在一个实施例中，合并的信号可以是数据源101的副本。接收器104可以将合并的信号提供给数据接收器130。
分离器104、编码器106a-n、空间映射器110、MIMO均衡器122、解码器126a-n、信号合并器128和RF振荡器系统112a-n、RF接收系统120a-n可以具有如在本领域中被发现的传统的构造和操作。下面更全面地讨论混沌调制器108a-n和解调器124a-n的操作和构造。
图2是SIMO无线传输系统200的实施例的示例，本发明可以与所述SIMO无线传输系统200一起使用。如图2所示，接收器104与具有单个天线214的发射器202通信。发射器202包含与在发射器102中发现的类似的元件，其具有与上述类似的操作。例如，分离器204、编码器206a-n、混沌调制器208a-n、RF振荡器系统212和天线214具有与分离器104、编码器106a-n、混沌调制器108a-n、RF振荡器系统112a-n、RF接收系统120a-n和天线114a-n所描述的类似的结构和操作。特别地，数据源201(信息信号201)被分成不同的数据源流。多个不同的数据源流由多个编码器206a-n接收以产生多个编码的数据源信号。多个混沌调制器208a-n可以接收和混沌调制编码的数据源信号以产生多个混沌调制的数据源信号。每个编码数据源信号被数字调制并使用数字混沌扩频码进行扩频。在一个实施例中，每个编码的数据源信号用从数字混沌序列存储器中获取的数字混沌扩频码进行数字调制扩频，如下面更全面的讨论。
然后，多个混沌调制的数据源信号在被提供给RF振荡器系统212之前可以在信号加法器210处进行求和。发射器202然后可以经由天线214发送求和的混沌调制的数据源信号。发射器202可以通过通信信道216发送求和的混沌调制的数据源信号。混沌调制的数据源信号可以由接收器104在天线118a-n处接收。求和的混沌调制数据源信号可以由多个RF接收器系统120a-n接收。RF接收器系统120a-n可以以与关于图1讨论的相似的方式从通过信道216传送的信号中恢复求和的混沌调制数据源信号。混沌均衡器218可以接收多个求和的混沌调制的数据源信号，并根据发送的数据包重组数据源信号。
图3是另一种SIMO无线传输系统300的另一个示例，本发明可以与所述另一种SIMO无线传输系统300一起使用。根据SIMO无线传输系统300，发射器202具有如图2所述的类似的操作和描述。接收器304具有如图2所述相似的操作和描述。用于图3的接收器304可以将多个解码的混沌解调的数据源信号提供给多个数据接收器103a-n，所述多个数据接收器103a-n可以位于不同且独立的位置。
在替代实施例中，接收器304可以包括多个独立接收器，其中每个接收器可以包括一个混沌解调器124。类似地，发射器202可以包括多个独立发射器，其中每个发射器包括一个混沌调制器208a-n。
图4更详细地示出了MIMO无线传输系统100。如前所述，混沌调制器108a-n混沌调制数据源信号以产生多个混沌调制的数据源信号。如图4所示，混沌调制器108a-n可以包括码元映射器402a和混沌扩频器404a。在一些实施例中，混沌调制器108a-n可以不包括码元映射器402a-n。码元映射器206a-n可以是常规的码元映射器，包括诸如扰码器、差分编码器、码元生成器等常规发射器组件。码元映射器206a-206n进一步将各个信号传输到混沌扩频器404a-n。混沌扩频器404a-n可以利用数字混沌扩频码序列来调制数据源信号，其中所述数字混沌扩频码序列是通过图8中包括的方法形成的。在数据源信号经由天线114a-n发射到接收器104之前被空间映射(空间映射器402)和上变频(RF振荡器系统112a-n)之前，混沌调制器108a可以混沌调制所述数据源信号。
如图4，接收器104接收发射器102发射的数据源信号。所述数据源信号可以在RF接收器系统120a-n处被下变频并且被提供给MIMO均衡器122。MIMO均衡器122根据空间信道(即，信道111)分离数据源信号并恢复发送的码元，并提供信号混沌解调器124a-n。在接收器104的一个实施例中，混沌解调器124a-n可以包括码元解映射器46a-n和混沌解扩器408a-n。在一个实施例中，混沌解调器124a-n可以不包括码元解映射器402a-n。混沌解扩器408a-n使用数字混沌序列码来解扩数据源信号，如下所述。混沌解扩信号然后可以由码元解映射器406a-n进行码元解映射以恢复所发送的不同的数据源信号流。
