CN109412988A - 一种正交多用户混沌键控通信方案 - Google Patents

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张刚
陈和祥
徐联冰
许嘉平
张天骐
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Abstract

本发明请求保护一种正交多用户混沌键控通信方案，本方案属于通信系统领域。该系统利用正交混沌信号发生器产生两段正交的混沌信号，将两段正交的混沌信号加在一起作为参考信号。通过延迟不同时间来区分不同信息信号，每个信息信号传输N个用户信息，用Walsh码区分开来，依次取第一路和第二路的正交混沌信号与加和在一起的用户信息相乘作为一个信息信号。利用正交混沌信号发生器产生的正交混沌信号可以彻底消除信号内干扰，有效改善系统误码性能。推导系统在AWGN和瑞利衰落信道下的误码率公式并进行仿真。仿真结果表明，系统能够提升其传输速率并改善其误码率，具有很好的应用价值。

Description

一种正交多用户混沌键控通信方案
技术领域
本发明旨在设计一种正交多用户差分混沌键控通信方案(OMU-DCSK)，使其在原有的差分混沌移位键控(DCSK)技术上改进其传输速率，并且通过正交混沌信号发生器消除其信号内干扰，改善其误码性能。
背景技术
19世纪中期，混沌首次进入科学家的视野，1990年，美国海军发现了混沌同步现象，自此混沌进入到数字通信的研究中。混沌代替了原来的正余弦信号作为混沌数字通信的载波。混沌信号产生简单，同时自身具有很好的相关性和互相关性。混沌的良好性质使其在数字通信中得到了广泛的应用。
目前在混沌数字通信中应用最多的是1996年由Kolumban等人提出的差分混沌键控(differential chaos shift keying，DCSK)和2000年Sushchik等人提出的CDSK系统。DCSK有着良好的抗噪声性能以及很强的抗衰落性，但由于DCSK系统是将参考信号和数据信号同时传输，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，同时消耗了比特能量。CDSK是将参考信号和数据信号加和放在一个时隙里传输，省去了传送参考信号的麻烦。但CDSK由于产生了较多的干扰相关项使其误码率逊色于DCSK。从DCSK，CDSK被提出到现在，众多的研究者针对DCSK，CDSK提出了许多的改良方案。
发明内容
本发明针对DCSK传输速率低的问题，提出了一种正交多用户的差分混沌通信系统。此发明的传输速度为传统DCSK的4N/3倍，同时采用正交混沌信号发生器消除信号内干扰，相比于无正交混沌信号发生器，误码性能得到提升。
针对本发明所提出方案的实施办法为：采用正交混沌信号发生器产生两路正交的混沌信号，将两段正交的混沌信号加在一起作为参考信号。总共延迟2M，每一根延迟线都发送N用户信息，不同用户信息通过不同Walsh码区分，第一路正交混沌信号与延迟M的信息相乘作为一个信息信号，第二路正交混沌信号与延迟2M的信息相乘作为另一个信息信号。解调时，接收端接收到的信号分别与各自延迟后的信号作相关，并乘以对应的Walsh码。每次相关后的数据通过门限判决，即相关值大于零，被判为“+1”，反之，判为“-1”。
本发明分别在加性高斯白噪声信道(AWGN)和瑞利衰落信道进行了其性能的研究，通过高斯近似法(GA)推导出来的误码率和蒙特卡洛进行了对比，从而证明理论的正确性。
附图说明
图1本发明正交混沌信号发生器；
图2本发明OMU-DCSK系统发射机结构图；
图3本发明OMU-DCSK系统帧结构图；
图4本发明OMU-DCSK系统接收机结构图；；
图5本发明不同混沌序列长度在AWGN信道的BER曲线；
图6本发明β＝128时不同用户数在AWGN信道的BER曲线；
图7本发明有无正交混沌信号发生器在AWGN信道的BER曲线；
图8本发明和两种情况在瑞利信道的BER曲线；
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给出了正交混沌信号发生器，首先，开关同时打在上面的开关，经过β/2后，开关同时打下来。在一个β时间内，前半段两路信号相同，后半段两路信号相反，即可构成两路正交的混沌信号。两路信号的表达式为：
