CN117295058A - 一种基于ofdm和混沌交织的多用户协作保密通信系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信系统及方法，属于无线通信技术领域。本发明通过混沌序列产生交织器，中继前后分别采用不同的混沌映射方式，实现保密性；混沌序列提供不同用户协作路径的区别交织器，实现SIMO，提供分集增益，抗信道衰落。不同的中继采用相互正交的子载波传输，实现OFDM，提高频谱效率，增强抗衰落能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信系统及方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
信息传输的安全性和保密性是衡量通信系统好坏的重要指标，常规的无线保密通信系统是通过数字序列扩频方式实现的。数字扩频通信的性能与扩频码的选取密不可分，传统的扩频码常使用经典的M序列和Gold序列，它们具有易于产生、自相关性好等特点，但其结构过于简单，产生的序列不具备随机性，使得保密性及抗人为干扰能力低，难以满足系统高保密性的要求。混沌理论起源于对自然界奇异现象的研究，具有初始状态敏感、良好的随机性和自相关性等特点，且不同初始值的混沌序列具有不同的性能，被广泛应用多用户保密通信系统。
目前，研究者通常将混沌序列与信息保密调制相结合，提出了混沌移位键控、差分混沌移位键控、频率调制差分混沌移位键控、多电平幅度调制混沌移位键控等方法。此类方法可实现信息的保密传输，但存在信息传输效率低等问题。为此，部分研究者提出将OFDM与混沌序列相结合，通过多载波实现高效率传输，但多数未考虑信道衰落等因素，导致信息传输误码率较高。为解决上述问题，本方法将OFDM与中继协作分集技术相结合，通过中继分集增益提高系统抗信道衰落性能，同时结合中继前后两种混沌序列有效提高了多用户保密通信能力。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信系统及方法，用混沌序列产生交织器，中继前后分别采用不同的混沌映射方式，实现保密性；混沌序列提供不同用户协作路径的区别交织器，实现SIMO，提供分集增益，抗信道衰落。不同的中继采用相互正交的子载波传输，实现OFDM，提高频谱效率，增强抗衰落能力。
本发明的技术解决方案是：一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信系统，包括基站、远端用户和若干中继用户；
基站，通过不同的信道向远端用户和所有中继用户发送经过第一混沌交织的初始信号；
中继用户，对接收到的不同信道混叠的初始信号进行对应解码后，再进行第二混沌交织，形成多用户中继信号；
远端用户，对接收到的不同信道混叠的初始信号和多用户中继信号分别解码后再合并，实现与基站的通信。
进一步地，所述基站到中继用户之间均为相互正交的子信道，混叠的初始信号经过相互正交的子载波进行传输。
进一步地，所述合并的方法为根据MRC协议进行合并。
进一步地，所述第一混沌交织为Chebyshev混沌交织，所述第二混沌交织为Logistic混沌交织。
一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信方法，包括：
通过不同的信道由基站向远端用户和所有中继用户发送经过第一混沌交织的初始信号；
中继用户对接收到的不同信道混叠的初始信号进行对应解码后，再进行第二混沌交织，形成多用户中继信号；
远端用户对接收到的不同信道混叠的初始信号和多用户中继信号分别解码后再合并，实现与基站的通信。
进一步地，所述基站到中继用户之间均为相互正交的子信道，混叠的初始信号经过相互正交的子载波进行传输。
进一步地，所述合并的方法为根据MRC协议进行合并。
进一步地，所述第一混沌交织为Chebyshev混沌交织，所述第二混沌交织为Logistic混沌交织。
一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信方法的步骤。
一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信方法的步骤。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过基站-中继用户-远端用户之间进行协作通信，在远端用户接收时采用MRC协议进行合并，实现了SIMO通信，提供分集增益，具备抗信道衰落能力；
(2)本发明利用距离较近的多个用户作为中继协助远端用户，多个中继用户通过OFDM的多个正交子载波进行传输，提升了信息传输效率，同时有效保障了远端用户的通信质量；
(3)本发明在中继用户节点前后，分别采用Chebyshev混沌交织和Logistic混沌交织器，相比单一节点单一混沌交织器，双节点双混沌交织器，提升了中继用户前后的通信保密性能。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明的总体框架流程图。
图2为多用户协作通信示意图。