图5是发射器102的另一个实施例。如图所示，发射器102可以不包括分离器104。在该实施例中，发射器102可以不包括空间映射器110。或者，数据源101可以被提供给编码器106a-n。在又一个实施例中，数据源信号101a-n可以在被发送到接收器104之前在混沌扩频器404a-n处混沌扩频并提供给RF振荡器系统112a-n。接收器104以与图4所述的相似的方式处理接收的数据源信号。
图6示出了可用于本发明的发射器102的另一个示例性实施例。根据图6，发射器102包括信道编码器106、码元映射器402、复用器604、RF振荡器系统112，其中复用器604、信道编码器106、码元映射器402、复用器604和RF振荡器系统112是现有技术中存在的传统元件。因此，为了简洁起见，这里不再讨论它们的构建及操作。
发射器102接收数据源信号101，并且在信道编码器106处对该序列进行信道编码。数据源信号101可以是比特、码元或采样的模拟波形。一混沌扩频码序列存储在混沌扩频码序列存储器606处的存储器中，混沌扩频码序列的结构将在下面参照图8进行描述。在本发明的替换实施例中，混沌扩频码序列可以用作混沌扩频序列，而不对数据源信号进行编码。混沌扩频可能发生在没有信道编码的情况下。混沌扩频将比特、码元或样本模拟波形转换为数字混沌波形，其中嵌入信息(嵌入数据)位于数字混沌波形的幅度和相位中。
根据本发明，混沌调制器108在产生数据载荷过程中使用混沌扩频序列，数据载荷具有前导码和中间码。可以将前导码和中间码构造为使得可以在一个或多个位置处检测到多个嵌入信号，而不会干扰每个成分信号的固有性能。数据载荷可以由至少一个混沌调制信号和作为协作网络协议一部分的至少另一个信号(混沌调制或非混沌调制的)组成。前导码和中间码也是通过在下一个延伸的码元周期中重复符号的数字混沌序列来构造的，所述符号的数字混沌序列翻转数字混沌序列的副本。
在一个示例性实施例中，数据载荷包括前导码和中间码，其可被构造成使得可以增大数据载荷以在每个聚合数字信号内包括信号字段和码元定界符。增大的数据载荷可以包括多个数字混沌波形内的数字信息，从而可以准确可靠地识别每个成分信号的到达时间、部分聚合的数字信号。信号字段部分指示接收器数字信号的至少一个长度信息和剩余有效载荷的数据速率方案信息。此外，信号字段可以包含用于保护和检测信号字段内的其他信息的错误的奇偶校验信息。
在混沌调制器108的操作期间，使用例如扩频器602，利用存储在混沌序列存储器606中的混沌扩频序列对数据源信号进行扩频。混沌扩频序列可用于生成前导码108和中间码610。由混沌调制器108产生的有效载荷可以被增大以包括码元定界符612和信号字段614，如图10所示。
图6更详细地示出了任何一个混沌调制器108(或混沌调制器208)。根据图6，发射器108可以包括如上所述的类似操作的信道编码器106和码元映射器402。混沌调制器108可以包括如现有技术中存在的作为传统元素的混频器602,616、复用器604、RF振荡器系统112和天线114。因此，为了简洁起见，此处不再讨论它们的构建和操作。
在操作期间，发射器102在编码器106处接收数据源信号，该信道编码数据源信号。数据源信号可以是承载信号的任何信息，例如比特、码元或采样的模拟波形。
混沌扩频码序列存储在混沌扩频码序列存储器606处的存储器中，混沌扩频码序列的结构在下面参照图8进行描述。在本发明的替换实施例中，混沌扩频码序列可以用作混沌扩频序列，而不对信息信号进行编码。混沌扩频将比特、码元或样本模拟波形转换为数字混沌波形，其中信息(嵌入数据)嵌入在数字混沌波形的幅度和相位中。
存储在混沌序列存储器606中的数字混沌序列是根据图8的数字混沌序列产生方法800构建的。数字混沌扩频码序列可以通过记录固有的模拟混沌电路来构建。或者，数字混沌序列可以通过记录确定性的计算机模拟的非线性动态和分段记录的信号来构建。(步骤802)对记录的片段进行采样，使得连续的样本独立出现，并且预定义长度和可变量的片段具有低互相关性。(步骤804)然后样本可被存储在存储器中。(步骤806)采样速率或采样周期可以是变化的或不规则的，但是对于特定的扩频因子而言，采样的数量是固定的，而对于扩频因子而言，采样的数量可以是任何数量的样本。根据本发明，这些片段被量化。(步骤810)然后减去所记录的片段的平均值，并对所记录的片段进行归一化。(步骤812)序列的归一化确保了由于量化误差，在个体或接近单元出现自相关峰值。
