基于Walsh码的多用户差分混沌通信系统的制作方法
【专利摘要】本发明请求保护一种基于Walsh码的多用户混沌通信系统，属于通信息系统领域。通过对DCSK通信系统的数据帧进行改造，使每一帧包含N个用户数据，每个数据帧分配不同的Walsh码区分不同用户，这样发送的每帧信号携带N bit用户数据。发送端采用传输参考的方式，首先在一个帧周期的前半个周期直接传输由符号函数调制后的混到参考信号，其次，在后半个周期并行传输N个用户的数据信息，并为每个用户分别不同的正交Walsh码。接收端采用相关解调法解调出每个用户的数据信息，最后进行判决解调，若相关解调的结果大于零，则判定发送的信息信号为“+1”，若关解调的结果小于零，那么判定发送的信息信号为“?1”。MU?DCSK优良的性能，使其在通信领域有广泛的应用前景。
【专利说明】
基于Wa I sh码的多用户差分混沌通信系统
技术领域
[0001]本发明涉及数据通信系统，具体为一种利用混沌和Walsh码相结合的通信方案，是 一种提高系统数据传输速率和保密性能的新方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]混沌通信是利用混沌信号作为载波，代替传统的正弦波载波，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。
[0004] 在混沌键控调制系统中，最为典型的两种系统分别为1996年由Kolumban等人提出 的差分混纯键控（differential chaos shift keying，DCSK)和2000年Sushchik等人提出 相关延迟键控（correlation delay shift keying，⑶SKhDCSK调制系统采用传输-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纯信 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"，那 么发送两段信号相同，若发送信息为"-Γ，则携带信息的信号与参考信号相反。为了解决 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⑶SK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。
[0005] 鉴于此，本发明根据DCSK与⑶SK的不足，提出了 一种改进型的混沌键控方案-- 基于Wa 1 sh码的多用户差分混沌通信系统(MU-DCSK)。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有技术在多用户混沌键控通信上的不足，提出一种基于Walsh码的 多用户混沌通信系统。
[0007] 本发明所要解决的技术问题是:将Walsh码同差分混沌键控通信系统相结合;多个 用户同时发送信息，提高系统信息传输速率;分别研究在加性高斯白噪声信道(additive white Gaussian noise channel,AWGN)与瑞利衰落信道下，不同用户间信息信号和噪声干 扰对系统的误码性能产生的影响。
[0008] 本发明解决上述技术问题的技术方案是：将Walsh码与符号函数同差分混沌键控 通信系统相结合，发送端采用传输参考的方式，首先在一个帧周期的前半个周期直接传输 由符号函数调制后的混沌参考信号，其次，在后半个周期并行传输N个用户的数据信息，并 为每个用户分配不同的正交Walsh码。接收端采用相关解调法解调出每个用户的数据信息， 首先将接收到的信号延迟半个周期，其次将前半个周期的接收信号与后半个周期的接收信 号相乘，再与用户调制时分配给不同用户相对应的Walsh码相乘，最后进行判决解调，若相 关解调的结果大于零，则判定发送的信息信号为"+1"，若相关解调的结果小于零，那么判定 发送的信息信号为"-Γ。将判定结果与实际发送的数据信息进行异或操作，统计出错判的 数据个数，将错判的数据个数除以发送的总数据数，则可求得系统的误码率。
【附图说明】
[0009] 图1本发明MU-DCSK系统发送框图；
[0010]图2瑞利衰落信号模型；
[0011]图3本发明MU-DCSK系统接收框图；
[0012] 图4本发明M = 32瑞利衰落信道下系统误码率性能图；
[0013] 图5本发明M=128瑞利衰落信道下系统误码率性能图；
[0014] 图6本发明M = 32AWGN信道下系统误码率性能图；
[0015] 图7本发明M=128AWGN信道下系统误码率性能图；
[0016] 图8本发明系统误码率随扩频因子变化性能图；
【具体实施方式】
[0017] 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。
[0018] 图1所示为发明MU-DCSK系统发送框图，具体步骤：利用Hadamard矩阵构建2"阶 Walsh码
[0019]
(1).
