CN114666191A - 一种正交多用户移位降噪dcsk混沌通信系统的通信方法 - Google Patents

一种正交多用户移位降噪dcsk混沌通信系统的通信方法 Download PDF

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CN114666191A CN202210193380.XA CN202210193380A CN114666191A CN 114666191 A CN114666191 A CN 114666191A CN 202210193380 A CN202210193380 A CN 202210193380A CN 114666191 A CN114666191 A CN 114666191A
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Abstract

本发明请求保护一种正交多用户移位降噪DCSK混沌通信系统的通信方法，其包括以下步骤：步骤1：在传统的MU‑CDSK系统中采用重复混沌信号发生器产生混沌序列，并对其进行复制移位处理得到参考信号；步骤2：调制信息信号及发送信号；步骤3：利用Walsh码在多径RFC信道中传输；步骤4：接收信号，在解调端加入了滑动平均滤波器进行还原并对信息信息进行解调。实现了提升MU‑DCSK系统信息传输速率和改善误码性能的目的。其误码性能相较MU‑DCSK系统，NR‑MUDCSK系统，TRM‑DCSK系统更优越。

Description

一种正交多用户移位降噪DCSK混沌通信系统的通信方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及的一种正交多用户移位降噪DCSK混沌通信系统是对传统的正交多用户差分混沌键控系统(OMU-DCSK)进行相关改进，采用了正交混沌发生器及移位处理，提高了系统的传输速率及误码率性能所得。
背景技术
混沌现象是隶属于非线性动力学系统中的一种特有的运动形式，具有产生于确定系统但又难以预测的特征，表现出“混乱无序但又颇有规则”的运动轨迹，是当前科学领域和工程领域关注的前沿研究课题。由于混沌信号具有宽频、非周期、类似白噪声、初值敏感、不可预测、类似脉冲的自相关和几乎为零的低互相关等特性，在通信领域，特别是在信息安全领域，具有很大的优势。
混沌信号类似于白噪声的宽频谱特性、长期的不可预测性、类脉冲的自相关和低互相关的特性，被认为适合用于携带数字信息的扩频通信。目前混沌在数字通信系统中的研究，主要以差分混沌键控(Differential Chaos Shift Keying，DCSK)和相关延迟键控(Correlation Delay Shift Keying,CDSK)为基础展开。相关延迟键控是一种典型的非相干混沌数字调制技术。在这种混沌通信系统中，参考信号和与其延迟后经过信息调制的信号叠加后作为发送信号。与差分混沌键控相比，因为不需要单独发送参考信号，CDSK的传输速率得以提高；因为不需要在参考信号和信息信号之间切换，CDSK允许发射机和接收机进行连续的操作；因为不同时刻的传输信号之间没有相关性，CDSK的传输信息更加不易被截获。但是由于参考信号与信息信号并非完全正交，接收方在解调时会引入相邻混沌信号之间的互相关(即信号内干扰)。因此，CDSK的比特误码率(Bit-Error Ratio,BER)高于传统的数字通信方案。如果将CDSK应用于多用户系统，其信号内干扰将会随着用户数量的上升而增大。对前者进行改进，提高了系统的传输速率与能量效率，但在接收方进行解调时，由于相邻混沌信号之间的互相关性，这使得后者的BER性能相较前者有所降低。针对两种系统不同的特点及应用场景，国内外众多学者均提出了诸多的改进方案。