根据本发明的不规则采样间隔例如可以通过已知序列发生器，例如斐波那契数、卢卡斯数，佩林数或任何伪随机数发生器，进行模计算来确定。为了轻松实现数字系统的半导体技术，可以基于码序列之间的最大允许互相关(1/2L，其中L是用于表示每个样本幅度的比特的数量)将幅度量化为有限水平。数字混沌序列的独立片段被组合在一起以形成用于发送携带信息的通信信号或训练信号的向量跨度。在数学上众所周知，n-维子空间中的任何信号都可以唯一地表示标量的n元组，对应于信号在n-维正交基上的投影。数字混沌过程的最后一步是将独立数字混沌片段转换为一组正交序列，该组正交序列跨越与原始片段相同的子空间。这个过程可以使用Gram-Schmidt正交化过程来执行。
混沌序列存储器606(和图7的混沌复制存储器)可以是易失性存储器。混沌存储器606/607可以被分区，使得多组数字混沌扩频码彼此独立地存储。例如，可以根据将要使用的应用来组织不同的组。典型应用包括任何需要IP语音(VoIP)功能，视频功能和点对点操作和/或点到多点的数据功能的无线应用。在组内，易失性存储器被进一步划分成间隙，用于存储数字混沌序列码。间隙可以进一步划分成多个子间隙，用于存储数字混沌序列的子集。
一旦混沌序列存储器606被数字混沌扩频序列完全填充，则可对整个存储器606进行Gram-Schmidt处理。可对整个存储器606进行正交归一化处理。在替代实施例中，独立的数字混沌片段可被转换成一组正交序列，该组正交序列跨越与原始片段相同的子空间。
在图10中示出了封包构造的本发明的优选实施例。在该示例性实施例中，接收器处的采样率被设定为20MHz，并且在发射器处以4Mcps提供码片率。相邻系统之间的最小中心频率间隔将是5MHz。成帧结构可以是10ms的无线帧，其被分成5个相等的持续时间2毫秒(ms)的子帧。这些子帧可以被配置为用于任何用户的发射或接收间隙。
超帧由连续发射的的若干个帧组成，所述若干个帧在帧之间具有2ms的间隔。每个要发射的帧由前导训练序列，中间训练序列和数据载荷组成。帧结构的灵活性可以使多个其他实施例适应特定的应用。在本实施例中，包含有足够的训练信息以安全可靠地进行操作。
众所周知，无线设计成功与否的关键在于并入足够的训练信息以识别封包的到达，对准码元边界，估计信道特性并校正频率偏移。本发明的一个实施例中利用了标题字段。标题字段包括定义接收器的配置状态的10个码元前导码和48个码元信号字段。训练序列通过使用差分混沌相移键控(DCSK)进行调制并重复预定次数；在图6中使用了九次。根据正常的DCSK技术，每个重复都用1或-1进行调制。调制输入可以是交替的正序和负序顺序，嵌入其余封包的控制信息。前导码和中间码可以使其功率显着高于数据，以帮助接收器同步。例如，一个实施例使用3dB相对功率提升数据采样。这将允许高可探测性，而不会使帧的开销过度繁重。如果帧的总开销为持续时间的10％或更少，则可以实现接收器检测和同步的显着改进，同时相较于无功率提升仅牺牲0.79dB的是信号功率。每个码元由预定长度的混沌序列组成，其范围可以从16片到4000片，这取决于应用对于吞入量和隐蔽性的要求。信号字段包含在6比特加扰种子中，用于初始化序列模式的伪随机数(pn)发生器。pn的寄存器的状态决定26个存储的序列中的哪个序列被选择，或者，可选地当前码元的混沌族中的哪个序列发送。
如前所述，本发明解决了传统MIMO WLAN传输中存在的问题。也就是说，诸如802.11x兼容系统的现有技术系统更容易受到非预期方的干扰，无线冲突和拦截。本发明通过提供一种系统和方法来解决这些问题，所述系统和方法用于在数字混沌通信波形中聚合和嵌入多个承载信息的通信信号，其中数字混沌通信波形占用多天线系统传输的相同频率信道带宽。数字混沌可以是通过采样混沌信号产生的波形，其中混沌信号由确定性非线性动态确定。根据本发明的如下所述产生的数字混沌序列，被用作依照本发明的各种实施例的扩频序列。
