CN111770040A - 一种改进型多用户dcsk混沌通信系统 - Google Patents

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CN111770040A CN202010547309.8A CN202010547309A CN111770040A CN 111770040 A CN111770040 A CN 111770040A CN 202010547309 A CN202010547309 A CN 202010547309A CN 111770040 A CN111770040 A CN 111770040A
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张刚
和华杰
何平
王磊
雷家洪
贺利芳
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

本发明请求保护一种改进型多用户DCSK混沌通信系统，本方案属于通信技术领域。将传统的差分混沌键控(DCSK)调制技术进行改进，以达到提升误码性能的目的。在发送端使用改进的混沌信号发生器产生一组正交的混沌序列xi,k和
Figure DDA0002541180330000011
使每一路信息信号可以传输两比特，并扩展为多用户，使每帧信号能传输2N个信息比特。在接收端，将接收到的信号ri，k通过发送端所使用的编辑器转换为
Figure DDA0002541180330000012
然后进行对应的相关运算，并进行门限判决后，就可以恢复出相应的比特信息。门限判决准则为：若相关解调器的输出结果大于等于0，则判定发送的信息信号为“+1”；反之，则判定发送的信息信号为“‑1”。本系统相较于DCSK系统、OMU‑DCSK系统以及NISI‑MU‑CDSK系统有更好的误码性能。因此，在通信领域有重要的应用价值。