CN113206811A一种多载波差分混沌移位键控解调方法及解调器，方法包括：完成多载波解调，得到1路离散DCSK参考信号序列和M-1路离散DCSK信息信号序列；将所有的离散DCSK信息信号序列分成两部分，分别用于参考信号统计平均降噪估计和信息信号统计平均降噪估计，计算降噪后的DCSK参考信号序列和降噪后的DCSK信息信号序列；将降噪后的DCSK参考信号序列与降噪后的DCSK信息信号序列进行相关运算，得到判决变量；将得到的判决变量进行门限判决，恢复出M-1路数据比特；将M-1路数据比特合并为1路串行解调数据比特流。本发明可以降低判决变量中的噪声分量，提高系统的比特误码率性能。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种正交多用户移位降噪DCSK混沌通信系统的通信方法。本发明的技术方案如下：
一种正交多用户移位降噪DCSK混沌通信系统的通信方法，其包括以下步骤：
步骤1：在传统的MU-CDSK系统中采用重复混沌信号发生器产生混沌序列，并对其进行复制移位处理得到参考信号；
步骤2：调制信息信号及发送信号；
步骤3：利用Walsh码在多径RFC信道中传输；
步骤4：接收信号，在解调端加入了滑动平均滤波器进行还原并对信息信息进行解调。
进一步的，所述生成混沌序列并对其进行复制移位处理得到参考信号，具体包括：
步骤1.1：生成混沌序列并对其进行符号函数映射得到混沌序列xi,k，使其具有均值E[xi,k]＝0，方差var[xi,k]＝1的性质；
步骤1.2：通过Walsh码与混沌序列做克罗内克积实现混沌序列的复制得到一组新的混沌序列；
步骤1.3：对步骤1.2生成的混沌信号进行移位处理：移位的原理是使用移位矩阵与混沌序列相乘，混沌序列长度为β/P，β/P为偶数，IP为P阶单位矩阵，则可以得到移位矩阵为：单位移位矩阵
Figure BDA0003525815350000031
移位矩阵
Figure BDA0003525815350000032
即通过移位矩阵后的混沌序列相邻的两个复制过P次的混沌序列进行调换，
进一步的，所述步骤2：调制信息信号及发送信号，具体包括：
步骤2.1：调制信息信号：将混沌序列发生器产生一段长度为β/P的混沌序列，同时利用符号函数sgn(*)对其进行归一化处理即可得到混沌序列xβ/P,k，且其均值为0，方差为1；
步骤2.2：调制发送信号：将处理好的混沌序列xi/P,k与Walsh码w1做克罗内克积复制P次即可得到长度为β的参考信号；再将原混沌序列xi/P,k延时nβ/P(n＝1,2,3,…)，经过延时的混沌信号与Walsh码组(w1,w2,w3,w4)做克罗内克积实现复制P次，得到四组完全正交的信号后再分别调制上各自的信息比特后再相加即可得到In,k，在第n个信息时隙内进行传输。
进一步的，所述步骤3：步骤3：利用Walsh码在多径RFC信道中传输，具体包括：
多径RFC信道在无线通信中最为常见，且信息信号在多条路径中传输，假设信号在多径RFC信道中传输，在传输过程中仅受加性高斯白噪声的干扰，经过多径RFC信道传输后的接收信号表示为：
Figure BDA0003525815350000041
其中L表示多径条数，αl和τl分别表示第l条路径上的RFC衰落因子和信道延迟，τl取值满足0＜τl＜＜βTc。
进一步的，所述步骤4：将接受信号进行还原并对信息信息进行解调，具体包括：
步骤4.1：当解调第k帧的第4n-3,4n-2,4n-1,4n个用户时，解调b4n-3,b4n-2,b4n-1,b4n的具体流程如下：第一步先将接收到的信号ri,k送入滑动平均滤波器中进行平均化处理后，得到信号为r'i,k；再将r'i,k与其相对应的Walsh码相乘后与延迟nβ/P后的信号r'i-nβ/P,k进行相关运算，即可得到判决门限阈值Z4n-3表达式为：
Figure BDA0003525815350000042
步骤4.2：信息的还原：将步骤4.1中得到的判决门限阈值Z4n-3送入判决门限中进行判断，根据以下判决规则即可恢复出第4n-3信息比特b4n-3为：
Figure BDA0003525815350000043
同理可得同一时隙内的信息比特b4n-2，b4n-1，b4n：
Figure BDA0003525815350000044