由发射器发射的信号由图7的接收器104接收。接收器104恢复所发射的数据源信号中的嵌入数据。根据本发明的一个方面，将存储在混沌序列存储器606中的数字混沌序列与存储在混沌复制存储器306中的熟悉混沌序列相比较，其中所述存储在混沌序列存储器606中的数字混沌序列被用作扩频码，用于在发射器102处扩展数据源信号。如前所述，混沌解调器124使用存储在混沌复制存储器706中的数字混沌序列的复制作为解扩码。
图7是用于接收数字混沌波形的接收器104的示例性实施例。接收器104包括用于接收发射信号的天线118，用于拒绝不在感兴趣频带内的信号的信道滤波器702，对模拟信号进行采样和量化以进行数字处理的模数(A/D)转换器704。混沌复制存储器706在发射器102处提供存储在混沌序列存储器606中的数字混沌波形的精确复本。执行分组检测708操作以确定何时至少一个分组会到达。匹配滤波器710用于为至少一个信号恢复码元定时。信道估计器712可以用于估计和补偿由于多径衰落而导致的波形失真。可以使用多普勒校正714来估计和校正由于振荡器漂移和移动导致的频率偏移。接收器104还可以包括：码元检测装置716，用于估计发射器发送的映射码元,码元D-映射查找表718，用于恢复信息码元，以及信道解码器720，用于恢复原始发射比特722。恢复的信息比特722可以被提供给一个或多个数据接收器(未示出)。
接收器104接收发射的信号以从信号中恢复嵌入的数据。应该注意的是，在优选实施例中可能有两种普通的接收器模式。在第一模式中，与混沌复制存储器706的高速乘法直接在A/D 704的操作之后发生。当采样的模拟波形是承载信息的信号时，该实施例是优选的。在第二模式中，与混沌复制存储器706的高速乘法在码元检测716之前以及在多普勒校正714和信道估计712操作之后发生。当承载信息的信号、比特或码元时，该实施例是最适合的。两种配置都以比特或码元的形式用于承载信息的信号。然而，第二种模式具有最佳性能，而第一种模式具有较低的功耗。在对高速数字混沌序列进行解扩之后，接收器操作是由商业标准接收器对于802.11x，WCDMA或CDMA2000所执行的接收器操作的典型操作，为了简洁起见，省略了其描述。
混沌调制器108和解调器124可以作为无线局域网(LAN)、无线个人域网(PAN)、无线家庭局域网(HAN)或城域网(MAN)系统、蜂窝电话系统、或者在一定距离范围内结合单向或双向通信的另一种类型的无线电或微波频率系统的一部分。例如，本发明可以采用各种信号调制和解调技术，例如单载波频域均衡(SCFDE)，直接序列扩频(DSSS)或正交频分复用(OFDM)。然而，在整个说明书中，参考SIMO和MIMO通信系统或者包括发射器和接收器的系统，仅仅是为了便于描述本发明。无线信道711的所有类似组件也将具有彼此类似的描述。
本发明的发射器可以从发射天线阵列中的每个天线发射不同的信号，使得每个信号由接收侧的接收天线阵列中的相应天线接收。本文描述的各种发射器可以将数据源信号作为聚合信号来发送并且作为所有发射信号的聚合或者部分信号的聚合来接收。所有信号都被发射一次，且接收器使用存储在接收器的混沌复制存储器中的混沌扩频序列扩频码的复制来解调该聚合信号。
图9示出了用于恢复嵌入在发送的数据源信号中的数据的方法900。在恢复数据时，接收器104接收所发射的信号，并通过图9所示的以下步骤恢复数据信号。连续搜索分组直到接收器检测到有效分组的到达(步骤902)。分组的检测基于利用前导码结构的自由运行相关(检测到的分组708)的输出。该分组的有效性由图10所示的信号字段的循环冗余检验(CRC)确定。在声明所述分组有效后，使用前导码来执行两个同步过程：码元定时估计&校正(步骤904)和频率估计和校正(步骤906)。使用匹配滤波器或匹配滤波器组710来估计定时误差，并且在接收器定时中进行适当的校正。使用单独的相关器来估计频率误差，例如多普勒校正714，并且将适当的校正应用于基带接收信号。使用基于来自前导码的训练码元的预先计算的卷积矩阵来计算信道估计。该矩阵的伪逆转用于计算信道抽头(信道估计器712)(步骤908)的最小均方估计值，伪逆转也可以离线计算，因为只有当前导码改变时，它才会改变。基于前导码和中间码两者中的训练码元的重复，为处理步骤902,904,906和908中的每一个求取平均值是可能的。然后可以处理有效载荷(步骤910)。例如，处理有效载荷可以包括检测码元(码元检测716)，映射码元(码元D-映射718)，信道编码或解码该有效载荷(信道解码器720)以及恢复包含在有效载荷中的信息比特722。