Description

一种改进型多用户DCSK混沌通信系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及的一种改进型多用户DCSK混沌通信系统是对经典的差分混沌键控(DCSK)调制技术中的混沌信号发生器进行改进，并进行多用户扩展所得。
背景技术
1990年，美国海军实验室的研究人员首次通过实验发现：使用驱动-响应方法能够使两个耦合的混沌系统实现同步并且产生相同的混沌轨迹。这一突破性的发现为混沌理论应用于通信领域提供了可能。此后，国内外的众多学者开始研究并利用混沌控制和混沌同步实现保密通信，正式开启了混沌理论在通信与信息安全领域的应用。
混沌信号具有极端的初值敏感性、类随机性和长期的不可预测性等复杂特性。借助这些特性，其携带的信息更难被截获或窃听，通信安全性得以提升，因此混沌信号在一定程度上可以满足保密通信的某些独特要求。此外，混沌信号所具有的良好频谱特性和自(互)相关特性也恰好满足扩频通信对扩频码的特殊要求。基于上述原因，混沌在信息安全与通信领域有着诱人的应用前景和重大的实用价值。
近二十多年来，对混沌通信的研究取得了突破性进展，已提出多种基于混沌的数字通信方案。作为第一种混沌数字调制技术，混沌移位键控(Chaos Shift Keying,CSK)是由Parlitz和Dedieu分别在1992年和1993年提出的。根据解调时是否需要在接收端恢复出同步的混沌载波,CSK系统可以使用相干接收(又称需要混沌同步)和非相干接收(又称无混沌同步)两种方式实现解调。混沌同步难以实现，而CSK系统中又存在判决门限漂移问题。为此，研究人员又相继提出了两种经典的非相干混沌通信系统，分别为差分混沌移位键控(Differential Chaos Shift Keying,DCSK)系统和相关延迟移位键控(CorrelationDelay Shift Keying,CDSK)系统。DCSK系统不能连续发送信号，且传输效率不高，因此，广大学者开始对多用户DCSK系统进行研究，但大多数的多用户DCSK系统由于判决变量中的信号间干扰导致误码性能很差。
鉴于此，本发明将传统的DCSK系统中的混沌信号发生器进行改进，并扩展为多用户，提出了一种改进型多用户差分混沌键控混沌通信系统(Improved MultiuserDifferential Chaos Shift Keying,I-MU-CDSK)混沌通信系统。
发明内容
本发明针对差分混沌键控(DCSK)系统误码性能较差和传输速率较低的问题，提出了一种改进型多用户DCSK混沌通信系统。将传统的DCSK系统中的混沌信号发生器进行改进，并扩展为多用户，达到了提升DCSK系统信息传输速率和改善误码性能的目的。
对于本发明所提出的方案，其实施步骤为：
步骤1：在发送端利用改进的混沌信号发生器产生一组正交的、长度为β的混沌信号xi,k和
Figure BDA0002541180310000021
xi,k由Logistic混沌映射产生。
步骤2：首先将其中的xi,k作为参考信号进行传输，然后将长度为2N的串行比特流分为N组，每组两个比特的并行比特流，之后将每组的两个比特信息b2nk-1,b2nk∈{+1,-1}分别调制在经过不同延迟线的信号xi-nβ,k和
Figure BDA0002541180310000031
上，使每一帧信号可以传输2N个信息比特；
步骤3：传输信号si,k在AWGN信道传输的过程中受噪声ξi,k干扰，在接收端得到信号ri,k；
步骤4：接收端采用非相干解调从接收信号ri,k中提取信息比特b2nk-1和b2nk，其中n＝1,2,...,N。首先把接收到的信号ri,k与延迟相应时间的信号作相关解调可以恢复这一路的第一个用户比特，然后将ri,k通过编辑器转换为
Figure BDA0002541180310000034
并将
Figure BDA0002541180310000035
与延迟相应时间的信号作相关解调后乘以-1来恢复这一路的第二个用户比特，最后将判决变量经过相应的门限判决检测其正负，即可恢复信息比特
Figure BDA0002541180310000032
和
Figure BDA0002541180310000033
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种改进型多用户DCSK混沌通信系统，其误码性能比DCSK系统，甚至多用户的OMU-DCSK系统以及NISI-MU-CDSK系统更优越。
附图说明
图1本发明改进的混沌信号发生器结构图；
图2本发明I-MU-DCSK系统发送端结构图；
图3本发明I-MU-DCSK系统接收端结构图；
图4本发明β＝128,256,512时，系统实验值与理论值对比图；
图5本发明随信息路数N变化，系统的误码率曲线图；
图6本发明当β＝128时不同系统的性能曲线对比图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的实施进行详细描述。首先为了解决信号间干扰分量带来的误码性能较差的问题，本文采用了改进的混沌信号发生器，图1为该发生器的结构图，由该发生器产生一段长度为β的混沌序列xi,k，该序列由Logistic混沌映射产生，然后将其分为两路，第一路直接输出xi,k，第二路将xi,k通过编辑器后转换为
Figure BDA0002541180310000041
编辑器的作用是将混沌序列xi,k奇数位置的值设置为相反的数字，然后再将奇数位置的值与相邻偶数位置的值进行交换，具体生成过程表示如下：
Figure BDA0002541180310000042
图2为本发明改进型多用户DCSK混沌通信系统的发送端结构图。以第k帧发射的信号为例，利用改进的混沌信号发生器一组正交的、长度为β的混沌信号xi,k和
Figure BDA0002541180310000043
首先将其中的xi,k作为参考信号进行传输，然后将长度为2N的串行比特流分为N组，每组两个比特的并行比特流，之后将每组的两个比特信息b2nk-1,b2nk∈{+1,-1}分别调制在经过不同延迟线的信号xi-nβ,k和
Figure BDA0002541180310000044
上，使每一帧信号可以传输2N个信息比特，所以该系统的第k帧发射信号可表示为：
Figure BDA0002541180310000045
则发送端信号的平均比特能量Eb为：
Figure BDA0002541180310000046
图3为本发明一种改进型多用户DCSK混沌通信系统的解调端结构图。接收端采用非相干解调从接收信号ri,k中提取信息比特b2nk-1和b2nk，其中n＝1,2,...,N。首先把接收到的信号ri,k与延迟相应时间的信号作相关解调可以恢复这一路的第一个用户比特，然后将ri,k通过编辑器转换为
Figure BDA0002541180310000051
并将
Figure BDA0002541180310000052
与延迟相应时间的信号作相关解调后乘以-1来恢复这一路的第二个用户比特，其中相关器所得到的得到判决变量Zk,2n-1和-Zk,2n可以表示为：
Figure BDA0002541180310000053
Figure BDA0002541180310000054
信号在传输过程中只受到加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)的干扰，则接收端接收到的信号ri,k可以表示为：
ri,k＝si,k+ξi,k (6)
其中，si,k为发射信号；ξi,k是均值为零，方差为N0/2的高斯白噪声。之后将公式(4)和公式(5)展开可以得到：
Figure BDA0002541180310000055
Figure BDA0002541180310000056
以公式(7)为例，第一项为有用信号项，后面的项包括信号与高斯噪声之间的干扰项以及高斯噪声之间的干扰项。
对公式(7)和公式(8)进行如下的门限判决，即可解调出相应的用户比特信息：
Figure BDA0002541180310000061
Figure BDA0002541180310000062
Logistic混沌映射易于实现。因此，本发明中选用该映射产生混沌序列。通过Logistic映射产生的混沌序列xi,k如下：
Figure BDA0002541180310000063
式中i＝(0,1,2,...,β)。则混沌序列满足：
Figure BDA0002541180310000064
Figure BDA0002541180310000065
E[·]表示均值，var[·]表示方差，信道的噪声干扰是采用均值为零，方差为N0/2的高斯白噪声。
下面利用高斯近似法(GA)来推导理论误码率公式。对于ξi,k与ξj,k，当i≠j时，这两者是相互独立的；对于ξi,k与xj,k，当i≠j时，这两者同样是相互独立的，基于以上假设，根据中心极限定理，当扩频因子β较大时，式(7)和公式(8)中的判决变量的各项都可以近似的看作高斯分布。从公式(7)和公式(8)可以看出其中的项是类似的，不失一般性的，对-I-MU-DCSK系统而言，第k帧解调第n个用户信息的输出判决变量的均值方差为：
E[Zk,n]＝βbn (12)
Figure BDA0002541180310000066
假设系统等概率发送二进制信息，则由式(12)和(13)可得信息比特bkn的误判概率为：
Figure BDA0002541180310000071
其中，erfc(·)为互补误差函数，表示为：
Figure BDA0002541180310000072
图4是改进型多用户DCSK混沌通信系统在扩频因子β的不同取值时，理论误码率仿真曲线和Monte Carlo仿真曲线，其中信息路数N＝2。可以发现，图4中理论误码率仿真曲线和相应的Monte Carlo仿真曲线吻合的非常好；另一个方面，随着扩频因子β的增大时，误码率逐渐增大。图5为信息路数N取不同值时，改进型多用户DCSK混沌通信系统误码率的变化曲线图，其中扩频因子β＝128。由图5知，随着信息路数N的增加，误码率逐渐减小。图6所示为改进型多用户DCSK混沌通信系统与传统的DCSK系统以及多用户的NISI-MU-CDSK系统和OMU-DCSK系统的误码性能曲线对比图，其中扩频因子β＝128。通过图6的比较，可以发现本发明所提供方案的误码性能优于DCSK系统，甚至略优于OMU-DCSK系统和NISI-MU-CDSK系统。证明了本发明所提供的系统具有一定优势。
本发明通过将传统的DCSK调制技术的混沌信号发生器加以改进，并扩展为多用户系统，使得传输速率和误码性能得到提升。仿真结果也表明误码性能明显的得到了改善。理论误码率仿真曲线和Monte Carlo仿真曲线相吻合，说明了理论推导的正确性。通过以上说明可以看出本发明在混沌数字通信领域具有重要的应用价值。

