CN114258665B - 一种正交波子分路复用多址调制解调方法 - Google Patents

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Abstract

为了发明一种既克服了占统治地位的码分多址(CDMA)和正交频分复用(OFDM)的不足又保持了其优点，并且在多址能力、保密性、时延、能耗等方面具有明显优势的正交多址(OMA)方法，本发明提供了一种正交波子分路复用多址(OWDMA)调制解调方法。本发明将量子混沌跃迁理论和经典的软件无线电(SDR)技术相结合，产生了具有无限多址(MA)能力的半经典的正交量子混沌波子，它可以使在一定地域内海量用户同时使用同一段无线电频谱，以最有效地利用频谱资源。作为一种用一个正交的量子混沌数据波子矩阵和一个量子混沌同步波子作为信息比特的载波的正交多载波调制解调方法，OWDMA能为开放的mMTC网络提供一个具有绝对的保密性和高速率，极高的可靠性和极低的时延，极高的灵活性和无限多址能力，低功耗和远距离等的物理层解决方案。

Description

一种正交波子分路复用多址调制解调方法
技术领域
本发明涉及无线电通信，特别是一种正交波子分路复用多址调制解调方法。
背景技术
在物联网(IoT，Internet of Things)向万物互联(IoE，Internet ofEverything)的演进中，海量机器类通信(mMTC，massive machine type communication)是一种机器间的有线或无线通信网络，其中数据产生、信息交换和命令执行不需要或极少需要人的干预。在信息化社会中扮演关键角色的mMTC应该有一个比包含RoLa、Sigfox等物联网技术的主流的LPWAN更好的物理层。也就是说，对于一个开放的mMTC网络，其物理层应该具有绝对的保密性和高速率，极高的可靠性和极低的时延，极高的灵活性和无限多址能力，低功耗和远距离等等。
发明内容
为了发明一种既克服了占统治地位的码分多址(CDMA，Code Division Multiple-Access)和正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的不足又保持了其优点，并且在多址能力、保密性、时延、能耗等方面具有明显优势的正交多址(OMA，Orthogonal Multiple-Access)方法，本发明提供了一种正交波子分路复用多址(OWDMA，Orthogonal Wavicle Division Multiple-Access)调制解调方法。本发明将量子混沌跃迁理论和经典的软件无线电(SDR，software-defined radio)技术相结合，产生了具有无限多址(MA，Multiple-Access)能力的半经典的正交量子混沌波子，它可以使在一定地域内海量用户同时使用同一段无线电频谱，以最有效地利用频谱资源。
在本发明中，一种正交波子分路复用多址调制解调方法由以下几个流程组成：
流程1：第1步，根据所需要的数据速率、并行符号传输方案，信号更新/采样速率等信息确定正交量子混沌波子的尺度；第2步，根据正交量子混沌波子的可用能谱范围确定量子混沌跃迁范围系数；第3步，产生一个相应的有界孤立量子系统的厄密矩阵算符；第4步，根据源用户ID或由收发方共同约定的其他扰动方案生成一个厄密扰动矩阵；第5步，用数值计算的方法计算出上述有界孤立量子系统在微扰下的所有的正交量子混沌定态；第6步，用直接选取或线性叠加的方法产生一组正交的量子混沌波子；第7步，产生一个正交的量子混沌数据波子矩阵和一个量子混沌同步波子。
流程2：第1步，对一段串行的比特数据进行串-并转换，生成一个并行的符号数组；第2步，将上述符号数组中的每个并行符号按行映射到正交量子混沌数据波子矩阵中一个量子混沌数据波子；第3步，将所有映射的量子混沌数据波子和量子混沌同步波子进行叠加，生成一个调制的量子混沌波子；第4步，发送上述调制的量子混沌波子，可以前后连续发送，也可以和上一个调制的量子混沌波子少部分重叠或滞后。
流程3：第1步，用量子混沌同步波子对接收信号进行滑动点积运算，得到一个相关同步值数组；第2步，将最大的相关同步值与同步检测门限相比较，完成在接收信号中的量子混沌同步波子的检测和同步；第3步，用正交量子混沌数据波子矩阵与同步的信号进行点积运算，得到一个相关接收数值矩阵；第4步，通过按行找出该相关接收数值矩阵中最大值的索引，取回一个并行的符号数组；第5步，对上述并行的符号数组进行并-串转换，取回一段串行的比特数据。