图11是可用于本发明中描述的通信系统的示例性零空间处理器子系统的实施例。根据该示例性子系统，在零空间处理器(对于第i个选择的用户的空白空间)中将要恢复的信号(“选择的第i个用户数据”)和其余信号(“剩余用户数据”)相乘(用于第i个选择的用户的零空间对应于产生包含剩余用户数据信号的所选择的第i个用户数据)。然后从包含所选择的第i个用户数据和剩余用户数据的信号中减去剩余用户数据信号，使得选择的第i个用户数据被输出。在某些情况下，输出选择的第i个用户数据可能会与剩余用户数据中的剩余信号一起出现。然后通过使用选择的第i个用户数据来恢复所选择的第i个用户数据，以识别用于恢复如上所述的第i个用户数据的第i个用户混沌码。
本发明的数字混沌系统和方法适用于期望协作传输以增强网络容量的无线传输中的操作。这样的系统通常需要紧密协作的节点或接入点之间的多个事务。协作的意思是将网络中每个节点(接收器)的传输协议组织成与网络中的第二接收节点关联，以确保随后的传输根据网络的要求是有效的。高效的意思是节点到节点的传输根据节点的要求或传输介质的要求进行优化。在一个例子中，提高效率可能包括提高网络的吞吐量。协作的节点可以是这样的：一个节点或一组节点可以包括一传输协议，该传输协议依赖于从网络中的一个节点或一组节点接收到的传输。在多个节点依赖于接收到的传输的情况下，多个节点的传输协议可以协同通信，以确保网络或传输介质的优化。
如上所述，在多路传输的情况下，多路传输可为数据传输受损或数据传输冲突增加机会。在本发明的一个实施例中，协作的节点可以包括网络中的一个或多个其他节点的传输协议的知识。或者，来自一个节点或一组节点的传输的协作可取决于从网络或组外的节点接收到的传输。在另一特定实施例中，经由无线介质的协作节点或协作传输可能意味着来自与另一节点协作的一个节点的传输可在下一传输机会(Txop)处或在由接收器处已知的延迟与中断容忍协议侧出现。
本文描述的数字混沌波形可以用于在提高网络吞吐量的同时保护数据传输。例如，异构无线网络上的协作的多点传输和接收包括一组不同的传输点，在同一小区(例如“组”)中操作的接入点或节点，同时或以一种协作模式运作的重叠小区或互相排斥的小区。协作的多点传输可用于提高无线网络中，特别是在蜂窝网络或节点组、接入点或用户中的给定小区的边缘处或边缘附近的吞吐量和服务质量。
可以与本发明一起使用的典型协作网络是物联网(IoT)。物联网是指在作为机器或机器部件的设备之间互连和自主交换数据。IoT通常可用于支持例如机器对机器(M2M)通信。M2M被定义为设备之间的数据通信，而不需要人为的交互。这可以是设备和服务器之间的数据通信，或者是设备到设备直接或通过网络进行的数据通信。M2M服务的例子包括安全、跟踪、支付、智能电网和远程维护/监测。因此，根据本发明的协作网络可以包括设备节点或协作网络成员之间的数据自主交换。
如本文所使用的，属于单个小区的节点可以被描述为单个组的“成员”。在一些情况下，为了便于无线传输的协作，成员可以被描述为属于一个组或者多个组的成员。由特定成员接收的信号可以根据信号前导码或中间码信息进行进一步处理。
如本文所使用的，协作式多点系统可以是MIMO系统，其中成员可以在发射器和接收器两者处使用多个天线。本发明也可以用于“多用户多输入多输出”或“MU-MIMO”系统。如本文所使用的，MU-MIMO系统是无线通信系统，其中可用的天线分布在多个独立的组成员、接入点和独立的无线电终端上，其中每个成员具有一个或多个天线。本发明还可以与现有技术中已知的常规SISO(单输入单输出)，SIMO(单输入多输出)，MISO(多输入单输出)系统或其它类似系统一起使用。
图12描绘了典型的小区或组布置900，其可以用于描述本发明的示例性实施例。组布置900可以包括具有成员A1-An的组A。类似地，组B可以包括成员B1-Bn。在所示的示例中，组员B3也可以是组B的成员，也可以是组A的成员。为便于描述本发明，当一名成员属于多个组时，可以用两个组指定符来指定成员，例如在组布置1200中示出的A/B3。
