CN111988128A - 多输入单输出的多用户正交高效dcsk通信方案 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种多输入单输出的多用户正交高效DCSK通信方案，本方案属于通信系统领域。通过利用正交混沌信号发生器产生两路严格正交的混沌载波，然后使用Walsh码将其扩展成为多用户系统，不仅消除了信号间干扰分量，而且提高了系统的频谱效率。此外，在发射机端设置多根独立的天线，为接收机提供多个独立衰落的副本，可以抵抗信道衰落。接收端采用非相干解调方式解调出每个用户的数据信息，利用相关器把接收信号和相应延迟信号以及Walsh码进行相关运算，然后经过判决门限，即可恢复出每个用户的数据信息。若相关运算的结果大于零，则判定发送的信息信号为“+1”，若相关运算的结果小于零，则判定发送的信息信号为“‑1”。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重要的应用价值。

Description

多输入单输出的多用户正交高效DCSK通信方案

技术领域

本发明旨在设计一种多输入单输出的多用户正交高效DCSK(MISO-MU-OHE-DCSK)通信方案，将多用户技术与差分混沌移位键控(DCSK)技术结合，使其传输速率明显提高，并利用多天线技术增强系统的误码性能。

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”。混沌现象作为非线性动力学系统中所特有的一种运动形式，广泛存在于自然界及人类社会中，揭示了自然界及人类社会中普遍存在的复杂性、确定性和随机性的统一、有序和无序的统一。所谓的混沌现象，就是在特定系统中产生的，貌似随机的，难以预测的无规则运动。

混沌通信是利用混沌信号作为载波，代替传统的正弦载波，将传输信号隐藏在混沌载波之中，在接收端，利用混沌的属性或同步特性解调出所传输的信息。混沌信号具有许多特殊的性质，如：非周期性、长期的不可预测性、类似于白噪声的宽频谱特性、良好的自(互)相关特性、数目众多以及产生设备简单等，这些性质恰好满足了保密通信、扩频(Spread Spectrum,SS)通信和多用户通信系统对信号的某些特殊要求。因此，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，混沌通信研究取得了突破性进展，已提出多种混沌通信方案。其中由混沌移位键控不断改进和完善而发展起来的混沌键控调制系统是目前研究的最多的一种混沌数字通信方法。

在混沌键控调制系统中，最为典型的两种系统分别为差分混沌移位键控(Differential Chaos Shift Keying,DCSK)和相关延迟移位键控(Correlation DelayShift Keying,CDSK)。DCSK系统采用传输-参考(Transmitted-Reference,T-R)模式，发送的每一比特信息信号由两段长度相同的混沌信号组成，第一段信号为参考信号，第二段信号用于携带信息信号。若发送的信息为“+1”，则发送两段信号相同，若发送信息为“-1”，则携带信息的信号与参考信号相反。为解决DCSK不能连续发送信号和传输效率不高的问题，2000年Sushchik等人提出了CDSK系统，CDSK系统的改进在于将加法器替代了DCSK系统中的开关，使得信息传输速率相对于DCSK提高了1倍。然而CDSK系统误码率较高，导致CDSK系统的整体性能不如DCSK好。

近年来，多用户DCSK系统在混沌通信领域内引起广泛关注。传统多用户DCSK系统虽然提高了有效性，但同时也引入了用户间干扰而造成误码性能大幅度下降。而且，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。

鉴于此，针对DCSK传输率低以及进一步提升系统误码性能的问题，提出了一种新型的混沌通信方案——多输入单输出的多用户正交高效DCSK(MISO-MU-OHE-DCSK)通信方案。

发明内容

本发明针对DCSK传输速率低的问题以及进一步增强误码性能，提出一种多输入单输出的多用户正交高效DCSK通信方案。

针对本发明所提出方案的实施办法为：该系统利用正交混沌信号发生器(OCG)产生两路正交的混沌载波信号，并利用Walsh码将其扩展成多用户系统，提高了系统的传输速率。为进一步提高系统的误码性能，在系统的发射端设置多根独立的天线，减少无线通信传输过程中信道衰落的影响。在系统的接收端采用非相干解调方式解调出每个用户的数据信息，利用相关器把接收信号和相应延迟信号以及的Walsh码进行相关运算，然后经过判决门限，即可恢复出传输的用户信息。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。

