CN1221097C - 码分多址系统中的混沌扩频地址码方法 - Google Patents

Abstract

码分多址系统中的混沌扩频地址码方法，该方法采用混沌映射作为扩频码，其函数式为：X(n+1)＝f(x(n))，在CDMA IS-95标准系统中，修改同步信道信息，增加寻呼信道和接入信道消息，增加前向业务信道和反向业务信道消息，确定混沌初始值和起始位及确认返回值的计算方法。采用码分多址(CDMA)系统中的混沌扩频地址码方法，可以解决原来CDMA系统中地址码m码族数量小、不便于保密、动态特性欠优等缺陷。将其应用通信领域可以使公众或专用无线扩频通信系统的安全性、通信质量的进一步增强。

Description

码分多址系统中的混沌扩频地址码方法

技术领域

本发明属于数字移动通信技术领域，具体涉及一种码分多址(CDMA)系统中的混沌扩频地址码方法。

技术背景

CDMA是未来数字移动通信技术的主流方向，宽带CDMA目前已成为第三代移动通信共同追逐的标准。在CDMA系统中，宽带技术在扩频地址码领域沿用窄带CDMA，即Q-CDMA扩频地址码的思路。传统Q-CDMA系统即IS-95CDMA系统的反向链路的扩频地址码是系统的关键技术之一。扩频地址码的动态特性、码族大小及设计思路决定着整个系统通信质量的好坏、用户数量大小及系统的安全性。目前Q-CDMA中采用的地址码是长码m序列，其动态特性、码族数量及扩频地址码的安全性均不及混沌扩频序列。近年来有关混沌扩频码的研究大多数集中在动态特性的理论分析上，没能实际地研究混沌扩频序列在商用CDMA系统中的应用。

发明内容

本发明针对CDMA技术的安全性缺陷，目的在于提供一种码分多址(CDMA)系统中的混沌扩频地址码方法，用混沌序列改进扩频地址码设计，从而提高CDMA系统的安全性及用户地址码的数量。

本发明的技术方案如下：

CDMA系统中的混沌扩频地址码方法，在CDMA IS-95标准系统中，从寻呼信道开始发送消息和命令开始，系统进入了用混沌扩频码进行处理的过程，具体步骤如下：

1)修改同步信道信息：

修改同步信道消息即Sync Channel Message，利用其中的参数域Reserved即3bits，将其中的LC_STATE域即42bits改为混沌映射的当前值，其他参数不变，修改后的LC_STATE域即作为计算寻呼信道1的混沌掩码计算的当前值，同时规定，对每次计算的混沌映射的X(n)的有效长度为统一的42位；

当移动台接收到Sync Channel Message后，即开始将信息存储并处理，当移动台发现Reserved域的三字节为`111`时，则将LC_STATE域当作混沌的当前值进行处理。若为`000`，则当作m序列长码来处理，即系统仍采用m序列作扩频码；

2)增加寻呼信道和接入信道消息

移动台通过从寻呼信道1的标题消息中，得到它所要的参数，包括基站给移动台分配的接入信道号和相应的寻呼信道，基站识辨号及时隙等，当移动台收到需要的参数后，或其中任何一种参数改变后，基站发送Access Allowed Message，等待移动台的Access AllowedResponse Message，如果在T20m内未收到移动台的消息，则继续发送标题和Access Allowed Message，当收到移动台的Access AllowedResponse后，在下一个相关时隙启动相应的寻呼信道和混沌扩频码，与移动台的接入信道之间进入下一个状态或子状态，在这个过程中，基站通过Access Enter Message向移动台传递响应寻呼信道的混沌扩频码参数接入信道参数，并在T20m时，启动相应的寻呼信道，基站和移动台在通过Access Enter Response Message确认后，进入相应的状态；

3)增加前向业务信道和反向业务信道的消息

在系统从接入状态到业务信道控制状态时，基站和移动台通过寻呼信道和接入信道分别发送Traffic Enter Message和Traffic EnterResponse Message，在双方确认后，即进入业务信道控制状态；

由于反向业务信道和前向业务信道及与移动台之间时一对一的关系，因此采用和接入信道相似的方法，由基站传输一随机数，采用公开密钥法计算出初始值和起始位，再由移动台确认后，进入业务信道控制状态；

4)混沌初始值和起始位及确认返回值的计算：

采用混沌映射作为我们需要的扩频码生成函数，其函数式为：

                 X(n+1)＝f(X(n))

它只需要三个因数即可成为唯一的确定的混沌长码：

a)初始值X(0)或当前值X(n)，

b)起始位数N，

c)有效位的长度；

取混沌长码的第n位x，当X(n)＜0.5时，x＝0；当X(n)＞0.5时，x＝1；而变为二进制；鉴于现实系统的设计和运行过程中有效位的长度已确定，因此混沌初始值和起始位将直接决定所使用的混沌扩频码，混沌初始值和起始位的计算方法如下：

A.寻呼信道，它们需要用到混沌长码的抽取码片做扰码，我们采用如下的计算方法：采用151bits的长度，其中，0到75位是A-Key(64位)和000000000000组成，76到91位为BASE-ID，92到94位为PCN，95到103位为PILOT-PN，104到119位为1100011110110101，120到151位为RANDVA，通过算法(同SSD更新方法)变为128位比特数，其中低64位抽取16位作为混沌取值的起始位，高64为中抽取42位作为混沌初始取值；

B.对接入信道：采用151bits的长度，其中，0到70位是A-Key(64位)和1010100组成，71到86位为BASE-ID，87到91位为ACN，92到94位为PCN，95到103位为PILOT-PN，104到119位为1001110001001001，120到151位为RANDVA，通过算法变为128位比特数，其中低64位抽取16位作为混沌取值的起始位，高64为中抽取42位作为混沌初始取值；