xi＝xi+β/2,mβ＜i≤mβ+β/2 (1)
yi＝-yi+β/2,mβ＜i≤mβ+β/2 (2)
同时还满足：
OMU-DCSK系统首先将正交混沌信号发生器产生的两路信号加在一起作为参考信号，总共延迟2M，每根延迟线上传输N个用户，这N个用户在同一信息信号中传输，不同用户用Walsh码区分开来。系统发射端结构和帧结构分别如图2和图3所示。由图2可知，系统在第k帧内信号表达式为：
由(4)式可计算出系统的平均比特能量Eb为
要解调出信息信号中每个用户的信息比特，接收端将延迟不同时间后的信号与其本身作相关，再乘以每个用户对应的Walsh码，最后进行判决。以第一个信息信号中所有用户信息为例，接收端结构如图4所示。
接收端接收到的信号ri可以表示为：
ri＝si+ξi (6)
其中，ξi为均值为零，方差为N0/2的高斯白噪声。
相关器输出可以表示为：
以第一个信息信号为例，其中：
通过式(7)和式(8)对相关结果进行判决，可以得到信息比特bj,1,bj,2。
利用GA法来推导OMU-DCSK系统在高斯信道的误码率。假设式(7)和式(8)里的各项都近似服从高斯分布，以第一个信息信号为例，则对式(7)中的各项进行简单的计算：
其中，E[·]表示数学期望运算，var[·]表示方差运算。
混沌发生器采用的是归一化的Logistic映射，即有E[xi]＝0，E[xi 2]＝1以及var[xi 2]＝0,在AWGN信道下OMU-DCSK系统的BER公式可以表示为：
假设OMU-DCSK系统在瑞利衰落信道中的情况分析如下：
首先假定衰落的过程为慢衰落，则信号的瞬时信噪比可以表示为：
其中α(t)服从瑞利分布则α2服从两个自由度的χ2分布。rb的概率密度函数为：
其中，
在瑞利信道OMU-DCSK系统的BER公式可以表示为：
图5表示OMU-DCSK系统随扩频因子变化的BER曲线。从图中可以看出理论值和实验值基本吻合，可以证明公式推导的正确性。图6表示不同用户数随信噪比变化的BER曲线。由图可知，用户数增大，系统误码性能变差，这是因为用户数增大，用户与噪声方差干扰变大，引起性能的变差。图7表示系统有无正交混沌信号发生器的比较图。有OCG的系统误码性能优于无OCG的系统，这是因为OCG消除信号内干扰，改善误码性能。图8表示系统在不同情况下，不同扩频因子在瑞利信道下的仿真曲线。由图可知扩频因子越小，系统误码性能越好；第一种情况即比第二种情况即要好。
本发明利用正交混沌信号发生器产生两段正交的混沌信号，将两段正交的混沌信号加在一起作为参考信号。通过延迟不同时间来区分不同信息信号，每个信息信号传输N个用户信息，这些用户信息通过加法器在同一信息信号中传输，用Walsh码区分开来，依次取第一路和第二路的正交混沌信号与加和在一起的用户信息相乘作为一个信息信号。利用正交混沌信号发生器产生的正交混沌信号可以彻底消除信号内干扰，有效改善系统误码性能。推导系统在AWGN和瑞利衰落信道下的误码率公式并进行仿真。仿真结果表明，系统能够提升其传输速率并改善其误码率。

Claims (3)

1.一种正交多用户混沌键控通信方案，其步骤在于，首先正交混沌信号发生器产生两路正交的混沌信号，将两路信号相加作为参考信号，通过不同的延迟分别取第一路和第二路的信号作为信息信号，在每一路的延迟线上发射N个用户，用户用Walsh码区分开来，接收端采用非相干解调，将接收到的信号与延迟后的信号作相关，再乘以对应的Walsh码解调出用户对应的比特信息，最后通过判决门限进行判决，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，该方案在一帧三个时隙内传输2N用户信息，而传统DCSK系统在一帧两个时隙内传输1用户信息，传输速率为DCSK系统的4N/3倍，速率大大提升，同时由于采用正交混沌信号发生器，消除信号内干扰，系统误码性能得到改善。
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，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。
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