本发明在加性高斯白噪声信道(AWGN)和瑞利衰落信道上对其性能进行了研究，并探究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对比，从而证明理论推导的正确性。

附图说明

图1本发明正交混沌信号发生器结构图；

图2本发明MISO-MU-OHE-DCSK系统发射机结构图；

图3本发明MISO-MU-OHE-DCSK系统接收机结构图；

图4本发明两径瑞利衰落信道模型；

图5本发明m＝2，β＝128时，AWGN信道中系统实验值与理论值对比图；

图6本发明m＝2，N1＝4时，β与系统BER之间的关系图；

图7本发明β＝256，N1＝4时，m与系统BER之间的关系图；

图8本发明N1＝4时，AWGN信道中不同系统的性能曲线对比图；

图9不同β值时，Rayleigh信道中系统实验值与理论值对比图；

图10本发明β＝256时，Rayleigh信道中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。

为了解决码间干扰分量带来误码性能较差的问题，本文利用一种正交混沌信号发生器(图1)，产生两路混沌信号并且严格正交。正交混沌发生器产生的两路混沌信号满足下列条件：

其中，

和

表示信号发生器输出的第i路混沌信号，β为扩频因子，此外输出信号还满足：

Hadamard矩阵是一种正交矩阵，利用Hadamard矩阵构造2ⁿ阶Walsh码序列如下：

该系统采用Logistic映射生成一段长度为β的混沌序列，然后为使比特能量很定，将混沌信号通过符号函数，如式(4)所示：

其中，i＝1,2,...,β，x_i,y_i∈{-1,+1}。由Logistic映射特性可知：E(x_i)＝E(y_i)＝0，var(x_i)＝var(y_i)＝1。

MISO-MU-OHE-DCSK系统调制框图如图2所示。该系统的帧结构可分为两个时隙，首先将OCG生成的上支路序列作为参考信号在第一个时隙中传输，然后令其延迟β后的序列作为载波信号乘以相应的Walsh码发送N个用户，同时将OCG生成的下支路序列延迟3β后作为载波信号乘以Walsh码发送N个用户，将这2N个用户相加后在第二个时隙中传输。在第k个比特周期，发射端通过m根不同的天线同时传输多个发射信号的副本，因此，第h根(h＝1,2,...,m)天线的传输信号表达式为：

由式(5)可得MISO-MU-OHE-DCSK系统的平均比特能量E_b为：

图3所示为发明MISO-MU-OHE-DCSK系统解调端框图。将接收信号r_i与延迟β后的信号以及相应的Walsh码进行相关运算，最后通过门限判决恢复出前N个用户信息。同时r_i与其延时3β后的信号执行同样操作恢复出后N个用户信息，只是需要在解调时额外添加一个乘法器，序列W_i定义为：

则判决变量Z_u和Z_N+u的表达式如公式(8)和(9)所示：

根据以下判决规则，便可恢复出用户信息b_u和b_N+u。

图4为两条独立路径的瑞利衰落信道。其中α₁和α₂为服从Rayleigh分布的相互独立的随机变量，τ是两条路径之间的时间延迟(τ＜＜β)，n_i,k为高斯白噪声，则接收信号r_i表达式为：

根据公式(11)，则相关器的输出表达式为：

根据公式(1)和公式(7)中，易得到下列关系：

W_ix_i-3β＝y_i-3β,(2k+1)β＜i≤2(k+1)β (14)

将公式(2)代入公式(12)和(13)，并将公式(14)代入(13)，同时利用Logistic映射的自相关旁瓣为零、Walsh码的正交性，则判决变量Z_u和Z_N+u可简化为：

通过高斯近似法推导MISO-MU-OHE-DCSK系统在Rayleigh衰落信道中的误码率表达式，且所有的结果都是基于以下假设条件完成的：

(1)高斯白噪声n_i,h其均值为零，方差为N₀/2；同时噪声之间相互独立，且噪声与混沌信号相互独立；

(2)二进制信息{+1,-1}等概率出现；

在实际的混沌通信中对于采样序列点数β的取值一般较大，再根据上述假设条件，公式(15)近似服从高斯分布，则具体误码率表达式如下：

根据上述条件要求及性质可以得到如下统计特性：

将公式(18)和公式(19)代入公式(17)中，则解调用户信息b_u的BER表达式为：

其中，

为互补误差函数。不失为一般性，解调第k调比特周期其他用户的BER如公式(20)所示。因此，两径Rayleigh衰落信道下的MISO-MU-OHE-DCSK系统误码率为：