C.对前向业务信道和反向业务信道，前向业务信道和反向业务信道是对应关系，所以采用相同的方法：采用151bits的长度，其中，0到63位是A-Key即64位，64到71位为PILOT-PN，BASE-ID，72到103位为ESN，104到119位为0101101001110010，120到151位为RANDVA，通过同SSD更新方法相同算法，变为128位比特数，其中低64位抽取16位作为混沌取值的起始位，高64为中抽取42位作为混沌初始取值；

对确认返回值得计算即与鉴权相同：用A-Key和42位的混沌初始位和16位起始的混沌起始位和RANDAC通过相同的鉴权算法，产生返回值AUTHVA。

可见，本发明通过改变和增加消息，采用特定的混沌码初始值和起始位算法，使我们达到了采用混沌掩码的目的，同时也兼容了m序列的扩频码。

附图说明

图1是IS-95移动台状态及移动过程；

图2是改进的移动台状态及转移动过程图；

图3是移动台业务控制状态图；

图4是为接入信道时隙结构图；

图5为接入信道消息标示图；

图6反向业务信道的消息结构图；

图7为同步信道的帧结构图；

图8是寻呼信道的消息标识；

图9为混沌地址码引入方法图；

图10是CSS/CDMA系统在室内Saleh信道下单用户工作框图；

图11是CSS/CDMA系统在室内Saleh信道下多用户工作框图；

图12是仿真结果图；

图13是基于IS-95标准的CSS/CDMA系统反向链路框图；

图14是50公里/小时下CSS/CDMA系统在Rayleigh信道下误码率特；

图15是100里/小时下Q-CDMA系统在Rayleigh信道下误码率特；

具体实施方案

本发明是在CDMA IS-95标准系统基础上建立的，以下我们先对该系统做一分析：

一  逻辑信道流程

其反向信道和前向信道的流程参见IS-95 CDMA国际商用标准。

二  基站和移动台的呼叫处理，参见图1，图1是IS-95移动台状态及转移过程图。

移动台呼叫处理有四个状态：初始化状态、空闲状态(监听寻呼信道)、系统接入状态(在接入信道给基站发送报文)、业务信道控制状态(与基站通信，建立反向和前向业信道)。

在初始化状态，移动台搜索来自基站台的导频信号，并跟踪其中最强的导频信号在建立导频信号之后，再捕获同步信道，并接受同步信息，使移动台的定时完全与系统一致，移动台进入空闲状态。

在空闲状态，移动台一直监听寻呼信道，有消息即转入系统接入状态或呼叫进入接入状态。

在系统接入状态，移动台在接入信道向基站发消息，基站在寻呼信道中给移动台发送所指配的业务信道信息，便进入业务信道状态。

在业务信道状态，移动台与基站建立业务通信。

基站的四种呼叫处理包括：导频和同步信号处理、寻呼信道处理、接入信道处理、业务信道处理。

导频和同步信道处理：基站连续发送导频信号，供移动台捕获定时及同步。基站在同步信道连续发送同步信道报文(Sync ChannelMessage)，为移动台提供系统的结构和定时信息。

寻呼信道处理：对应移动台的空闲状态和系统接入状态，基站最多支持七个寻呼信道。在寻呼信道上连续发送寻呼信道报文(PagingChannel Message)。也包括无效报文(Null Message)。基站发送开销报文为移动台提供所需的操作信息，开销报文包括：

接入参数(Access Parameter Message)

CDMA信道表(CDMA Channel List Message)

相邻小区表(Neighbor List Message)

系统参数表(System Parameter Message)

接入信道处理：对应移动台的系统接入状态，基站在接入信道处理期间监听移动台在接入信道发送的消息，每个接入信道与一个寻呼信道相连，基站连续监听与每个寻呼信道相连的全部接入信道。

业务信道处理：对应于移动台的业务信道控制状态，此期间，基站与移动台进行通信。包括的子状态有：

业务信道初始化子状态(基站开始发送和接收)

等待指令子状态(基站向移动台发送有信息的通知)

等待应答子状态(基站等待移动台的连接指令)

通信子状态(基站与移动台交换业务比特)

释放子状态

以下对上述各种状态做详细描述：

1.移动台初始化状态：参见图2，图2是改进

当移动台打开电源后，即进入初始状态。

系统确定子状态：移动台选择使用哪个系统。

导频信道获取子状态：

同步信道获取子状态：移动台接受和处理同步信道的消息并获取系统结构和定时信息，包括：

协议版本号(P_REVs＝REVr)，

最低协议版本号(MIN_P_REVr＝MIN_P_REVr)，

系统识别号(SIDs＝SIDr)，

网络识别号(NIDs＝NIDr)，

导频PN序列偏置(PILOT_PNs＝PILOT_PNr)，

长码状态(LC_STATEs＝LC_STATEr)，

系统时间(SYS_TIMEs＝SYS_TIMEr)，

寻呼信道数据速率(PRATs＝PRATr)。

定时变化子状态：采用从同步信道消息获得的参数导频PN序列偏置(PILOT_PNs，LC_STATEs)和系统时间(SYS_TIMEs)，移动台同步他的长码定时和系统时间。移动台并设置一些参数和消息域。