图13是具有组A、组B和组C的组布置1300的示例性实施例。虽然多组组布置1300被描绘成边缘重叠成瓦状的，但这些组可以是相互排斥的。当成员属于多个重叠组时，该成员可以接收并处理寻址给重叠组中任一个的数字混沌信号。在这种情况下，这里可以将该成员称为多组成员。在所示的布置中，成员A/B3表示成员B3也属于组A。
组布置1300进一步描绘当在成员之间传输一个数字混沌信号时发生的无线传输。例如，成员A6可以将数字混沌信号发送给成员A2，A5或An；成员C1可以将数字混沌信号发送到C8；B3可以根据如何在数字混沌前导码中寻址数字混沌信号来将数字混沌信号发送到B1，B4或B9。在数字混沌由多组成员接收的情况下，接收成员可以将数字混沌信号发送给接收成员所属的对应组成员。即使当目标组成员属于单独的重叠成员时，情况也是如此。重叠的意思是不止一个组共享至少一个组成员。在所示的组布置1300中，组A与组C重叠，组A与组B重叠。
应该注意的是，关于图12和图13中的实施例所讨论的数字混沌信号，其可以从所描绘的任何一个组或全部组外接收。例如，数字信号S1被描绘为在组A外生成，但是由组成员A2接收。类似地，数字混沌信号S2被描述为在组C外生成，但被组成员C8接收。相反，数字混沌信号S3被描述为由组成员B7在组B中生成并由组成员Bn接收。
在根据本发明的典型的协作传输中，组成员以协作的方式操作以改善共享无线介质的所有用户的整体网络容量。协作的方式指的是信号被一起处理，以对抗无线介质的失真影响和相互干扰，从而改善对于所有活跃的不同用户数据信号的检测。组成员根据特定组的成员资格或非成员资格来处理所提取的不同用户数据信号。组成员可以根据特定组的成员资格或非成员资格来处理所提取的不同用户数据信号，其中未寻址到接收侧(例如，接收成员)的提取的不同的用户数据信号在下一个传输机会处(Txop)或者在接收侧已知的由延迟和中断容忍协议指定的时间内通过无线介质被聚合，时间一致，且再次进行传输。例如，延迟和中断容忍协议可能会使网络在极远的距离范围内有效地工作，例如在空间通信中遇到的距离或在行星际尺度上。另一方面，在数字混沌信号由未被寻址的接收组成员接收的情况下，接收组成员可以终止该信号而根本不转发该信号。
在典型的例子中，使用图13，数据信号S4可以寻址到组成员B9，但是由多组成员A3接收(例如，A/B3)。在这种情况下，组成员A3可以提取不同的用户数据信号，该信号指示该数据信号寻址到组成员B9。由于组成员A3也是组B(例如，B3)的成员，因此组成员A3可以将该信号发送给组B。更具体地，A3可以将该信号发送给组成员B9。
在一些情况下，在不同组的组成员彼此接近的情况下，接收组成员可以接收接收到的信号的第一片段，并且延迟接收到的信号的发送，直到接收到的信号的第二片段被接收组成员所接收。
本领域技术人员应该理解，本发明可以用于实现DSSS编码方案的任何设备中。以上描述已经针对本发明的具体实施例。然而，显而易见的是，可以对所描述的实施例进行其他变化和修改，并获得其一些或全部优点。因此，所附权利要求的目的是覆盖落入本发明的真实精神和范围内的所有这些变化和修改。

Claims (18)

1.一种通过无线传输协作地联网数字混沌信号的方法，包括：
a.在接收侧接收多个不同数据信号，其中所述多个不同数据信号中的每一个数据信号在发送侧用不同的混沌序列进行调制，其中在所述发送侧对所述多个不同数据信号中的每一个数据信号使用一产生的数字混沌序列数据库进行调制，数字混沌序列数据库具有多个数字混沌序列，其中用于产生数字混沌序列数据库的方法包括：记录具有非线性动态的无特征波形，缓冲记录的无特征波形，针对所述缓冲的无特征波形的一特定扩频因子对固定数目的样本进行采样，针对特定扩频因子存储固定数量的样本的可变数量组，以形成数字混沌序列数据库的条目，使得针对特定扩频因子的多组固定数量的样本不同，各组之间互相关性低，然后利用Gram-Schmidt过程处理所有各组固定数量的样本，
b.在所述接收侧解调多个所述不同数据信号中的每一个数据信号以提取多个不同的用户数据信号，
c.验证所述不同用户数据信号中的至少一个用户数据信号被寻址到所述接收侧，根据所述不同的用户数据信号中的至少一个用户数据信号是否被寻址到多组接收侧中的一组不同的接收侧来处理所述不同用户数据信号中的至少一个用户数据信号，其中所述多组接收侧包括作为组成员接收所述多个不同的数据信号的接收侧，