进一步的，所述步骤1：在传统的MU-CDSK系统中采用重复混沌信号发生器产生混沌序列，具体包括：
利用Logistic映射产生混沌序列，并通过符号函数映射对其进行归一化处理；二阶Logistic混沌映射方程为：xi+1,k＝1-2x2 i,k xi,k∈(-1,1)
再将其通过sgn(*)对其进行归一化处理产生一组混沌序列xi,k，假设混沌序列为x＝[x1 x2 x3 x4]与Walsh码w1＝[1 -1 1 -1]进行克罗内克积运算之后可以得到：X＝[x1 -x1 x1 -x1 x2 -x2 x2 -x2 x3 -x3 x3 -x3 x4 -x4 x4 -x4]Walsh码可以通过构建Hadamard矩阵得到，2n阶Walsh码的构建方式如下：
Figure BDA0003525815350000051
本发明的优点及有益效果如下：
本发明针对正交多用户差分混沌键控系统(OMU-DCSK)误码性能较差和传输速率较低的问题，提出了一种正交多用户移位降噪混沌键控通信系统(OMU-NRSDCSK)。在传统的MU-CDSK系统中采用重复混沌信号发生器产生混沌序列进行复制P次后进行承载，对复制后的参考信号进行移位处理以此来提高整个系统的安全性能，利用Walsh码实现多用户传输可以有效地降低信号间的干扰并提高整体的传输速率，同时在解调端加入了滑动平均滤波器以此来降低噪声对整个系统误码率性能的影响，可以有效的提高系统整体的误码率性能。实现了提升MU-DCSK系统信息传输速率和改善误码性能的目的。其误码性能相较MU-DCSK系统，NR-MUDCSK系统，TRM-DCSK系统更优越。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例混沌信号移位处理示意图
图2本发明OMU-NRSDCSK系统功率谱密度图；
图3本发明OUM-NRSDCSK系统发送端结构图；
图4本发明OMU-NRSDCSK系统接收端结构图；
图5本发明传输过程中多径瑞利衰落信道模型图；
图6本发明不同用户数时，系统实验值与理论值对比图；
图7本发明不同P值时，SNR与系统BER之间的关系图；
图8本发明不同P值时，误码率性能与用户数的关系图；
图9本发明不同SNR时，误码率性能与序列长度的关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
二阶Logistic混沌映射作为最简单，最常用的非线性系统工程之一，工作在纯混沌态，具有易产生混沌序列的优点。利用该映射产生的混沌序列有良好的数学统计特性，且其概率统计特性与白噪声一致。因此在本发明的理论分析中利用Logistic映射产生混沌序列，并通过符号函数映射对其进行归一化处理。二阶Logistic混沌映射方程为：xi+1,k＝1-2x2 i,k xi,k∈(-1,1)
再将其通过sgn(*)对其进行归一化处理产生一组混沌序列xi,k，假设混沌序列为x＝[x1 x2 x3 x4]与Walsh码w1＝[1 -1 1 -1]进行克罗内克积运算之后可以得到：X＝[x1 -x1 x1 -x1 x2 -x2 x2 -x2 x3 -x3 x3 -x3 x4 -x4 x4 -x4]Walsh码可以通过构建Hadamard矩阵得到，2n阶Walsh码的构建方式如下：
Figure BDA0003525815350000061
其中每行即为一个长度为的Walsh码。本文采用四个长度为P的Walsh码，分别为W1,W2,W3,W4。通过这四组Walsh码与混沌序列进行克罗内克积即可得到四组完全正交的混沌序列。图1为序列移位的原理，具体操作是使用移位矩阵与混沌序列相乘，混沌序列长度为β/P(β/P为偶数)，IP为P阶单位矩阵,则可以得到移位矩阵为：
Figure BDA0003525815350000062
Figure BDA0003525815350000063
即通过移位矩阵后的混沌序列相邻的两个复制过P次的混沌序列进行调换。同时由于移位矩阵均为正交矩阵，根据正交矩阵的转置为逆的性质，即可利用其转置矩阵在接收端进行解调，可以有效地降低系统的复杂度。
以X＝[x1 -x1 x1 -x1 x2 -x2 x2 -x2 x3 -x3 x3 -x3 x4 -x4 x4 -x4]为例，经过与Walsh码w1做克罗内克积并通过移位处理后的混沌序列记为x[1]，其表达式为：x[1]＝[x2 -x2x2 -x2 x1 -x1 x1 -x1 x4 -x4 x4 -x4 x3 -x3 x3 -x3]复制后的混沌序列长度为β,而通过移位矩阵来说有β！-1种不同的移位选择，可以有效地提高系统的安全性能，使得系统更不易被破解。
图3为本发明正交多用户移位降噪混沌键控通信系统的发送端结构图。首先混沌序列发生器产生一段长度为β/P的混沌序列，同时利用符号函数sgn(*)对其进行归一化处理即可得到混沌序列xβ/P,k，且其均值为0，方差为1。
之后将处理好的混沌序列xi/P,k与Walsh码w1做克罗内克积复制P次即可得到长度为β的参考信号。再将原混沌序列xi/P,k延时nβ/P(n＝1,2,3,…)，经过延时的混沌信号与Walsh码组(w1,w2,w3,w4)做克罗内克积实现复制P次，得到四组完全正交的信号后再分别调制上各自的信息比特后再相加即可得到In,k，在第n个信息时隙内进行传输。则可得到OMU-NRSDCSK系统在第k帧的发送信号si,k的表达式：
Figure BDA0003525815350000071
通过上式可以求得OMU-NRSDCSK系统的平均比特能量Eb为：
Figure BDA0003525815350000072
如图4所示，经过多径RFC信道传输后的接收信号表示为：
Figure BDA0003525815350000081
其中L表示多径条数，αl和τl分别表示第l条路径上的RFC衰落因子和信道延迟，τl取值满足0＜τl＜＜βTc。
图5为本发明正交多用户移位降噪混沌键控通信系统的解调端结构图。接受端首先将接收到的信号送入滑动平均滤波器，再将信号进行对应的延时处理得到四组信息信号，之后将信号送入不同的解移位矩阵进行相关运算以得到原始的信息信号。
由于第k帧的第4n-3,4n-2,4n-1,4n个用户的解调方式相同，故以解调第k帧的4n-3个用户为例分析OMU-NRSDCSK系统BER公式的推导，其中Z4n-3表达式为：
Figure BDA0003525815350000082
通过Walsh码的正交性以及Logistic映射的自相关旁瓣为零的特性，可以有效地消除信号间的干扰，减少噪声干扰项。即可将上式进行进一步简化为：
Figure BDA0003525815350000083
Figure BDA0003525815350000084
Figure BDA0003525815350000091
其中A为有用信号项，B为信号与噪声间的干扰，C为噪声间的干扰。基于上述的假设，可得A、B和C中的各项相互独立。故采用中心极限法可以求得Z4n-3的均值和方差为：
Figure BDA0003525815350000092
Figure BDA0003525815350000093
由于Z4n-3近似服从高斯分布，则通过E[Z4n-3]以及VAR[Z4n-3]可以得到第4n-3个用户的BER公式为：
Figure BDA0003525815350000094
同理可得Z4n-2，Z4n-1和Z4n的误码率公式为：
Figure BDA0003525815350000095
则OMU-NRSDCSK系统在多径RFC信道下的瞬时BER公式为：
Figure BDA0003525815350000096
令γl＝αl 2(Eb/N0)，
Figure BDA0003525815350000097
即可将上式化简为：
Figure BDA0003525815350000101
对于L径独立且信道增益相同的RFC衰落信道，γb服从上式瞬时概率密度分布为：
Figure BDA0003525815350000102
其中，
Figure BDA0003525815350000103
为第l条路径上传输信号的平均信噪比增益，
Figure BDA0003525815350000104
的表达式表示为：
Figure BDA0003525815350000105
由于信道参数是持续变化的，故OMU-NRSDCSK系统在RFC信道下的平均BER公式为：
Figure BDA0003525815350000106
令上式中α1＝1，α1…αL＝0,γb＝Eb/N0,可得OMU-NRDCSK系统AWGN下的BER公式为：
Figure BDA0003525815350000107
图6为各项参数β,P,N取值为[β,P,N]＝[512,16,2],[512,16,4],[512,16,8]时，在AWGN信道和两径RFC信道下，OMU-NRDCSK系统BER随信噪比(Signal-Noise Ratio，SNR)变化的曲线。仿真值和理论值之间基本吻合，证明了理论BER公式推导的准确性。同时随着用户数N的增大，系统的误码率性能更优，证明了OMU-NRDCSK系统可以应用于多用户场景中。
图7为各项参数M,P,N取值为[β,P,N]＝[512,2,8],[512,4,8],[512,8,8],[512,16,8]时，在AWGN信道和RFC信道下，OMU-NRDCSK系统BER随SNR变化的曲线。从图中可以看出高斯信道和两径瑞丽衰落信道中，随着Eb/N0的增大系统的误码率都是呈下降趋势的。同时随着重复次数P的增大，系统的误码率性能也有所提升。这是因为随着重复次数的增加可以有效的降低噪声的干扰，提高系统整体的误码率性能。
图8为各项参数β,P,Eb/N0取值为[β,P,Eb/N0]＝[256,1,12],[256,16,12],[256,1,14]，[256,16,14]时，在AWGN信道和RFC信道下，OMU-NRDCSK系统BER随SNR变化的曲线。从图中可以看出高斯信道和两径瑞丽衰落信道中，随着用户数N的增大系统的误码率都是呈下降趋势的，随着用户数的增加误码率性能趋于更优，同时当用户数增加到一定数量之后误码率曲线趋于平滑，也证明了该系统可以很好地应用于多用户场景。同时当用户数相同的情况时Eb/N0较大的曲线误码率性能更优，这与前文得到的结论相吻合。
图9为各项参数N,P,Eb/N0分别取值为[N,P,Eb/N0]＝[4,4,10],[4,4,12],[4,4,14]时，分别在AGWN信道和两径RFC信道下的系统误码率性能随着不同的序列长度β变化的曲线。从图中可以看出，在高斯信道和两径瑞丽信道中，Eb/N0相同时，随着β的增大，系统误码率性能逐渐恶化之后趋于一个定值，这是因为随着序列长度增大，增大了信号干扰间干扰。同时随着SNR的增大，系统的误码率性能更优。
本发明提出了一种OMU-NRSDCSK通信系统。该系统在发射端将4bit信息与Walsh码做克罗内克积后再通过移位矩阵进行移位处理，同时通过不同时隙传输多用户信息。在AWGN信道以及多径Rayleigh衰落信道中对系统进行了公式推导和蒙特卡洛仿真。仿真结果表明，随着用户数的增加，该系统表现出了良好的误码率性能，在多用户信息传输中具备了良好的应用价值。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种正交多用户移位降噪DCSK混沌通信系统的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在传统的MU-CDSK系统中采用重复混沌信号发生器产生混沌序列，并对其进行复制移位处理得到参考信号；
步骤2：调制信息信号及发送信号；
步骤3：利用Walsh码在多径RFC信道中传输；
步骤4：接收信号，在解调端加入了滑动平均滤波器进行还原并对信息信息进行解调。
2.根据权利要求1所述的一种正交多用户移位降噪DCSK混沌通信系统的通信方法，其特征在于，所述生成混沌序列并对其进行复制移位处理得到参考信号，具体包括：
步骤1.1：生成混沌序列并对其进行符号函数映射得到混沌序列xi,k，使其具有均值E[xi,k]＝0，方差var[xi,k]＝1的性质；
步骤1.2：通过Walsh码与混沌序列做克罗内克积实现混沌序列的复制得到一组新的混沌序列；
步骤1.3：对步骤1.2生成的混沌信号进行移位处理：移位的原理是使用移位矩阵与混沌序列相乘，混沌序列长度为β/P，β/P为偶数，IP为P阶单位矩阵，则可以得到移位矩阵为：单位移位矩阵
Figure FDA0003525815340000011
移位矩阵
Figure FDA0003525815340000012
即通过移位矩阵后的混沌序列相邻的两个复制过P次的混沌序列进行调换
3.根据权利要求2所述的一种正交多用户移位降噪DCSK混沌通信系统的通信方法，其特征在于，所述步骤2：调制信息信号及发送信号，具体包括：
步骤2.1：调制信息信号：将混沌序列发生器产生一段长度为β/P的混沌序列，同时利用符号函数sgn(*)对其进行归一化处理即可得到混沌序列xβ/P,k，且其均值为0，方差为1；
步骤2.2：调制发送信号：将处理好的混沌序列xi/P,k与Walsh码w1做克罗内克积复制P次即可得到长度为β的参考信号；再将原混沌序列xi/P,k延时nβ/P(n＝1,2,3,…)，经过延时的混沌信号与Walsh码组(w1,w2,w3,w4)做克罗内克积实现复制P次，得到四组完全正交的信号后再分别调制上各自的信息比特后再相加即可得到In,k，在第n个信息时隙内进行传输。
4.根据权利要求1所述的一种正交多用户移位降噪DCSK混沌通信系统的通信方法，其特征在于，所述步骤3：步骤3：利用Walsh码在多径RFC信道中传输，具体包括：
多径RFC信道在无线通信中最为常见，且信息信号在多条路径中传输，假设信号在多径RFC信道中传输，在传输过程中仅受加性高斯白噪声的干扰，经过多径RFC信道传输后的接收信号表示为：
Figure FDA0003525815340000021
其中L表示多径条数，αl和τl分别表示第l条路径上的RFC衰落因子和信道延迟，τl取值满足0＜τl＜＜βTc。
5.根据权利要求3所述的一种正交多用户移位降噪DCSK混沌通信系统的通信方法，其特征在于，所述步骤4：将接受信号进行还原并对信息信息进行解调，具体包括：
步骤4.1：当解调第k帧的第4n-3,4n-2,4n-1,4n个用户时，解调b4n-3,b4n-2,b4n-1,b4n的具体流程如下：第一步先将接收到的信号ri,k送入滑动平均滤波器中进行平均化处理后，得到信号为r'i,k；再将r'i,k与其相对应的Walsh码相乘后与延迟nβ/P后的信号r'i-nβ/P,k进行相关运算，即可得到判决门限阈值Z4n-3表达式为：
Figure FDA0003525815340000031
步骤4.2：信息的还原：将步骤4.1中得到的判决门限阈值Z4n-3送入判决门限中进行判断，根据以下判决规则即可恢复出第4n-3信息比特b4n-3为：
Figure FDA0003525815340000032
同理可得b4n-2，b4n-1，b4n：
Figure FDA0003525815340000033
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种正交多用户移位降噪DCSK混沌通信系统的通信方法，其特征在于，所述步骤1：在传统的MU-CDSK系统中采用重复混沌信号发生器产生混沌序列，具体包括：
利用Logistic映射产生混沌序列，并通过符号函数映射对其进行归一化处理；二阶Logistic混沌映射方程为：xi+1,k＝1-2x2 i,k xi,k∈(-1,1)
再将其通过sgn(*)对其进行归一化处理产生一组混沌序列xi,k，假设混沌序列为x＝[x1x2 x3 x4]与Walsh码w1＝[1 -1 1 -1]进行克罗内克积运算之后可以得到：X＝[x1 -x1 x1 -x1 x2 -x2 x2 -x2 x3 -x3 x3 -x3 x4 -x4 x4 -x4]Walsh码可以通过构建Hadamard矩阵得到，2n阶Walsh码的构建方式如下：
Figure FDA0003525815340000034
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