初始化状态后，移动台进入空闲状态。

2.移动台空闲状态

在此状态，移动台监听寻呼信道，移动台能接收消息，接收呼叫，初始化呼叫，初始化登记和消息传输，主要包括：

移动台执行寻呼信道监听过程。

移动台执行消息获取过程。

移动台执行登记过程。

移动台执行idle handoff过程。

当移动台接收到系统标题消息(包括系统参数消息，CDMA信道列表消息，扩展系统消息，相邻基站列表消息，接入参数消息)时执行‘响应标题信息操作’。

当移动台接收一个‘一般寻呼消息’，‘寻呼消息’和‘分时隙寻呼消息’时执行‘移动台寻呼匹配操作’。

当用户直接初始化呼叫时，移动台执行‘移动台起呼操作’。

如果移动台支持‘数据突发消息’，当用户传输消息时，移动台执行‘移动台消息传输操作’。

当用户关机时，移动台执行‘移动台关机操作’。

在分时隙模式下，各移动台与寻呼信道的每个时隙相对应，并有相应的计算公式。移动台只要定时获取相应的时隙就能得到相应的参数消息等，而对非时隙模式，则移动台要始终监听寻呼信道以获取消息，在非空闲状态，一般都采用非时隙模模式。

寻呼信道的标题信息包括：

System Parameters Message

Access Parameters Message

CDMA channel List Message

Neighbor List Message

Extended System Parameters Message

Global Service Redirection Message

这些消息中，包括很多的信息，当移动台接收到这些消息后，会存储或更新相应的信息。

寻呼信道的寻呼消息包括：

Page Message

Slotted Page Message

General Page Message

当移动台收到相应的消息后，会做相应寻呼匹配操作的处理。

当移动台进行命令和消息处理时，除了标题消息和寻呼消息移动台处理所有消息和命令。包括：

Abbreviated Alert order

Audit Order

Authentication Station Challenge Message

Base Station Acknowledgement Order

Base Station Challenge Confirmation Order

Channel Assignment Message

Data Burst Message

Feature Notification Message

Local Control Order

Lock Until Power-Cycled Order

Maintenance Required Order

Registration Accepted Order

Registration Request Message

SSD Updated Message

Unlock Order

3.系统状态

在这个状态，移动台通过接入信道发送消息给基站，通过寻呼信道从基站接受消息。

在更新标题信息子状态中，移动台监听寻呼信道直到他收到最新的系统结构消息，移动台接收的序列号以便确定系统结构消息是否已经最新，为了确定它是否是最新的接入参数，移动台至少接收一条包括ACC_MSG_SEQ域参数的消息(在General Message，Page Message，Slotted Page Message等都有)。

当移动台在收到下列消息时，将处理这些消息：

System Parameter Message            CDMA Channel List message

Extended System Parameter Message   Access Parameter Message

Global Service Redirection Message  Lock Until Power-Cyeled Order

Neighbor List Message               Slotted Page Message

Page Message                        General Page Message

在寻呼响应子状态中，通过接入信道移动台发送——PageResponse Message以响应从基站发出的Page Message，General PageMessage and Slotted Page Message。此时若基站响应了带有鉴权要求的Page Response Message，移动台将在此子状态响应，即用当前的RANDs计算出AUTHR和RANDC来进行鉴权。在此子状态，下列消息和命令可能接收到：

Authentication challenge Confirmation Order

Base Station Challenge Confirmation Order

Channel Assignment Message

Data Burst Message             Feature Notification Message

Local Control Order            Lock Until Power_Cycled Order

Maintenance Required Order Registration Accepted Order

Registration Rejected Order    Release Order

Service Redirection Message    SSD Update Message

Any Other Message

在移动台登记尝试子状态中，移动台发送一个OriginationMessage，如果基站响应带有鉴权要求的Origination Message，移动台在此子状态中响应鉴权，在此子状态中，包括下列消息和命令：

Authentication challenge Confirmation Order

Base Station Challenge Confirmation Order

Channel Assignment Message      Data Burst Message

Feature Notification Message    Local Control Order

Lock Until Power-Cycled Order   Maintenance Required Order

Registration Accepted Order     Registration Rejected Order

Release Order                   Service Redirection Message

SSD Update Message              Intercept Order

Reorder Order                   Any Other Message

在登记接入子状态，移动台发送一个Origination Message，如果基站响应带有鉴权要求的Origination Message，移动台在此子状态中响应，在此子状态，包括下列消息和命令：

Authentication challenge Confirmation Order

Base Station Challenge Confirmation Order

Data Burst Message               Local Control Order

Lock Until Power-Cycled Order    Maintenance Required Order

Registration Accepted Order      Registration Rejected Order

Service Redicrection Message     SSD Update Message

Any Other Message

4.移动台业务信道控制状态

在此状态中，移动台和基站使用业务信道和反向业务信道进行通信，如图3：

在此状态中，移动台执行其子状态或特定函数，为了支持前向业务信道功率控制，移动台把帧错误速率报告给基站，移动台使用一个接收帧总计数器(TOT_FRAMESs)和一个接收的错误帧计数器(BAD_FRAMESs)当计数器到一定门限或时限时，移动台发送一条Power Measurement Report Message给基站，并将计数器复位。

移动台从基站的前向业务信道的Power Control ParameterMessage中存储如下的信息：

功率控制报告门限(PWR_REP THRESHs＝PWR_REP_THRESHr)

功率控制报告帧数(PWR_REP_FRAMESs＝PWR_REP_FRAMESr)等信息。

当移动台接收到Long Code Transition Request Order，它要求转换到私有长码，要求移动台产生私有长码，移动台接受要求后，在T56m发送Long Code Transition Response Order(ORDQ＝00000011)，移动台和基站将使用私有长码在业务信道和反向业务信道之间相互通信，而当移动台不能产生私有长码时，在T56m它发送Long CodeTransition Order(ORDQ＝00000010)。