d.验证多个提取的多个不同用户数据信号未寻址到所述接收侧，
e.将未寻址到所述接收侧的所述多个提取的多个不同的用户数据信号进行聚合，以创建新的聚合的数据信号，所述新的聚合的数据信号包括未寻址到所述接收侧的提取的多个不同用户数据信号的聚合，其中，所述接收侧的多个不同用户数据信号一起进行信号处理，以对抗无线介质的影响和相互干扰，提高对所有活动的不同用户数据信号的检测，
f.传输未寻址到所述接收侧的聚合的多个提取的多个不同用户数据信号，其中传输时间是一致的，并且在下一个传输机会处(Txop)或者在所述接收侧已知的由延迟和中断容忍协议指定的时间内通过无线介质再次进行传输。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提取的不同用户数据信号属于先验预定义的用户组中的至少一个，所述先验预定义的用户组为所述接收器所知，并由网络管理员或协调器所传送。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提取的不同用户数据信号属于与接收侧设备相同的用户组，并且所述提取的不同用户数据信号被寻址到所述接收侧并且被标记以指示它们包含具有唯一分组标识的一分段的MAC有效载荷数据单元(MPDU)的至少一部分，并且其中MPDU的其余分段在所述接收侧通过至少一个单独的传输被接收，其中MPDU的其余分段包含所述唯一分组标识。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分段的MPDU和所述MPDU的其余分段在所述接收侧到达一MAC公共处理单元以进行重组。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述接收的分段MPDU被缓冲、排序且向前转发到所述MAC公共处理单元，以便用所述MPDU的其余分段进行重组。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提取的不同用户数据信号不属于与所述接收侧设备相同的用户组，且所述提取的不同用户数据信号从所述接收侧缓冲器中被丢弃。
7.一种通过无线传输协作地联网数字混沌信号的方法，包括：
a.接收具有多个不同数据信号的聚合数据信号，所述多个不同数据信号包含源自多个用户的不同用户数据信号，其中所述多个不同数据信号中的每一个数据信号在发送侧用不同的混沌序列进行调制，
b.在所述接收侧解调所述多个不同的数据信号中的每一个数据信号以提取所述不同用户数据信号，使用产生的数字混沌序列数据库来进行所述数据信号的调制，其中产生所述数字混沌序列包括：将具有非线性动态的无特征波形记录在存储器中，缓冲所述无特征波形，针对所述缓冲的无特征波形的一特定扩频因子对固定数量的样本进行采样，针对特定扩频因子存储固定数量的样本的可变数量组，以形成所述数据库的条目，使得针对特定扩频因子的多组固定数量的样本不同，各组之间互相关性低，然后利用Gram-Schmidt过程处理所有组的片段，以协作的方式进行操作以便为共享无线介质的所有用户提高整体网络容量，其中未寻址到所述接收侧的所述提取的不同的用户数据信号在下一个传输机会处(Txop)或者在所述接收侧已知的由延迟和中断容忍协议指定的时间内通过所述无线介质被聚合，时间一致，且再次进行传输，和
c.根据特定组类的成员资格或非成员资格，对所提取的不同用户数据信号进行信号处理。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述提取的不同用户数据信号中的至少一个属于先验预定义的用户组中的至少一个，所述先验预定义的用户组为所述接收器所知，并由网络管理员或协调器所传送。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述提取的不同用户数据信号中的至少一个属于与所述接收侧设备相同的用户组，并且所述提取的不同用户数据信号中的至少一个被寻址到所述接收侧，并且被标记以指示所述不同用户数据信号包含具有唯一分组标识的分段的MAC有效载荷数据单元(MPDU)，并且其中MPDU的其余分段通过至少一个单独的传输被接收，其中所述MPDU的其余分段包含所述唯一分组标识。