CN109088717A - 多输入单输出的基于时间反转的多用户混沌通信方案 - Google Patents

多输入单输出的基于时间反转的多用户混沌通信方案 Download PDF

Info

Publication number
CN109088717A
CN109088717A CN201811246366.1A CN201811246366A CN109088717A CN 109088717 A CN109088717 A CN 109088717A CN 201811246366 A CN201811246366 A CN 201811246366A CN 109088717 A CN109088717 A CN 109088717A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
user
delay
time reversal
information
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811246366.1A
Other languages
English (en)
Inventor
张刚
赵畅畅
和华杰
曾光辉
黄南飞
张天骐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing University of Post and Telecommunications
Original Assignee
Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing University of Post and Telecommunications filed Critical Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority to CN201811246366.1A priority Critical patent/CN109088717A/zh
Publication of CN109088717A publication Critical patent/CN109088717A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/001—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols using chaotic signals
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0404—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas the mobile station comprising multiple antennas, e.g. to provide uplink diversity
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/001—Modulated-carrier systems using chaotic signals

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)

Abstract

一种多输入单输出的基于时间反转的多用户混沌通信方案，本方案属于通信系统领域。通过利用时间反转将两路的信息信号在每根延迟线后叠加在一起传输，达到传输两比特信息信号的目的。并结合多天线技术误码率低的特点，使得系统的误码性能大大提高。接收端采用非相关解调方式，将接收到的信息信号与延迟相应时间间隔后的信号取相关，然后经过判决门限，即可以恢复出此路延迟中的第一个用户；再让延迟后的信号经过时间反转与接收到的信号取相关，经过判决门限，即恢复出此路延迟中的第二个用户。本方案与传统的多用户混沌通信系统相比具有更加优良的性能，使其在无线通信领域有着良好的应用前景。