在业务信道初始子状态中，移动台验证它能接收前向业务信道信息和发送反向业务信道信息。

在等待命令子状态，移动台等待——Alert With InformationMessage，当进入此子状态后，移动台将此子状态定为T52m，在此子状态，移动台处理下列消息和命令：

Alert With Information Message    Analog Handoff Direction Message

Audit Order                       Authentication Challenge Message

Base Station Challenge Confirmation Order

Data Burst Message                    In-Traffic System Parameter Message

Local Control Order                   Extended Handoff Direction Message

Handoff Direction Message             Lock Until Power-Cycled Order

Long Code Transition Request Order    Maintenance Order

Message Eneryption Mode Order         Mobile Station registered Message

Neighbor List Update Message          Parameter Update Order

Pilot Measurement Request Order       Power Control Parameters Message

Service Option Control Order          Service Option Request Order

Service Option Response Order         Set Parameters Message

SSD Update Message                    Status Request Order

在等待移动台答复子状态中，移动台等待用户响应移动台的终端呼叫，当进入此状态时，移动台将此子状态定时定时为T53m秒。在此子状态，包括以下命令和消息：

Alert With Information Message    Aanlog Handdoff Direction Message

Audit Order                       Authentication Challenge Message

Base Station Acknowledgement Order    Base Station Challenge Confirmation Order

In-Traffic System Parameter Message   Local Control Order

Extended handoff Direction Message    Handoff Direction Message

Data Burst Message                    Lock Until Power-Cycled Order

Long Code Transition Request Order    Maintenance Order

Maintenance Required Order            Message Encryption Mode Order

Mobile Station Registered Message     Neighbor List Update Message

Parameter Update Order                Pilot Measurement Request Order

Power Control Parameters message      Release Order

Retrieve Parameters message           Service Option Control Order

Service Option Request Order          Service Option Response Order

Set Parameters Message              SSd Update Message

Status Request Order

在通话子状态中，移动台的基本业务选择应用与基站的基本业务包交替传输，在此子状态中，包括以下命令和消息：

Alert With Information Message        Analog Handoff Direction Message

Audit Order                           Authentication Challenge message

Base Station Acknowledgement Order

Continuous DTMF Tone Order            Data Burst Message

In-Traffic System Parameter Message   Local Control Order

Extended Handoff Direction Message    Handoff Direction Message

Lock Until Power-Cycled Order         Long Code Transition Request Order

Maintenance Order

Maintenance Required Order            Message Encryption Mode Order

Mobile Station Registered Message     Neighbor List Update Message

Parameter Update Order                Pilot Measurement Request Order

Power Control Parameters Message      Release order

Parameters message                    Send Burst DTMF Message

Service Option Control Order          Service Option Request Order

Service Option Response Order         Set Parameters Message

SSD Update Message                    Status Request Order

在释放子状态中，移动台证实并释放呼叫连接，包括以下的命令和消息：

Alert With Information Message        Base Station Acknowledgement Order

Extended Handoff Direction Message    Local Control Order

Lock Until Power-Cycled Order         Maintenance Required Order

Mobile Station registered Message     Neighbor List Update Message

Service Option Control Order          Power Control Parameters message

Release Order                         Retrieve Parameters Message

Status Request Order

三、信号格式

每个信道都有自己的传输格式，结构和命令消息格式。

1.接入信道

一个接入信道时隙包含有(3+MAX_CAP_SZ)+(1+PAM_SZ)接入信道帧，接入信道时隙从t mod(4+MAX_CAP_SZ+PAM_SZ)＝0的帧开始，这里t为帧的系统时间。所有的与特定的寻呼信道相关联的接入信道都有相同的时隙长度，一个接入信道传输包括接入信道前缀和接入信道消息头。每个接入信道传输，移动台在时隙的开始发送96个‘0’的前缀和1+PAM_SZ接入信道帧，移动台在前缀后将传输一个接入信道消息头。

一个接入信道消息头由接入信道消息和尾缀组成，接入信道消息头的长度为：CAP_SZ＝(8+Message Body Lengh+30)/88。而每个接入信道消息由MSG_LENGTH，消息体和CRC组成，如图4-5：CRC的多项式为(30，29，21，20，15，13，12，11，8，7，6，2，1，0)。

接入信道消息格式，通过接入信道发送的消息如下表1

Message Name	Message
		Registration Message	00000001
Order Message	00000010
		Data Burst Message	00000011
Origination Message	00000100
		Page Response Message	00000101
Authentication Challenge Response Message	00000110

现以Order Message为例，其格式如表2：

Order	Order Code	Qualification Code
			Long Code Transition Request Order(Required Public)	010111	00000000
Long Code Transition Request Order(Required Private)	010111	00000001
			Long Code Transition Request Order(Required Public)	010111	00000010
Long Code Transition Request Order(Required Private)	010111	00000011

2.反向业务信道

当在业务信道操作时，移动台通过反向业务信道发送信号消息给基站，反向业务信道的消息结构如图6，CRC多项式为(15，12，5，0)。

反向业务信道的消息如下表3.

Message Name	Message Type
		Order Message	00000001
Authentication Challenge Response Message	00000010
		Flash With Information Message	00000011
Data Burst Message	00000100
		Pilot Strength Measurement Message	00000101
Power Measurement Report Message	00000110
		Send Burst DTMF Message	00000111
Status Message	00001000

Origination Continuation Message	00001001
		Handoff Completion Message	00001010
Parameters Response Message	00001011

除了各信道传输消息外，还包括各种命令。对反向业务信道，举例如表4.