在上述的任一技术方案中优选的是，正交量子混沌波子的尺度Nw具有下面的数学表达式：
Figure BDA0003508013210000021
其中Rb是所需要的数据速率，Rs是信号的更新或采样速率，P是并行符号的个数，m是每个符号含有的比特数。
在上述的任一技术方案中优选的是，量子混沌跃迁范围参数a具有下面的数学表达式：
Figure BDA0003508013210000022
其中，fL和fH分别是正交量子混沌波子的可用能谱范围的最小值和最大值。
在上述的任一技术方案中优选的是，一个有界孤立量子系统的Nw×Nw厄密矩阵算符H具有下面的数学表达式：
H＝-Sa2[a(j-k)],1≤j,k≤Nw
其中Nw是正交量子混沌波子的尺度，a是量子混沌跃迁范围系数。
在上述的任一技术方案中优选的是，通过“分而治之”法，雅各比法等数值计算方法，计算出上述有界孤立量子系统H在外部微扰δ作用下的所有的正交量子混沌定态
Figure BDA0003508013210000031
Figure BDA0003508013210000032
其中Ek′是与
Figure BDA0003508013210000033
对应的特征值。
在上述的任一技术方案中优选的是，通过直接选取或线性叠加的方法根据上述所有的正交量子混沌定态
Figure BDA0003508013210000034
产生的正交量子混沌波子的个数nW具有下面的数学表达式：
nW＝2m·P+1
其中，P是并行符号数组的个数，m是每个符号含有的比特数。
在上述的任一技术方案中优选的是，通过把所有映射的量子混沌数据波子Wp和量子混沌同步波子W0进行叠加，生成一个调制的量子混沌波子Wt具有下面的数学表达式：
Wt＝W0+∑pWp。
在上述的任一技术方案中优选的是，用量子混沌同步波子W0对接收信号sr进行滑动点积运算，得到的一个相关同步值数组χ具有下面的数学表达式：
Figure BDA0003508013210000035
其中sr(n)是一段长度为Nw的接收信号。
在上述的任一技术方案中优选的是，用正交量子混沌数据波子矩阵W与同步的信号sw进行点积运算，得到的一个相关接收数值矩阵λ具有下面的数学表达式：
Figure BDA0003508013210000036
其中，P是并行符号数组的个数，m是每个符号含有的比特数。
用一个正交的量子混沌数据波子矩阵和一个量子混沌同步波子作为信息比特的载波的一种正交波子分路复用多址调制解调方法已经在量子混沌科技(北京)有限公司生产的eBat3000量子混沌软件无线电系统上得到了实现和验证。OWDMA既克服了占统治地位的码分多址(CDMA)和正交频分复用(OFDM)的不足又保持了其优点，并且在多址能力、保密性、时延、能耗等方面具有明显优势，能为一个开放的mMTC网络提供一个具有绝对的保密性和高速率，极高的可靠性和极低的时延，极高的灵活性和无限多址能力，低功耗和远距离等的物理层解决方案。
附图说明
图1本发明的实施例中的一个正交量子混沌数据波子矩阵和一个量子混沌同步波子的产生流程图。
图2本发明的实施例中的正交波子分路复用调制流程图。
图3本发明的实施例中的正交波子分路复用解调流程图。
具体实施方式
下面结合插图和实施例对本发明进一步进行阐述。
实施例1
在发射端和接收端，通过数值计算一个有界孤立量子系统在外部微扰作用下的所有的正交量子混沌定态的方法，按照图1所示的步骤同时生成一个正交量子混沌数据波子矩阵和一个量子混沌同步波子。
执行步骤100：根据所需要的数据速率Rb、P个并行的m比特的符号传输方案，信号更新/采样速率Rs，确定正交量子混沌波子的尺度Nw，
Figure BDA0003508013210000041
执行步骤101：根据正交量子混沌波子的可用能谱范围(fL,fH)，确定量子混沌跃迁范围系数a，
Figure BDA0003508013210000042
执行步骤102：根据正交量子混沌波子的尺度Nw和量子混沌跃迁范围系数a，产生一个有界孤立量子系统的Nw×Nw厄密矩阵算符H：
H＝-Sa2[a(j-k)],1≤j,k≤Nw。
执行步骤103：根据源用户ID或由收发方共同约定的其他扰动方案生成一个Nw×Nw厄密扰动矩阵δ。
执行步骤104：通过“分而治之”法，雅各比法等数值计算方法，计算出上述有界孤立量子系统H在外部微扰δ作用下的所有的正交量子混沌定态