其中，γ₁＝α₁ ²(E_b/N₀)，γ₂＝α₂ ²(E_b/N₀)，γ_b＝γ₁+γ₂。

定义

和

为每条路径的平均信噪比，则γ_b概率密度函数为：

根据公式(21)和公式(22)，可以得到MISO-MU-OHE-DCSK系统在Rayleigh衰落信道下的理论误码率公式为：

当α₁＝1，α₂＝0这种特殊情况下，Rayleigh衰落信道退化为高斯信道，相应的误码率公式可以简化为：

利用仿真实验对本发明的理论推导进行验证，分别讨论在瑞利衰落信道及AWGN信道中系统的误码性能。为表述方便，系统传输的用户数表示为N1(N1＝2N)。

1.AWGN信道下的性能分析

图5代表MISO-MU-OHE-DCSK系统在不同用户数的条件下，理论比特误码率仿真曲线和Monte Carlo仿真曲线，当信噪比固定时，随着用户数N1的增大，系统的误码率升高，即系统的误码性能变差；图6表示扩频序列β与MISO-MU-OHE-DCSK系统比特误码性能之间的关系曲线图，随着β的增加该系统的误码性能变差，并且当扩频因子β较大时理论值和MonteCarlo仿真吻合的非常好，证明了理论推导的正确性；图7表示天线数量m与该系统比特误码性能之间的关系曲线图，随着m的增加误码率降低，即系统的误码性能变好，这表示使用多天线技术可以改善系统的误码性能；图8表示的是MISO-MU-OHE-DCSK系统与MISO-DCSK系统、MU-SSDCSK系统、HE-DCSK系统和DCSK系统比特误码率性能对比图，突显了MISO-MU-OHE-DCSK系统的优越性。

2.Rayleigh信道下的性能分析

为了分析MISO-MU-OHE-DCSK系统在瑞利衰落信道下的误码性能，主要讨论在两种不同路径增益下的情况，即：

情况1：两条路径具有相同的平均能量增益，即：

情况2：两条路径的平均能量增益相差10dB,即：

图9表示MISO-MU-OHE-DCSK系统在不同路径增益条件下误码性能随信噪比变化的仿真曲线，可以看出Monte Carlo仿真曲线与理论推导的误码率基本吻合，证明了系统的可操作性以及理论推导的正确性；图10所示给出了MISO-MU-OHE-DCSK系统与MU-SSDCSK系统的误码性能比较曲线，由图可知，在Rayleigh衰落信道下，该系统的误码率低于MU-SSDCSK系统，证明该系统的误码性能更加优良，且情况1下的误码性能总是优于情况2，即等增益时的误码性能总是优于不同增益。

本发明通过将多用户和多天线技术应用到DCSK系统中，提高了系统的传输速率，同时利用正交混沌信号发生器和Walsh码消除了用户间干扰。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，最后实验结果表明MISO-MU-OHE-DCSK系统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应用前景。

Claims (3)

1.多输入单输出的多用户正交高效DCSK通信方案，其步骤在于，通过利用正交混沌信号发生器产生两路正交的混沌载波，消除了用户间的干扰；在系统的调制端，首先将正交混沌信号发生器产生的上支路序列x_i作为参考信号，然后令其延迟β后的序列作为载波信号乘以Walsh码发送N个用户，同时将正交混沌信号发生器产生的下支路序列延迟3β后作为载波信号信号乘以Walsh码发送N个用户；为进一步增强系统的误码性能，在发射端设置多根独立的天线，可以为接收机提供多个独立衰落的副本，可以抵抗信道衰落；在系统的解调端，将接收到的信号r_i与自身延迟β后的信号进行相关运算，该运算后的信号含有前N个用户的数据信息，为了解调出前N个用户的数据信息，再将相关结果与每个用户调制时对应的Walsh码组相乘并求和，最后进行门限判决；再让接收到的信号r_i与自身延迟3β后的信号执行同样操作来恢复后N个用户的数据信息，只是需要额外添加一个序列W_i。

2.根据权利要求1所述的通信方案，其特征在于，将多用户技术和MISO技术应用到DCSK系统中，极大地提高了系统的传输速率，且每个用户间都是严格正交关系，消除了用户间干扰。

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干解调方式，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。

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