Field	Lengh(bits)
		MSG_TYPE(00000010)	8
ACK_SEQ	3
		MSG_SEQ	3
ACK_REQ	1
		VALID_ACK	1
ACK_TYPE	3
		MSID_TYPE	3
MSID_LEN	4
		MSID	8*MSID_LEN
EESERVED	2
		ORDER	6
ADD_RECORD_LEN	3
		Order_specifie fields(if nessary)	8*ADD_RECORD_LEN
RESERVED	5

3.同步信道

同步信道只有一个消息：Syne Channel Message。

同步信道被分成若干80ms的超帧。每个超帧分成三个26.66..ms的帧，帧的首位比特为SOM，剩下的比特组成同步信道的帧主体，如图7。CRC多项式为(30，29，21，20，15，13，12，11，8，7，6，2，1，0)。其Syne Channel Message见下表5：

Field	Lengh(bits)
		MSG_TYPE(00000001)	8
P_REV	8
		MIN_P_REV	8
SID	1
		NID	1

PILOT_PN	9
		LC_STATE	4
SYS_TIME	3
		LP_SEC	8
LTM_OFF	6
		DAYLT	1
PRAT	2
		RESERVED	3

4.寻呼信道

寻呼信道分成若干个80ms的时隙，若干个时隙成为一组(最多2048个时隙)。每个80ms的时隙由四个20ms的寻呼信道帧组成，每个寻呼信道帧分为两个10ms寻呼信道帧，每个寻呼信道半帧的首位为SCI位。

一个寻呼信道头由寻呼信道消息和尾缀组成，一个寻呼信道消息由长度域，消息体和CRC组成。

基站可以发送同步或非同步寻呼信道消息头，一个同步寻呼信道消息头从寻呼信道第二位开始，而一个非同步寻呼信道消息头则在前一个消息头后立即开始，如果一个寻呼信道消息头结束后在下一个SCI开始前剩下8位或8位以上的位数，基站可在下一帧立即发送非同步消息头，对非同步寻呼信道消息头将不包括任何尾缀比特。相反，基站在SCI后只发送同步寻呼信道消息头。CRC多项式为(30，29，21，20，15，13，12，11，8，7，6，2，1，0)。

寻呼信道结构如图8，通过寻呼信道的消息如下表6：

Message Name	Message Type
		System Parameters Message	00000001
Access Parameters Message	00000010
		Neighbor List Message	00000011
CDMA Channel List Message	00000100
		Slotted Page Message	00000101
Page Message	00000110
		Order Message	00000111
Channel Assignment Message	00001000
		Data Burst Message	00001001

Authentication Challenge Message	00001010
		SSD Update Message	00001011
Feature Notification Message	00001100
		Extended System Parameters Message	00001101
Reserved	00001110
		Reserved	00001111
Service Redirection Message	00010000
		General Page Message	00010001
Global Service Redirection Message	00010010
		Null Message

4.前向业务信道

在前向业务信道帧的第一位是SOM位，当前向业务信道消息开始时，SOM置为1，以后的相关帧SOM为0。前向业务信道消息结构如上页：CRC多项式为(15，12，5，0)。前向业务信道消息如下表7：

Message Name	Message Type
		Order Message	00000001
Authentication Challenge Message	00000010
		Alert With Information Message	00000011
Data Burst Message	00000100
		Handoff Direction Message	00000101
Analog Handoff Direction Message	00000110
		In-Traffic System Parameters Message	00000111
Neighbor List Update Message	00001000
		Send Burst DTNF Message	00001001
Power Control Parameters Message	00001010
		Retrieve Parameters Message	00001011
Set Parameters Message	00001100
		SSD Update Message	00001101
Flash Wish Information Message	00001110
		Mobile Station Registered Message	00001111
Reserved	00010000
		Extended Handoff Direction Message	00010001

通过上述分析，我们可以对CDMA系统有如下几点认识：

1.消息与命令

1)基站和移动台都由几个状态组成，每个状态包括很多处理过程。

2)每个信道(除导频信道外)，都是通过消息和命令来传输信息和数据的(除话音外)。

3)每个信道都有特定的消息格式。

2.CDMA系统时间

所有的基站数据传输都是采用共同的CDMA系统时间参数作标准即全球定位系统(GPS)，参见图9，在IS-95中显示在CDMA系统中各个点的系统时间关系，显示出了长码和零偏置的I和Q通道的PN序列在系统时间开始时它们的初始状态。长码的初态为41个‘0’和一个‘1’组成。对I和Q的PN序列的初态为15个‘0’之后一个‘1’组成。在传输和接收过程时的各个点的系统时间是以被传输的单向或回程的基站天线偏移时间为参考的绝对时间。时间测量以发送或接收时从基站的天线和移动台的RF连接器之间的时间为参考点的。

在帧中，无论CDMA系统时间参考到问但文档的哪儿，都被当成一个整数值t，t＝[s/0.02]，这里s代表用秒计算系统时间。

3.同步和定时

图6阐明了基站和移动台之间发磅和接收正常的时间关系。移动台建立起参考时间以便用来传输码片，符号、帧和系统时间。移动台的参考时间处于稳定状态，时间偏差在±1us，这里以最早到达移动台天线的可用解调的多径信号为测量参数。如果另一个多径成动台的参考时间将跟踪新的分量。如果，移动吧的参考时间与在移动台天线测量的误差小于±1us的最早到达的多径分量的时间不同，则移动台可以将它的参考时间改变到相应的时间上去。

如果一个移动台的参考时间的纠正是必要的，则它的纠正范围必须在200ms内不得快于1/4码片的时间(203.451ns)和在一秒内不得慢于3/8PN码片(305.18ns)的时间。