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述分段的MPDU和所述MPDU的其余分段在所述接收侧到达一MAC公共处理单元以进行重组。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述接收的分段MPDU被缓冲、排序且向前转发到所述MAC公共处理单元，以便用所述MPDU的其余分段进行重组。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述提取的不同用户数据信号不属于与所述接收侧设备相同的用户组，且所述提取的不同用户数据信号从所述接收侧缓冲器中被丢弃。
13.一种通过无线传输处理聚合的数字信号的方法，包括：
a.在接收侧接收聚合数据信号，所述聚合数据信号具有多个不同数据信号，所述多个不同数据信号包括源自多个用户的不同用户数据信号，其中所述多个不同数据信号中的每一个数据信号在发送侧用不同的混沌序列进行调制，
b.在所述接收侧解调所述多个不同的数据信号中的每一个数据信号以提取所述不同用户数据信号，所述多个数据信号中的每一个使用一产生的数字混沌序列数据库来进行调制，其中产生所述数字混沌序列包括：记录具有非线性动态的无特征波形，针对特定扩频因子对固定数量的样本进行采样以产生一组独立的数字混沌片段，针对特定扩频因子存储固定数量的样本的可变数量组，以形成所述数据库的条目，及将独立数字混沌片段转换为一组正交序列，该组正交序列跨越与该组数字混沌片段相同的子空间，和
c.以协作的方式进行操作以便为共享无线介质的所有用户提高整体网络容量，其中未寻址到所述接收侧的所述提取的不同用户数据信号在下一个传输机会处(Txop)或者在所述接收侧已知的由延迟和中断容忍协议指定的时间内通过所述无线介质被聚合，时间一致，且再次进行传输，其中所述接收侧以协作的方式与所述网络中的任何其他接收器进行操作，以便为共享所述无线介质的所有用户提高整体网络容量，
d.根据特定组类的成员资格或非成员资格，对所提取的不同用户数据信号进行处理。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述无特征波形是固有模拟混沌波形、非周期性波形或确定性映射特征的计算机模拟的非线性动态中的至少一个。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述多个不同数据信号中的每一个数据信号包括所述多个不同数据信号的前导码和中间码中的控制比特。
16.一种通过无线传输协作地联网数字混沌信号的方法，包括：
a.在接收侧接收数据信号，其中在发送侧用不同的混沌序列对所述数据信号进行调制，
b.在所述接收侧解调所述数据信号以提取不同用户数据信号，对所述数据信号使用产生的数字混沌序列数据库来进行调制，其中产生的所述数字混沌序列包括：将具有非线性动态的无特征波形记录在存储器中，缓冲所述无特征波形，针对所述缓冲的无特征波形的特定扩频因子对固定数目的样本进行采样，针对特定扩频因子存储固定数量的样本的可变数量组以形成所述数据库的条目，使得针对特定扩频因子的多组固定数量的样本不同，各组之间互相关性低，然后利用Gram-Schmidt过程处理所有组的分段，
c.根据特定组类的成员资格或非成员资格，对所提取的不同用户数据信号进行处理，和
d.信号处理所述提取的不同用户数据信号，以在所述无线介质上以协作的方式进行操作，使得它模仿来自共同原始源的传输并且将所有活动用户的总体网络容量提高到至少一个第二接收器，其中未寻址到所述第二接收器的所述处理的、提取的不同用户数据信号在下一个传输机会处(Txop)或者在所述接收侧已知的由延迟和中断容忍协议指定的时间内通过无线介质被聚合，时间一致且再次进行传输。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述无特征波形是固有模拟混沌波形、非周期性波形或确定性映射特征的计算机模拟的非线性动态中的至少一个。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述多个不同数据信号中的每一个数据信号包括所述多个不同数据信号的前导码和中间码中的控制比特。
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