Claims (3)

1.一种改进型多用户DCSK混沌通信系统，其步骤在于，将传统的差分混沌键控(DCSK)调制技术进行改进，并扩展为多用户系统。在发送端使用改进的混沌信号发生器产生一组正交的混沌序列xi,k和
Figure FDA0002541180300000011
使每一路信息信号可以传输两比特，并扩展为多用户，使每帧信号能传输2N个信息比特，在接收端，将接收到的信号ri,k通过发送端所使用的编辑器转换为
Figure FDA0002541180300000012
然后进行对应的相关运算得到判决变量，接收端判决变量中的信号间干扰由于改进的混沌信号发生器的特性被抵消了，然后对判决变量进行门限判决，即可恢复信息比特。其中门限判决的准则如下：判决变量值大于等于0，信息比特被判为“+1”；反之，则被判为“-1”。
2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，采用了改进的混沌信号发生器，并将其扩展为多用户系统，使得该系统的误码性能比DCSK系统，甚至多用户的OMU-DCSK系统以及NISI-MU-CDSK系统更优越。
3.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，通过采用改进的混沌信号发生器，使得系统在解调过程中不存在信号间干扰，使该系统的误码性能相比于DCSK系统有明显的改善。该方案的解调方法简单，硬件设计复杂度低。
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