Description

多输入单输出的基于时间反转的多用户混沌通信方案
技术领域
本发明旨在设计一种多输入单输出的基于时间反转的多用户差分混沌键控通信方案(MISO-TRM-DCSK)，将差分混沌移位键控(DCSK)技术与时间反转(Time Reverse)技术结合改进其传输速率，并利用多天线技术改善系统的误码性能。
背景技术
非线性科学是一门研究非线性现象共性的基础科学，被誉为20世纪自然科学的“第三次大革命”。作为非线性科学的一个重要分支，混沌理论的研究及其应用成为十分诱人的研究课题。由于混沌信号存在良好的非周期性、内在随机性、类噪声性及对系统的初始条件非常敏感的特点，使其在保密通信中具有很大的实际应用价值。而混沌数字调制技术作为在保密通信中的一种典型应用，主要是利用非周期的混沌信号代替传统的数字通信中的正弦载波，利用其宽频特性实现频谱扩展。
在混沌数字调制系统中，研究最广泛的系统便是差分混沌移位键控(Differential Chaos Shift Keying,DCSK)系统和相关延迟键控(Correlation DelayShift Keying,CDSK)系统。DCSK系统中的调制部分采用的调制方式为传输-参考(Transmitted-Reference,T-R)模式，所以其误码性能很好。但由于DCSK系统将参考信号和数据承载信号同时传输，参考信号不携带信息却要花费一个时隙的时间来传递，这样降低了传输效率。CDSK在一个帧周期内将参考信号和信息承载信号叠加后一起传输，虽然提高了系统的传输效率，但是由于调制端发送的是参考信号与信息信号之和，所以解调端进行相关解调时会引入信号内干扰，降低了系统的误码性能。
自上世纪80年代以来，在发射端(接收端)使用多天线阵列的多输入(输出)技术逐渐收到关注。研究表明：在系统发射端设置多天线，为接收机提供多个独立衰落副本，可以对抗信道衰落，获得性能提升，有效降低误码率。
综上所述，针对DCSK系统传输速率低和进一步提高系统误码性能的问题，提出了一种新型的混沌数字通信方案——多输入单输出的基于时间反转的多用户差分混沌键控通信方案(MISO-TRM-DCSK)。
发明内容
本发明针对DCSK传输速率低以及进一步提高误码性能的问题，提出一种多输入单输出的基于时间反转的多用户混沌通信系统。
本发明所要解决的技术问题是：本发明在加性高斯白噪声信道(AWGN)上对其性能进行了研究，并探究了不同混沌序列长度对系统性能的影响。最后将高斯近似法(GA)推导出来的误码率公式和蒙特卡洛仿真实验进行了对比，从而证明了理论的正确性。
针对本发明所提出方案的实施办法为：在传统DCSK系统的延迟线之后，利用时间反转区分信息承载信号，使其可以传输两比特的信息信号。同时将其扩展成为多用户通信系统，并在此系统的发射端设置多天线，降低系统的误码率。接收端采用非相关解调方式解调出每个支路的数据信息，将接收到的信息信号与延迟相应时间间隔后的信号取相关，可以恢复出此路延迟中的第一个用户，再让延迟后的信号经过时间反转与接收到的信号取相关，即恢复出此路延迟中的第二个用户。这种解调方式，不需要在解调端同步出混沌载波，也不需要传统扩频通信所必需的信道估计，因此结构十分简单。
附图说明
图1本发明MISO-TRM-DCSK系统帧结构图；
图2本发明MISO-TRM-DCSK系统发射机结构图；
图3本发明MISO-TRM-DCSK系统接收机结构图；
图4本发明β＝128，256，512时，系统实验值与理论值对比图；
图5本发明不同N值下，Eb/N0与系统BER之间的关系图；
图6本发明N＝8时，β与系统BER之间的关系图；
图7本发明不同Eb/N0值下，N与系统BER之间的关系图；
图8本发明N＝4时，不同系统的性能曲线对比图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实例，对本发明的实施作进一步的描述。
图1所示为发明MISO-TRM-DCSK系统调制框图，具体步骤：
该系统采用Logistic映射生成一段长度为b的混沌序列yi，再经过符号函数形成比特能量恒定的混沌信号xi，如下式(1)所示：
式(1)中i＝(0,1,2,...β)，xi∈{-1,+1}，E(xi)＝0,var(xi)＝1。
在MISO-TRM-DCSK系统中，首先将发送的混沌信号xi作为参考信号，然后在每根延迟线后的信息时隙中，利用时间反转以区别不同的用户，使每路延迟后均可以传输两比特的信息信号。该系统的帧结构图如图2所示。
如图1所示，MISO-TRM-DCSK系统在第k比特周期中，发射端通过不同的发射天线传送多个发射信号的副本。因此，第h个天线的发送信号表达式如式(2)所示：
由式(2)可得TRM-DCSK系统的平均比特能量Eb为：
在接收端，为了恢复出所传输的信息比特，将接收到的信息信号ri与延迟相应时间间隔后的信号取相关，可以恢复出此路延迟中的第一个用户，再让延迟后的信号经过时间反转与接收到的信号取相关即恢复出此路延迟中的第二个用户。MISO-TRM-DCSK系统接收端的结构如图3所示。
为了解调TRM-DCSK系统中第k帧的信息信号，需要分两种情况进行讨论：
1)当解调第2m-1(m＝1,2,...,M)个用户的信息时，则输出判决变量的表达式应为：
2)当解调第2m(m＝1,2,...,M)个用户的信息时，则输出判决变量的表达式应为：
在根据式(6)的判决准则，就可以恢复出信息信号b2m-1和b2m。
假设接收信号只受到加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)干扰，则接收信号ri的表达式为：
其中ni,v是第v条天线中均值为零，方差为N0/2的加性高斯白噪声。
对第k帧内的第2m-1个用户和第2m个用户进行解调，下面以第个2m-1用户为例进行分析。由式(7)得MISO-TRM-DCSK系统的输出判决变量表达式为：
在公式(8)中：
公式(9)中的第一项为有用信号项，第二项为信号间干扰项，公式(10)及公式(11)分别为噪声与信号之间的干扰项、噪声与噪声之间的干扰项。
由中心极限定理可知系统的相关输出Z2m-1可近似的看作高斯分布，所以采用高斯近似法(GA)推导了MISO-TRM-DCSK在高斯信道中的BER公式。利用GA推导MISO-TRM-DCSK的误码率公式时，都是在以下的假设条件下实现的：
1)发送的二进制数据“+1”和“-1”是等概率出现的。
2)ni,v是均值为零，方差为N0/2的高斯白噪声，对于i和j，ni,v不仅与xi互不相关，并且当i≠j的时候，ni,v与nj,v也是互不相关的。
基于以上的假设，误码率公式的具体推导如下：
其中，erfc为补误差函数，表达式为
由公式(12)、(13)和(14)可以求得MISO-TRM-DCSK系统在第k帧内第2m-1个用户的误码率公式为：
同理可求得MISO-TRM-DCSK在第k帧内第2m个用户的误码率公式为：
即MISO-TRM-DCSK系统在第k帧内任一用户的误码率公式为：
为了叙述简洁方便，令N(N＝2m)表示系统传输的用户数。
图4代表MISO-TRM-DCSK方案在不同的扩频因子条件下，理论比特误码率仿真曲线和Monte Carlo仿真曲线，当扩频序列β较大时理论值和Monte Carlo仿真十分吻合，证明了理论分析的正确性；图5表示不同用户数的情况下，该系统的误码率随信噪比变化的性能曲线，系统的误码率随N的增加而降低，即该系统的误码性能变好；图6表示扩频序列β与MISO-TRM-DCSK系统误码性能之间的关系曲线图，随着β增加系统的误码率先降低后增加，所以存在最佳β值使得系统误码性能最佳；图7表示Eb/N0＝9,12,14时，系统的误码性能随用户数变化的性能曲线，随着N的增加系统的误码性能变好，但是当用户数增大到一定值的时候，系统的BER趋于稳定；图8表示的是MISO-TRM-DCSK系统与VDMA-DCSK系统及MU-SSDCSK系统误码性能对比曲线图，突显了MISO-TRM-DCSK系统具有良好的误码性能。
本发明通过利用时间延迟的不同区分不同的信息时隙，在每个信息时隙中利用时间反转可以传输两比特的信息信号，同时还引入了多天线技术提高系统的误码性能。通过比较理论值和蒙特卡洛仿真证明了理论推导的正确性，最后实验结果还表明MISO-TRM-DCSK系统的误码性能相比于传统的多用户系统有了很大提升。通过以上说明可以看出本发明在混沌数字通信方面具有很好的研究意义和应用价值。