Figure BDA0003508013210000043
Figure BDA0003508013210000044
其中Ek′是与
Figure BDA0003508013210000045
对应的特征值。
执行步骤105：通过直接选取或线性叠加的方法由上述所有的正交量子混沌定态
Figure BDA0003508013210000051
产生nW个正交量子混沌波子，
nW＝2m·P+1
其中，P是并行符号数组的个数，m是每个符号含有的比特数。
执行步骤106：根据上述nW个正交量子混沌波子产生一个P×2m正交量子混沌数据波子矩阵W和一个量子混沌同步波子W0。
实施例2
在发射端，将一个并行符号数组中的每个并行符号按行映射到正交量子混沌数据波子矩阵中一个量子混沌数据波子，按照图2所示的步骤生成并发送一个调制的量子混沌波子。
执行步骤200：对一段串行的m·P比特数据进行串-并转换，生成一个并行的m比特符号P×1数组Dt；
执行步骤201：将符号数组Dt中的每个并行的符号Dp t按行映射到量子混沌数据波子矩阵W中一个量子混沌数据波子
Figure BDA0003508013210000052
执行步骤202：将所有P个映射的量子混沌数据波子
Figure BDA0003508013210000053
和量子混沌同步波子W0进行叠加，生成一个调制的量子混沌波子Wt；
Figure BDA0003508013210000054
执行步骤203：发送上述调制的量子混沌波子Wt，可以前后连续发送，也可以和上一个调制的量子混沌波子少部分重叠或滞后。
实施例3
在接收端，首先对量子混沌同步波子进行检测和同步后，并行的符号数组可以按照图3所示的步骤从同步的信号中取回并行的符号数组。
执行步骤300：用量子混沌同步波子W0对接收信号sr进行滑动点积运算，得到的一个相关同步值数组
Figure BDA0003508013210000055
Figure BDA0003508013210000056
其中sr(n)是一段长度为Nw的接收信号。
执行步骤301：将最大的相关同步值
Figure BDA0003508013210000057
与同步检测门限/>
Figure BDA0003508013210000058
相比较，完成在接收信号中的量子混沌同步波子的检测和同步，并从接收信号sr(n)中提取出同步的信号sw：
sw(n)＝sr(n+kmax)
其中kmax是超过同步检测门限
Figure BDA0003508013210000061
的最大相关值在上述相关同步值数组/>
Figure BDA0003508013210000062
中的索引。
执行步骤302：用正交量子混沌数据波子矩阵W与同步的信号sw进行点积运算，得到一个相关接收数值矩阵λ：
Figure BDA0003508013210000063
其中，P是并行符号数组的个数，m是每个符号表示的比特数。
执行步骤303：按行找出该相关接收数值矩阵λ中最大值的索引，以取回一个并行的m比特符号P×1数组Dr。
执行步骤304：对上述并行的m比特符号P×1数组Dr进行并-串转换，以取回一段串行的m·P比特数据。
为了更好的理解本发明，以上对三个实施例进行了详细地描述，但该三个实施例并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。本说明书中每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。

Claims (9)

1.一种正交波子分路复用多址调制解调方法，包含以下内容：
流程1：根据一个含有预定的数据速率、并行符号传输方案、信号更新/采样速率、可用能谱范围以及源用户ID或由收发方共同约定的其他扰动方案信息的秘钥，产生一个正交量子混沌数据波子矩阵和一个量子混沌同步波子；
流程2：用正交波子分路复用调制方法，将一段串行的比特数据调制到一个正交量子混沌数据波子矩阵和一个量子混沌同步波子上，生成并发送一个调制的量子混沌波子；
流程3：用正交量子混沌数据波子矩阵和量子混沌同步波子对接收信号进行正交波子分路复用解调，取回一段串行的比特数据；
产生一个正交量子混沌数据波子矩阵包括如下7个步骤：
第1步：根据预定的数据速率、并行符号传输方案，信号更新/采样速率，确定正交量子混沌波子的尺度Nw；
第2步：根据正交量子混沌波子的可用能谱范围，确定量子混沌跃迁范围参数a；
第3步：产生一个有界孤立量子系统的厄密矩阵算符；
第4步：根据源用户ID或由收发方共同约定的其他扰动方案生成一个厄密扰动矩阵；
第5步：数值计算出上述有界孤立量子系统在外部微扰作用下的所有的正交量子混沌定态；
第6步：通过直接选取或线性叠加的方法产生一组正交量子混沌波子；
第7步：产生一个正交量子混沌数据波子矩阵和一个量子混沌同步波子；
正交波子分路复用调制过程包括如下4个步骤：
第1步：对一段串行的比特数据进行串-并转换，生成一个并行的符号数组；
第2步：将上述并行符号数组中的每个并行的符号按行映射到正交量子混沌数据波子矩阵中一个量子混沌数据波子，得到并行映射的量子混沌数据波子；
第3步：将映射的并行量子混沌数据波子和量子混沌同步波子进行叠加，生成一个调制的量子混沌波子；
第4步：发送调制的量子混沌波子，可以前后连续发送，也可以和上一个调制的量子混沌波子少部分重叠或滞后；
正交波子分路复用解调过程包括如下5个步骤：
第1步：用量子混沌同步波子对接收的信号进行滑动点积运算，得到一个相关同步值数组；
第2步：将最大的相关同步值与同步检测门限相比较，完成在接收信号中的量子混沌同步波子的检测和同步以提取出同步的信号；
第3步：用正交量子混沌数据波子矩阵与同步的信号进行点积运算，以得到一个相关接收数值矩阵；
第4步：通过按行找出该相关接收数值矩阵中最大值的索引，以取回一个并行的符号数组；
第5步：对上述并行的符号数组进行并-串转换，以取回一段串行的比特数据。
2.如权利要求1所述的正交波子分路复用多址调制解调方法，其特征在于：正交量子混沌波子的尺度Nw具有下面的数学表达式：
Figure FDA0004265832170000021
其中Rb是所需要的数据速率，Rs是信号的更新或采样速率，P是并行符号的个数，m是每个符号含有的比特数。
3.如权利要求1所述的正交波子分路复用多址调制解调方法，其特征在于：量子混沌跃迁范围参数a具有下面的数学表达式：
Figure FDA0004265832170000022
其中，fL和fH分别是正交量子混沌波子的可用能谱范围的最小值和最大值。
4.如权利要求1所述的正交波子分路复用多址调制解调方法，其特征在于：一个有界孤立量子系统的Nw×Nw厄密矩阵算符H具有下面的数学表达式：
H＝-Sa2,a(j-k)-,1≤j,k≤Nw
其中Nw是正交量子混沌波子的尺度，a是量子混沌跃迁范围参数。
5.如权利要求1所述的正交波子分路复用多址调制解调方法，其特征在于：通过数值计算方法，计算出上述有界孤立量子系统H在外部微扰δ作用下的所有的正交量子混沌定态
Figure FDA0004265832170000023
Figure FDA0004265832170000024
其中Ek ′是与
Figure FDA0004265832170000025
对应的特征值。
6.如权利要求1所述的正交波子分路复用多址调制解调方法，其特征在于：通过直接选取或线性叠加的方法由所有的正交量子混沌定态
Figure FDA0004265832170000033
Figure FDA0004265832170000034
产生的正交量子混沌波子的个数nW具有下面的数学表达式：
nW＝2m·P+1
其中，P是并行符号数组的个数，m是每个符号含有的比特数。
7.如权利要求1所述的正交波子分路复用多址调制解调方法，其特征在于：通过把映射的并行量子混沌数据波子Wp和量子混沌同步波子W0进行叠加，生成一个调制的量子混沌波子Wt具有下面的数学表达式：
Wt＝W0+∑p Wp。
8.如权利要求1所述的正交波子分路复用多址调制解调方法，其特征在于：用量子混沌同步波子W0对接收信号sr进行滑动点积运算，得到的一个相关同步值数组χ具有下面的数学表达式：
Figure FDA0004265832170000031
其中sr(n)是一段长度为Nw的接收信号。
9.如权利要求1所述的正交波子分路复用多址调制解调方法，其特征在于：用正交量子混沌数据波子矩阵W与同步信号sw进行点积运算，得到的一个相关接收数值矩阵λ具有下面的数学表达式：
Figure FDA0004265832170000032
其中，P是并行符号数组的个数，m是每个符号含有的比特数。
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