[0020] 其中："=2,…，心=1，每列都代表一个Walsh码序列，序列长度M= 2n，且2M为扩 频因子，系统一共有N(N<M)个用户。
[0021] 利用Logistic映射产生混沌信号，再经过符号函数映射产生混沌序列χ1:
[0022]
(2)
[0023] (2)式中i = (0，l，2,. . .M)，yi是由Logistic映射产生的混纯信号，Xi是经符号函数 映射后的混沌序列，xi e {+1，-1}。经过符号函数调制后的混沌序列E[xi] = 0，var[xi] = 1， var[T；·] = 0，E[*]表示均值，var[*]表示方差，且比特能量恒定。
[0024]同时传送N比特信息的时间为一个帧周期，发送端采用传输参考的方式，首先在一 个帧周期的前半个周期直接传输由符号函数调制后的混沌参考信号Xl，其次，在后半个周 期并行传输N个用户的数据信息bjXi-M，并为每个用户分配不同的正交Walsh码wi,j相乘并求 和。则发送端的传输信号81如式(3):
[0025]
〇)
[0026] 可得此时传输信号的比特能量为：
[0027](4) 1=1 ：i=Ai：4-l /=1
丄v
[0028] (3)式中匕为第j路用户数据信息，且匕^{+1，-1}，￥^为第」路用户分配的
[0029] Walsh 码。
[0030] 图2所示为两条独立路径的瑞利衰落信道。其中adPas是独立的满足瑞利分布的随 机变量，τ是两条路径之间的时间延迟满足均值为零，方差为No/2的加性高斯 白噪声。发送信号经过瑞利衰落信道传输后，接收端收到的信号为：
[0031] ri = aisi+a2Si-τ+ζ? (5)
[0032] 图3所示为MU-DCSK系统接收框图。接收端先将接收到的信号延迟半个周期，其次 将前半个周期接收信号与后半个周期的接收信号相乘，再与用户调制时分配给不同用户相 对应的Walsh码组相乘，最后进行判决解调，则接收端中相关器的输出信号表达式为：
[0033]
(6) Μ
[0034] 利用Walsh码的正交性Σ Mi严U =0及混沌二进制信号< =1，可以得到：
[0035]
[0038]
(10)
[0039] (8)式中第一项和第二项为有用项，其他项为多用户干扰项，（9)式及（10)式为噪 声干扰。由于Logistic映射的自相关旁瓣为零，（8)式中第三项趋于零，又由于Walsh码的正 交特性，避免了（8)式的后二项形成较强的直流分量，这极大地降低了其他用户干扰，改善 了误码性能。然后，根据以下判决即实现解调：
[0040]
(11)
[0041] 根据中心极限定理，相关器输出L近似为高斯分布。为了求得MU-DCSK的系统误码 率公式，需要解出I的均值和方差。已知混沌映射序列的统计特性经过Walsh码调制后仍保 持不变。以下为关于Walsh码的部分性质:对于长度为Μ不同的Walsh码Wi,j和Wi,k，当j = l，… N，k = 1，··,，且 j辛k时，E[wi，jWi，k] = E[wi，j] = E[wi，k] = 0，var[wi，jWi，k] =var[wi，j] =var
[Wi, k] - 1 〇
[0042] 不失一般性，设第j个用户发送的信息匕=+1，利用以上性质可得
[0043]
(12)
[0044] var[Zj]=var[A]+var[B]var[C]+2cov[A,B]+2cov[A,C]+2cov[B,C] (13)
[0045] 其中cov[X，Y]代表X和Y的协方差。
[0049] 可以证明，cov[A，B] =cov[A，C] =cov[B，C] = 0,因此，相关器的输出方差为：
[0050]
(17)
[0051 ]则系统在瑞利衰落信道下的误码率为：
[0052] v
n / y
[0053] 其中，erfc为补误差函数 ^
[0054] 4
，则式（18)可化简为：
[0055](19) \
J
[0056] 由于α 1和α 2独立且服从瑞利分布，4
.，那么γ 1和γ 2服从以下卡方分布：
[0057]
(20)
[0058] 则yb= γι+γ2服从以下分布：
[0059]
(21)
[0060] 根据式（19)和(21)，可得第j个用户的误码率为：
[0061 ]
(22)
[0062] 当^ = 1，α2 = 〇时，可得MU-DCSK在AWGN信道下的误码率公式：
[0063]
(23) [0064] 当N=l，式(23)即为FM-DCSK系统的误码率公式。
[0065] 观察式(23)可得，影响BER的因素有Ν、Μ和Eb/Νο。当Μ和Eb/Νο为固定值时，一定存在 一个最佳N值，使得BER最小，即系统性能最佳。
[0066] 令：
，对y关于N求导得：
[0067](24) *'〇
，? . . V . , Q j
[0068]得最佳N极值为：
[0069]
(25)
[0070] 有（19)式可知，当M越大，Eb/No越小，则对应的N〇pt越大;反之，当M越小，Eb/No远大， N〇pt越小，其极限趋于1。，令Eb/N〇= 10dB，M=32和M= 128时，Nopt分别为1 · 37和2 · 01。
[0071] 利用仿真实验对本发明算法的理论推导进行验证，分别讨论在瑞利衰落信道下及 AWGN信道下系统的误码性能。
[0072] 1.瑞利衰落信道下的性能分析
[0073] 为了分析MA-DCSK系统在瑞利衰落信道下的误码性能，根据式(22)，讨论两种不同 路径增益情况，即：
[0074] 情况一:两条路径具有相同的平均能量增益，即：
[0075]
(26)
[0076] 情况二:两条路径的平均能量增益相差10dB，即：
[0077]
(27)
[0078] 图4和图5所示分别为M=32和M=128情况下，MU-DCSK系统的在瑞利衰落信道下的 误码性能图。由图可知，随着Μ的增大，系统误码性能恶化;随着用户数N的增大，MU-DCSK反 而变得更好。其原因是MU-DCSK系统采用Walsh码区分不同用户，消除了用户间的干扰，系统 中只有噪声干扰，这样会极大降低系统的误码率。
[0079] 2.AWGN信道下的性能分析
[0080]图6和图7分别为系统误码率随信噪比变化曲线:从图可知，由式(23)推导出的MU-DCSK误码率与计算机仿真Monte Carlo相吻合。用户数N-定时，BER随着Eb/Νο单调递减。当 扩频因子越大，不同数目用户间的曲线间隔减小。
[0081 ]图8为Eb/N〇 = 15dB，误码率随扩频因子变化曲线。由图可知，M< 100时，数值仿真与 Monto Carlo仿真并不十分吻合，产生该现象的主要原因是：当Μ较小时，相关器的输变量不 完全服从高斯分布。其次，在不同用户数Ν下，系统BER随Μ的增大呈递增趋势，并逐渐趋于定 值。但不同用户数之间存在交叉点，这是由于式（23)中，Μ的增大，对不同用户数的影响不 同，即Ν越小，作用效果越明显。
【主权项】
1. 一种基于Walsh码的多用户混沌通信系统，其步骤在于，将DCSK通信系统的数据帧进 行改造，使每一帧包含N个用户数据，每个数据帧分配不同的Walsh码区分不同用户，这样发 送的每帧信号携带Nbit用户数据。发送端采用传输参考的方式，首先在一个帧周期的前半 个周期直接传输由符号函数调制后的混到参考信号，其次，在后半个周期并行传输N个用户 的数据信息，并为每个用户分配不同的正交Walsh码。接收端采用相关解调法解调出每个用 户的数据信息，首先将接收到的信号延迟半个周期，其次将前半个周期接收信号与后半个 周期的接收信号相乘，再与用户调制时分配给不同用户相对应的Walsh码组相乘，最后进行 判决解调，若相关解调的结果大于零，则判定发送的信息信号为"+1"，若关解调的结果小于 零，那么判定发送的信息信号为"-Γ。将判定结果与实际发送的数据信息进行异或操作，统 计出错判的数据个数，将错判的数据个数除以发送的总数据数，则可求得系统的误码率。2. 根据权利要求1所述的通信方案，其特征在于，该方案每帧信号携带Nbit用户数据， 每个用户数据间都是严格正交关系，消除了用户间干扰，且每一帧数据仅包含一个参考信 号。3. 根据权利要求1所述的估计方法，其特征在于，从附图3可以看出，接收端解调方法采 用相关解调法，该方法采用简单的延迟相关即可，方法简单，实现容易且电路简单，硬件成 本低。
【文档编号】H04L9/00GK105933104SQ201610550474
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】张刚, 孟维, 王传刚
【申请人】重庆邮电大学