Claims (3)

1.一种多输入单输出的基于时间反转的多用户混沌通信方案，其步骤在于，通过在传统DCSK系统的延迟线后利用时间反转区分信号使其能够传输两比特的信息，并将其扩展成为多用户通信系统；在系统的调制端，将混沌信号发生器产生的混沌序列经符号函数归一化后产生一个新的混沌序列，然后进行M路延迟；该系统利用时间延迟的不同来区分不同的信息时隙，在每个信息时隙中利用时间反转可以传输两比特的信息信号，然后将这两比特的信息信号叠加后作为信息承载信号一起发送，并在发射端设置多天线用以对抗信道衰落，降低该系统的误码率；在系统的解调端，接收到的信息信号与延迟相应时间间隔后的信号取相关，再让延迟后的信号经过时间反转与接收到的信号取相关，最后通过判决门限来解调出发送信息，即相关值大于零，被判为“+1”，反之，判为“-1”。
2.根据权利要求1所述的通信方案，其特征在于，该方案每帧信号携带Nbit的用户信息，并利用时间反转减少了延迟结构，提高了系统的误码性能。
3.根据权利要求1所述的估计方法，其特征在于，接收端解调采用非相关解调方式，该方法采用简单的延迟电路即可实现，方法简单，硬件成本低。
CN201811246366.1A 2018-10-24 2018-10-24 多输入单输出的基于时间反转的多用户混沌通信方案 Pending CN109088717A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811246366.1A CN109088717A (zh) 2018-10-24 2018-10-24 多输入单输出的基于时间反转的多用户混沌通信方案

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811246366.1A CN109088717A (zh) 2018-10-24 2018-10-24 多输入单输出的基于时间反转的多用户混沌通信方案

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109088717A true CN109088717A (zh) 2018-12-25

Family

ID=64844115

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811246366.1A Pending CN109088717A (zh) 2018-10-24 2018-10-24 多输入单输出的基于时间反转的多用户混沌通信方案