图3为OFDM系统流程图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信系统及方法做进一步详细的说明，如图2，具体实现方式可以包括：基站、远端用户和若干中继用户；基站，通过不同的信道向远端用户和所有中继用户发送经过第一混沌交织的初始信号；中继用户，对接收到的混叠的初始信号进行对应解码后，再进行第二混沌交织，形成多用户中继信号；远端用户，对接收到的混叠的初始信号和多用户中继信号分别解码后再合并，实现与基站的通信。
进一步，所述基站到中继用户之间均为相互正交的子信道，混叠的初始信号经过相互正交的子载波进行传输。
在一种可能实现的方式中，所述合并的方法为根据MRC协议进行合并。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述第一混沌交织为Chebyshev混沌交织，所述第二混沌交织为Logistic混沌交织。
如图1，基于相同的发明构思，本发明还提供一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信方法，包括如下步骤：
(1)基站发送给远端用户u0的初始信号x0经过Chebyshev混沌交织得到交织后的信号s0。
(2)第k个中继用户uk的信号xk和x0经过Chebyshev混沌交织器进行交织，交织过后的序列sk和s0进入信道混叠在一起，Chebyshev混沌交织器除了提高保密性外，还起到区分各个用户的作用。
(3)从基站到k个中继用户之间是k条相互正交的子信道，k个混叠信号分别用k个相互正交的子载波进行传输，各个子载波之间不会产生干扰，实现OFDM，根据混沌序列的序号来决定分配的子载波。
(4)中继用户uk接收端接收到混叠信号，经过Chebyshev混沌解交织器获得远端用户信号x0。
(5)中继用户uk若成功从混叠信号中成功解码远端用户的信息x0，则向远端用户u0发送x0，发送过程利用Logistic混沌交织进一步提高保密性。
(6)远端用户通过Logistic混沌解交织器获得来自各个中继用户发送过来的信息，结合由基站直接发送至远端用户的信息，根据MRC协议进行合并，最终完成解码。
步骤(1)(2)中，交织器主要用来打乱信息序列的顺序。主要目的有：
1.抑制通信中突发性干扰的影响。
2.减小信道编码中比特相关性。
3.区分不同用户的标识。
混沌序列主要有以下几个特点：
1.确定性：对于特定的初值，生成的混沌序列是确定的。
2.非周期性：混沌运动的非周期性，可以代替随机序列的产生。
3.初值敏感性：混沌序列具有极强的初值敏感性，给定两个差别很小的初值，代入映射方程经过多次迭代后生成的序列的相关性也很低。
从基站到中继用户的过程采用Chebyshev映射，下面是Chebyshev混沌序列产生的过程：
Chebyshev映射公式：
xn+1＝Tk(xn)＝cos(k·cos-1xn)，xn∈[-1，1]
上式中k是映射阶数，k＞2时系统达到混沌状态。
步骤(3)(4)中，基站到多个中继用户之间的过程是一个OFDM系统。信道分为了多个正交的子信道，基站到每一个中继用户都用一个单独子载波传输，每个子载波相互正交，子载波彼此之间不会产生干扰，且频谱可以相互重叠，拥有较好的带宽增益。
由于快速傅里叶逆变换(IFFT)和快速傅里叶变换(FFT)都是正交变换，所以在频谱上确定的信息，经过IFFT之后转换到时域，其载波一定是正交的，IFFT的每个基相互正交，其他子载波对该载波没有影响。
两子载波f1f2的互相关性为：
Δf＝f1-f2为两子载波之间的频率间隔，当ΔfT＝k时R＝0，两子载波正交。
所以正交要求子载波间距为：
T为符号持续时间，通常情况下k＝1。对于N个子载波，总带宽为：
B≈N·ΔfHz
步骤(5)中，从中继用户到远端用户的过程采用与Chebyshev不同的Logistic映射，Logistic映射是一种一维混沌映射，实现起来简单，而且具有不可预测性和初值敏感性。下面是Logistic混沌序列产生的过程：
Logistic映射公式：
μ为分岔参数，μ∈(0，2]，μ＝2时达到满映射，混沌序列随机性达到最高。
步骤(6)中，远端用户经过Logistic混沌解交织器后，接收端采用最大比合并(MRC)，最大比合并是最优的合并方案，可以得到最高的信噪比。
在本申请实施例所提供的方案中，如图3所示。
S1，基站发送给远端用户u0的初始信号x0经过Chebyshev混沌交织得到交织后的信号s0，远端用户u0接收到的信号为：
y0＝g0s0+n0
g0是基站到远端用户u0之间的信道系数；n0为加性高斯白噪声。
S2，第k个中继用户uk的信号xk和x0经过用Chebyshev混沌交织器进行交织，交织过后的序列sk和s0进入信道混叠在一起。Chebyshev混沌交织器除了提供保密性外，还用于区分不同的用户。
信号xk和x0经过Chebyshev混沌交织器交织得到sk和s0；
Chebyshev混沌映射的公式为：
xn+1＝Tk(xn)＝cos(k·cos-1xn)，xn∈[-1，1]
将初值、迭代次数等映射参数确定之后就可以生成混沌序列，生成的混沌序列具有很好的不可预测性和随机性。为了能与子载波序号对应，还需将生成的Chebyshev混沌序列规范化。
S3，从基站到k个中继用户之间是k条相互正交的子信道，k路混叠信号分别用k个相互正交的子载波进行传输，各个子载波之间不会产生干扰，实现OFDM，根据混沌序列的序号来决定分配的子载波。
将规范化之后的混沌序列与子载波序号进行映射，对子载波进行重新排序，打乱子载波原来的顺序，实现交织；对每个用户动态分配经过重新排序的子载波序列，分配的依据可以是信道质量、服务要求等等。最后在分配后的子载波上进行调制，经过无线信道传输。
IFFT变换：对调频映射后的子载波进行IFFT变换，可以把频域信号转换为时域信号。IFFT变换的长度与子载波数量相等。IFFT和FFT都是正交变换，利用I FFT和FFT来实现OFDM的调制与解调，可以简化系统结构，降低复杂度。
循环前缀是从IFFT变换输出中复制一段时间域信号并将其添加到时域信号的前面。由于信道的多径效应，会对OFDM符号产生影响，也即会造成符号间干扰ISI(Inter-symbol Interference)，ISI将会导致子载波的正交性被破坏。所以需要采取一些措施来减小ISI，如加入保护间隔，一种加入保护间隔的方法就是加入循环前缀。
FFT变换：在接收端，OFDM信号经过去循环前缀和FFT变换之后，可以从时域信号转换成频域子载波信号。再根据子载波之间的正交性可以对每个子载波上的数据进行独立解调，获得原始信号。
k为子载波数量；为每个子载波之间的间隔；sn(t)为待调制的信号；f0为初始载波频率f0＞＞Δf；第n个正交子载波的频率分量为：
经过调制后的子载波数学表达式为：
xn(t)＝sn(t)cos(2πfnt)
故OFDM信号数学表达式为：
S4，中继用户uk接收端接收到混叠信号，经过Chebyshev混沌解交织获得远端用户信息x0。
S5，中继用户uk若成功从混叠信号中成功解码远端用户的信息x0，则向远端用户u0发送x0，发送过程利用与Chebyshev映射方式不同的Logistic映射混沌交织进一步提高保密性，远端用户接收到的信号为：
yk＝gksk+nk
Logistic映射公式为：
S6，远端用户通过Logistic混沌解交织器获得来自各个中继用户发送过来的信息，结合由基站直接发送至远端用户的信息，根据MRC协议进行合并，最终完成解码。
最大比合并(MRC)实现的方式是对k路不同的信号分别乘上一个不同的系数wi，i＝1,2，...，k；而wi的确定与k路分支的衰落系数hi，i＝1,2，...，k有关。
最大比合并是最优的合并方案，可以得到最高的信噪比。
本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物品或者设备所固有的要素。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信系统，其特征在于，包括基站、远端用户和若干中继用户；
基站，通过不同的信道向远端用户和所有中继用户发送经过第一混沌交织的初始信号；
中继用户，对接收到的不同信道混叠的初始信号进行对应解码后，再进行第二混沌交织，形成多用户中继信号；
远端用户，对接收到的不同信道混叠的初始信号和多用户中继信号分别解码后再合并，实现与基站的通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信系统，其特征在于，所述基站到中继用户之间均为相互正交的子信道，混叠的初始信号经过相互正交的子载波进行传输。
3.根据权利要求1所述的一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信系统，其特征在于，所述合并的方法为根据MRC协议进行合并。
4.根据权利要求1所述的一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信系统，其特征在于，所述第一混沌交织为Chebyshev混沌交织，所述第二混沌交织为Logistic混沌交织。
5.一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信方法，其特征在于，包括：
通过不同的信道由基站向远端用户和所有中继用户发送经过第一混沌交织的初始信号；
中继用户对接收到的不同信道混叠的初始信号进行对应解码后，再进行第二混沌交织，形成多用户中继信号；
远端用户对接收到的不同信道混叠的初始信号和多用户中继信号分别解码后再合并，实现与基站的通信。
6.根据权利要求5所述的一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信方法，其特征在于，所述基站到中继用户之间均为相互正交的子信道，混叠的初始信号经过相互正交的子载波进行传输。
7.根据权利要求5所述的一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信方法，其特征在于，所述合并的方法为根据MRC协议进行合并。
8.根据权利要求5所述的一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信方法，其特征在于，所述第一混沌交织为Chebyshev混沌交织，所述第二混沌交织为Logistic混沌交织。
9.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5～权利要求8任一所述方法的步骤。
10.一种基于OFDM和混沌交织的多用户协作保密通信设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求5～权利要求8任一所述方法的步骤。
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