当移动台在接收前向业务信道时，它的参考时间用于反向业务信道的传输时间，当在接收寻呼信道时，移动台的参考时间用来作为接入信道的传输时间。

4.导频问题

每个基站将使用一个导频PN序列偏置来确定一个产胜败业务信道，时间偏置在一个CDMA系统中可重复使用，不同的导频信道可用偏置指针来确定(0-511)，对零偏置导频PN序列，是指以基站传输时间为参考点的每个偶数秒开始输出的序列。512个偏置指针相对与64个PN码片。

以上对宽带CDMA及IS-95标准的研究，使我们对其长码扩频序列有一个比较清晰的了解。具体到IS-95标准引出CDMA系统中混沌扩频技术的应用如下：

1.关于被混沌扩频序列取代的地址码

对于反向信道，采用42位的mPN序列作为地址码，且采用不同的掩码(即初相)来划分不同发射移动台和接入信道号。对于前项信道，则采用64位的Walsh函数作扩频码，而长码m序列只起到扰码的作用.我们的设计采用混沌扩频序列取代地址码长码m序列。

2.关于上述取代涉及的状态

在IS-95中，将基站和移动台之间的通信过程分成了四个状态和处理状态过程，其间，包括了各种各样的命令，消息和参数及处理过程，可以说，基站和移动台之间的通信就是通过不停的处理消息和命令过程。

3.本发明采用的思路：

1)采用混沌序列之后仍与IS-95标准兼容，

2)只考虑反向信道的地址码采用混沌序列，当然前向的扰码也要作相应的变化。

3)尽可能少的系统修改。

系统在不停的处理消息，对移动台开电源或需要在不同的基站切换时，我们认为移动台进入了初始化状态(或Handoff过程)，这时，移动台会搜索导频信道的导频序列并截获它，这之后，移动台不停的搜索同步信道以达到同步和获取系统时间等参数，由于导频信道是全为零的Walsh(0)扩频的序列，而同步信道是Walsh(32)的扩频序列，且在不停的发射，因此都能正常的获取它们，并从同步信道的唯一消息Sync Channel Message中获取参数。这些参数是移动台必须的，参见表5。因此这个状态和处理过程是必须的。

在初始化处理后，进入空闲和接入状态，首先，移动台不停的搜寻初始的寻呼信道并获取相关参数(寻呼信道不停的发送SystemParameters Message等消息)。这些参数都是必须的。而寻呼信道1的扩频Walsh函数为1且作为长码扰码的掩码移动台已知(因为PCN＝001，PILOT_PN在同步信道消息中已获得)，参见图2。因此移动台能将其码通道与寻呼信道对应，从而得到标题信息。

这些的步骤在采用混沌码时也是必要的，而且不涉及混沌地址码，但我们采用混沌码作为寻呼信道1的掩码的方法。而如何得到当前寻呼信道1的混沌信息，是我们要解决的问题。

在这之后，接入信道和寻呼信道之间根据需要传递其他消息和命令或进入业务信道控制状态，这些则采用混沌地址码来发送移动台和接入信道的信息。也就是说，只要从寻呼信道开始发送消息和命令开始，即进入了用混沌扩频码进行处理的过程。其示意图如图10。

本发明的具体实施步骤如下：

我们采用混沌映射作为需要的扩频码，其函数式为：

         X(n+1)＝f(X(n))

它只需要确定三个因数即可成为唯一的确定的混沌长码：

1)初始值X(0)或当前值X(n)，

2)起始位数N，

3)有效位(有限精度)的长度；

取混沌长码的第n位x，当X(n)＜0.5时，x＝0；当X(n)＞0.5时，x＝1；而变为二进制。

在CDMA IS-95标准系统中，从寻呼信道开始发送消息和命令开始，系统进入了用混沌扩频码进行处理的过程。

对系统的具体修改如下：

1)修改同步信道信息：

修改同步信道中唯一的消息即Sync Channel Message，见表5。将其中的参数域Reserved(3bits)即保留字节利用起来，其参数值字节含义如表8。

111	Logistic扩频码
		Else	Reserved

将其中的LC_STATE域(42bits)改为Logistic映射的当前值，其他参数不变。修改后的LC_STATE域即作为计算寻呼信道1的混沌掩码计算的当前值，同时我们规定，对每次计算的Logistic映射的X(n)的有效长度为统一的42位。

当移动台接收到Sync Channel Message后，即开始将信息存储并处理，当移动台发现Reserved域的三字节为`111`时，则将LC_STATE域当作混沌的当前值进行处理。若为`000`，则当作m序列长码来处理，即系统仍采用m序列作扩频码。见表9。

表9.LC_STATE域

M序列扩频	系统长码状态
		Chaos扩频	系统混沌当前值

当移动台经过Logistic函数计算后，在规定的时间监听来自信道1的消息，见图11。在解调寻呼信道的信息后得到有关的标题消息。

2)加寻呼信道和接入信道消息

移动台通过从寻呼信道1的标题消息中，得到它所要的参数，包括基站给移动台分配的接入信道号和相应的寻呼信道，基站识辨号及时隙等。

当移动台收到与表8需要的参数后(或其中任何一种参数改变后)，基站发送Access Allowed Message，等待移动台的AccessAllowed Response Message，如果在T20m内未收到移动台的消息，则继续发送标题和Access Allowed Message。当收到移动台的AccessAllowed Response后，在下一个相关时隙启动相应的寻呼信道和混沌扩频码，与移动台的接入信道之间进入下一个状态或子状态。在这个过程中，基站通过Access Enter Message向移动台传递响应寻呼信道的混沌扩频码参数接入信道参数，并在T20m时，启动相应的寻呼信道。

由于寻呼信道与接入信道是一对多的关系，而接入信道与相应的移动台是一对一的关系，因此，在传递寻呼信道所用的混沌扰码时，只能传递相应寻呼信道混沌码的当前值。

而在传递接入信道混沌扩频码时，只传递一个随机数，让基站和移动台采用公开密钥法得到相应的混沌扩频码的处值和起始位。这样，基站和移动台在通过Access Enter Response Message确认后，进入相应的状态。Access Allowed Message和Access AllowedResponse Message的消息体制结构见表10和表11。

表10 Access Allowed Response Message

Field	Length(bits)
		MSG_TYPE(00000111)	8

ACK_SEQ	3
		MSG_SEQ	3
ACK_REQ	1
		VALID_ACK	1
AUTHVA	1
		RANDACK	3

表11 Access Allowed Message

Field	Length(bits)
		MSG_TYPE(0001011)	8
ACK_SEQ	3
		MSG_SEQ	3
ACK_REQ	1
		VALID_ACK	1
PAGECH	3
		PG_C_STATE	4
ACCESSCH	5
		RADVA	3

3)加前向业务信道和反向业务信道的消息

同样，在系统从接入状态到业务信道控制状态时，基站和移动台通过寻呼信道和接入信道分别发送Traffic Enter Message和Traffic Enter Response Message。基站发出Traffic Enter Message。由移动台站发送Traffic Enter Response Message。在双方确认后，即进入业务信道控制状态。

由于反向业务信道和前向业务信道及与移动台之间时一对一的关系，因此采用和接入信道相似的方法，由基站传输一随机数，采用公开密钥法计算出初始值和起始位，再由移动台确认后，进入业务信道控制状态。Traffic Enter Message和Traffic Enter ResponseMessage的消息体制结构见表12和表13。

表12 Traffic Enter Message

Field	Length(bits)
		MSG_TYPE(00010100)	8
ACK_SEQ	3

MSG_SEQ	3
		ACK_REQ	1
VALID_ACK	1
		RANDVA	3

表13 Traffic Enter Response Message

Field	Length(bits)
		MSG_TYPE(00001000)	8
ACK_SEQ	3
		MSG_SEQ	3
ACK_REQ	1
		VALID_ACK	1
AUTHVA	1
		RANDACK	3

这里：PAGECH：为接入信道对应的寻呼道号

PG_C_STATE：寻呼信道混沌当前值

ACCESSCH：接入信道号

RANDVA：用于计算混沌初始值的随机数

RANDACK：用于计算混沌正确的随机数

AUTHVA：确认返回值

其余参数域参看IS-95标准[3]

4)混沌初始值和起始位及确认返回值的计算方法：

1)混沌初始值和起始位及确认返回值的计算方法：

A.对寻呼信道，它们需要用到混沌长码的抽取码片做扰码。

我们采用如下的计算方法(采用与SSD更新相同的方法)：

B.对接入信道

C.对前向业务信道和反向业务信道

前向业务信道和反向业务信道是对应关系，所以采用相同的方法：

当基站对产生的返回值是不同的，则消息会循环直到相同。

采用以上设计方法，以混沌Logistic作为地址码扩频序列，选择IS-95CDMA系统为考察对象，在SPW4.5/Solaris2.6中设计出具有长码(地址码)为Logistic序列的CSS/CDMA系统，在室内Saleh信道下，搭建CSS/CDMA反向链路，并在单用户及多用户情况下，搭建CSS/CDMA与IS-95CDMA系统的误码率特性。

1.Logistic映射作为我们所需要的扩频码，选用的函数式为：

X_n+1＝1-2X_n ²                        -1≤Xn≤1：

2.CSS/CDMA系统在室内Saleh信道下单用户工作框图如图10；

3.CSS/CDMA系统在室内Saleh信道下多用户工作框图如图11；

4.仿真参数见用户工作框图10和图11；

两图中背景参数说明：

Mobile Parameters(移动参数)

Rate Set(速率集)                                                 1

PILOT_PN(导频伪随机序列)                                         1

Random Traffic Frame Rate(随机业务帧速率)？

(′yes′，′no′)                                                ′no′

Fixed Traffic Frame Rate(固定业务帧速率)

(0＝9600/14400，1＝4800/7200，2＝2400/3600，3＝1200/1800 bps)    0

Mobile Link Budget Parameters(移动链路预定参数)

Target Eb/Nt(信噪比)                                 12.0dB

Noise Power Spectral Density(噪声功率谱密度)         -150dBm/1.23MHz

Path Loss from Mobile to Base Station(移动台到基站的路径损耗)    -20.0dB

Channel Parameters    信道参数

Chip Rate(码片速率)                                  122800Hz

Channel Oversample Rate(信道过采样速率)              8

Vehicle Speed(车载速度)                              0km/hr

Carrier Frequency(载波频率)                          1878.7MHz

Path 1 Fading？(′yes′，′no′)(路径一衰落)         ′yes′

Path 2 Fading？(′yes′，′no′)(路径二衰落)         ′yes′

Path 3 Fading？(′yes′，′no′)(路径三衰落)         ′yes′

Relative Power of Path 2 to Path 1(路径二到路径一的相关功率)

                                                      0.0dB

Relative Power of Path 3 to Path 1(路径三到路径一的相关功率)

                                                      -3.0dB

Path Delays(subchips)(路径时延)(子码片)

Path 1(路径一)                                        0

Path 2(路径二)                                        20

Path 3(路径三)                                        142

Base Station Parameters    基站参数

Early-Late Delay(subchips)(预留时延)(子码片)          3

Receiver Finger Delays(subchips)(接收机支路时延)(子码片)

Finger 1(支路一)                                      0

Finger 2(支路二)                                      20

Finger 3(支路三)                                      142

Source(信源)

Reverse Link Source(反向链路信源)

Encoder(编码器)

Reverse Traffic Channel Encoder(反向业务信道编码器)

Transmitter(混沌扩频发射机)

Channel(信道)

Indoor Mobile Channel(室内移动信道)

Complex White Noise(复白高斯噪声)

Receiver(混沌扩频接收机)

Decoder(译码器)

Reverse Traffic Channel Decoder(反向业务信道译码器)

Error Checking(误码率检测器)

BIT/FRAME ERROR COUNTER(比特/帧错误计数器)

5.仿真结果参见图12。

采用CDMA系统中的混沌扩频地址码方案，可以解决原来CDMA系统中地址码m码族数量小、不便于保密、动态特性欠优等缺陷。采用混沌扩频地址码后，由于该码的数量直接取决于混沌扩频码的初值或参数，故可提供给每个蜂窝的用户地址码将极大地增加，此处由于参数或初值地多样性及非线性混沌映射模型地多样性，可以起到有效抗截获的作用，为混沌扩频地址码地安全性提供了保障，同时CSS/CDMA通信质量不会降低。将其应用通信领域可以使公众或专用无线扩频通信系统的安全性、通信质量的进一步增强。

参见图13，此图为“基于IS-95标准的CSS/CDMA系统反向链路框图”具体到商用Q-CDMA系统中检测，其系统误码率在室内传播环境下和宏蜂窝结构中，低信噪比时与Q-CDMA系统相当，较高信噪比时有近一个数量级的改善，尤其是对多用户系统更为明显。具体比较可参见图14“50公里/小时下CSS/CDMA系统在Rayleigh信道下误码率特”和图15“100公里/小时下CSS/CDMA系在Rayleigh信道下误码率特”，图中虚线为Q-CDMA系统误码率特性，实线为CSS/CDMA系统误码率特性。

Claims (1)

1、码分多址系统中的混沌扩频地址码方法，其特征在于：

第一步：采用混沌映射作为扩频码，其函数式为

    X(n+1)＝f(X(n))

获得唯一的确定的混沌长码由以下三个因数确定：

1)初始值X(0)或当前值X(n)，

2)起始位数N，

3)有效位即有限精度的长度；

利用混沌映射第n次迭代值X(n)决定混沌长码的第n位序列值x，当X(n)＜0.5时，x＝0；当X(n)＞0.5时，x＝1，这样混沌长码为二进制序列；

第二步：在CDMA IS-95标准系统中，从寻呼信道开始发送消息和命令开始，系统进入用混沌扩频码进行处理的过程，按以下步骤进行：

(1)修改同步信道信息：

修改同步信道消息，利用其中的参数域，将其中的状态域改为混沌映射的当前值，其他参数不变，修改后的状态域即作为计算寻呼信道1的混沌掩码计算的当前值，对每次计算的混沌映射的X(n)的有效长度为统一的42位；

当移动台接收到同步信道消息后，即开始将信息存储并处理，当移动台发现参数域的三字节为`111`时，则将状态域当作混沌的当前值进行处理，若为`000`，则当作m序列长码处理，即系统仍采用m序列作扩频码；

(2)增加寻呼信道和接入信道消息

移动台通过从寻呼信道1的标题消息中得到它所要的参数，包括基站给移动台分配的接入信道号和相应的寻呼信道，基站识辨号及时隙，当移动台收到需要的参数后，或其中任何一种参数改变后，基站发送允许信息，等待移动台的允许响应信息，如果在时间20m内未收到移动台的消息，则继续发送标题和接入允许信息，当收到移动台的接入允许信息后，在下一个相关时隙启动相应的寻呼信道和混沌扩频码，与移动台的接入信道之间进入下一个状态或子状态，在这个过程中，基站通过接入进入信息向移动台传递响应寻呼信道的混沌扩频码参数接入信道参数，并在时间20m时，启动相应的寻呼信道，基站和移动台在通过接入允许响应信息确认后，进入相应的状态；

(3)增加前向业务信道和反向业务信道的消息

在系统从接入状态到业务信道控制状态时，基站和移动台通过寻呼信道和接入信道分别发送业务进入信息和业务进入响应信息，在双方确认后，即进入业务信道控制状态；

由于反向业务信道和前向业务信道及与移动台之间是一对一的关系，因此采用接入信道方法，由基站传输一随机数，采用公开密钥法计算出初始值和起始位，再由移动台确认后，进入业务信道控制状态；

(4)混沌初始值和起始位及确认返回值的计算：

A.对寻呼信道，用混沌长码的抽取码片做扰码，混沌长码的选取方法是首先通过IS-95的寻呼信道方法，分别得到混沌长码的42位二进制长度的初始值和16位二进制长度的起始位；

B.对接入信道，用混沌长码的抽取码片做扰码，混沌长码的选取方法是首先通过IS-95的接入信道一样方法，分别得到混沌长码的64位二进制长度的初始值和16位二进制长度的起始位；

C.对前向业务信道和反向业务信道，它们是对应关系，采用IS-95的前向业务信道和反向业务信道方法，分别得到混沌长码的42位二进制长度的初始值和16位二进制长度的起始位；

D.对确认返回值的计算采用IS-95的确认返回值计算方法，当基站对产生的返回值是不同时，则消息会循环直到相同。

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