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109088717A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111817993A (zh) * 2020-06-09 2020-10-23 重庆邮电大学 改进型短参考相关延迟移位键控通信方案
CN111988128A (zh) * 2019-05-21 2020-11-24 重庆邮电大学 多输入单输出的多用户正交高效dcsk通信方案

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7593531B2 (en) * 2004-05-07 2009-09-22 The Hong Kong Polytechnic University Methods and systems for transceiving chaotic signals
CN103905358A (zh) * 2014-03-10 2014-07-02 重庆邮电大学 一种改进型差分混沌键控dcsk保密通信方法
CN104009834A (zh) * 2014-04-22 2014-08-27 重庆邮电大学 一种基于差分混沌键控dcsk的mimo保密通信方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7593531B2 (en) * 2004-05-07 2009-09-22 The Hong Kong Polytechnic University Methods and systems for transceiving chaotic signals
CN103905358A (zh) * 2014-03-10 2014-07-02 重庆邮电大学 一种改进型差分混沌键控dcsk保密通信方法
CN104009834A (zh) * 2014-04-22 2014-08-27 重庆邮电大学 一种基于差分混沌键控dcsk的mimo保密通信方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AHMED E. FOUDA: "Time-reversal techniques for MISO and MIMO wireless communication systems", 《RADIO SCIENCE》 *
GANG ZHANG: "Design and Performance Analysis of MISO-SRMR-DCSK System over Rayleigh Fading Channels", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF ANTENNAS AND PROPAGATION》 *
NIZAR ALBASSAM: "Design of DCSK based on modified time reversal technique", 《ELECTRICAL & ELECTRONIC ENGINEERING | RESEARCH ARTICLE》 *
段俊毅: "CDSK混沌通信系统关键技术研究", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *
王传刚: "基于DCSK的混沌数字调制技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111988128A (zh) * 2019-05-21 2020-11-24 重庆邮电大学 多输入单输出的多用户正交高效dcsk通信方案
CN111817993A (zh) * 2020-06-09 2020-10-23 重庆邮电大学 改进型短参考相关延迟移位键控通信方案

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tsonev et al. Novel unipolar orthogonal frequency division multiplexing (U-OFDM) for optical wireless
Lundén et al. Spectrum sensing in cognitive radios based on multiple cyclic frequencies
CN113595951B (zh) 一种基于混合索引的差分混沌相移键控通信方法及系统
CN109347619A (zh) 一种无信号间干扰的cd-dcsk混沌通信方案
CN102025669B (zh) 基于双多进制准正交扩频复合相位调制的短波数据传输方法
CN111988251A (zh) 一种改进型正交多用户差分混沌通信系统
CN106209712B (zh) 基于码下标调制的差分混沌移位键控调制解调装置
Yang et al. A high data rate solution for differential chaos shift keying based on carrier index modulation
CN111770040A (zh) 一种改进型多用户dcsk混沌通信系统
CN109088717A (zh) 多输入单输出的基于时间反转的多用户混沌通信方案
CN113114600A (zh) 一种再差分排列索引的差分混沌移位键控调制器及方法
CN109802823A (zh) 多输出单输入多载波相关延迟键控方案
CN108809378A (zh) 基于有限字符集信号输入的无线携能mimo预编码方法
CN106878218A (zh) 一种用于ieee802.15.4的高可靠性解调方法
CN107872412A (zh) 一种高效节能的差分混沌通信系统
CN111314027A (zh) 一种双向中继信道物理层网络编码的符号检测方法
CN103269236A (zh) 码元分组时移位置扩频调制和解调方法
CN111988128A (zh) 多输入单输出的多用户正交高效dcsk通信方案
CN104202148A (zh) 一种基于fm-dcsk保密通信方法
CN104618297A (zh) Ofdm-dcsk通信系统
Luo et al. Ambient backscatter communication design over DCSK signals
ShirinAbadi et al. On approximation of Gaussian Q-function and its applications
CN109217968B (zh) 一种基于相移键控技术的采用cdma技术的近距离无线网络
CN113114452A (zh) 一种基于高维混沌的多用户保密通信方法
Zhang et al. Multi-user high rate security differential chaos shift keying

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20181225

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication