面向短距离通信的联合PPM的混沌扩频调制多用户接入系统

面向短距离通信的联合ppm的混沌扩频调制多用户接入系统
技术领域
1.本发明涉及短距离无线通信技术领域，具体涉及一种面向短距离通信的联合ppm的混沌扩频调制多用户接入系统。


背景技术：

2.混沌理论的诞生源自人们对混沌现象的发现。混沌信号易于生成和复制，频谱宽，且对初始条件极其敏感，具有长期不可预测性，难以被截获或窃听，这些特性对于提高多用户接入性能、提高抗干扰能力和抗多径效应非常重要，使得许多学者投入到了混沌通信的研究之中。
3.混沌通信因其低功耗、低复杂度、优良的抗衰落能力等优点，可广泛应用于扩频通信系统。其中，差分混沌移位键控(dcsk)系统是混沌通信系统中研究最广泛的一种，具有简单的收发器配置和在多径衰落信道上的优异性能，利用混沌映射产生的混沌信号取代数字通信中的载波，可以让调制与扩频同时实现。
4.随着对混沌数字通信的深入研究，人们发现传统的dcsk系统不能满足高速率以及低能耗等现代通信的需求，所以当前对于混沌键控通信系统的研究重点在于提升数据传输速率和节省能量。此外，dcsk系统存在系统比特能量不恒定、抗噪声性能和保密性不高等问题。这些问题的解决将有利于综合地运用混沌信号的保密特性和宽频谱特性等优势，促进混沌键控通信技术走向实用，拓宽混沌键控通信系统的应用场合。
5.在混沌调制方案的研究领域，近几年出现了大量基于dcsk系统的改进型调制方案，如meiyuan miao等人在文献《hybrid modulation scheme combining ppm with differential chaos shift keying modulation》提出了一种基于脉冲位置调制(ppm)和dcsk的混合调制方案。该方案中，比特的一部分由ppm调制，而另一部分由dcsk调制，信息承载信号通过与由额外信息比特决定的ppm的选择脉冲位置的同时调制，改进了在传统的m-ary混沌位移键控调制(dcsk)系统中，随着m的增加，星座点之间的距离越来越近，导致性能较差的问题，提高了误码率性能。
6.此外，对混沌通信相应的多用户接入方案进行改进，来改善t-r系统存在的缺陷，为短距离通信系统提供优质的混沌调制方案，也是一个需要解决的重要问题。pingping chen等人在文献《ddcsk-walsh coding:a reliable chaotic modulation-based transmission technique》中，介绍了一种新的ddcsk技术应用于多用户系统中。ddcsk-wc与传统的dcsk相比，只需要在第一时隙传输参考信息，之后都以前一个时隙有承载比特信息的混沌信作为参考，该方案可节省一半的传输能量，且优化了多用户接入技术，但数据传输效率较低，误码率性能还有一定改善空间。这导致混沌调制技术在一定使用范围受限，所以仍需进一步提高系统性。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向短距离通信的联合ppm的混沌扩频调
制多用户接入系统，解决了传输能量浪费的问题，提高数据传输效率，减少噪声干扰，具有更好的误比特性能，有效降低了误比特率。
8.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.一种面向短距离通信的联合ppm的混沌扩频调制多用户接入系统，包括发送端和接收端，
10.在发送端，采用混沌映射的方式产生混沌信号，将该混沌信号作为第1个时隙的参考段，将比特流划分为多个符号周期，每个符号周期为mc+1个比特传输位，其中，mc个映射比特位决定ppm的选择脉冲位置，1个比特位是由ddcsk-wc调制；当多个用户同时传输信息时，利用正交walsh码对信息段重新设计，消除多址干扰，再将重新设计后的信息段在ppm选定的脉冲位置进行传输；
11.在接收端，将接收到的信号按一定方法乘以相应walsh码，再将经walsh码处理后的参考段与信息段进行相关特性的计算，通过比较相关特性结果的绝对值大小，确定信息段所在位置，从而判决出对应的mc个映射比特及1个调制比特。
12.进一步的，调制采用传输-参考模式和脉冲位置调制相结合的方式，只在第一个时隙发送参考混沌信号，之后的每个时隙中都发送由ddcsk-wc和附加信息位确定的ppm选定脉冲位置来同时进行调制的信息承载信号。
13.进一步的，所述发送端，具体控制如下：
14.步骤a1:对混沌发生器的输出进行采样，获得u个长度为β的参考混沌序列，并将序列分u个用户的第一时隙作为参考信号发送出去；
15.步骤a2:将每个用户的比特流分别划分为多个比特块，每个比特块为(mc+1)个比特传输位，第k个用户的第l个比特块写成表示第k个用户中第l个比特块的mc个映射比特的向量，a
l,1
表示第l个比特块的调制比特；其中，mc个映射比特位决定ppm的选择脉冲位置，1个比特位是由ddcsk-wc调制，符号持续时间为(2mc+1)乘以混沌信号长度β；
16.步骤a3：构造walsh矩阵，利用正交walsh码对信息段重新设计；
17.步骤a4：制定映射规则，将mc映射位映射到一个ppm位置；
18.步骤a5：将经过walsh码重新设计的信息段按照映射规则，在ppm帧中的一个位置上进行传输。
19.进一步的，所述步骤a3具体为：
20.在单用户传输方案中，每个比特的参考段同时也是前一个比特的信息段，相当于利用了2阶的walsh码：[+1+1]和[-1-1]用于表示传输比特1，[+1-1]和[-1+1]用于传输比特信息0，系统所需walsh码矩阵的基础产生矩阵为：
[0021][0022]
w2为单用户系统所对应的walsh正交序列矩阵；
[0023]
在u个用户通信的系统中，将单用户视为多用户的一个特殊例子，基于初始w2矩
阵，容纳个用户的2u阶walsh矩阵为：
[0024][0025]
进一步的，所述步骤a4具体为：
[0026]026][0027][0027][0028][0029]
其中a
l
是通过映射位转换的位置索引调制符号，表示s
ppm
的第a
l
个位置上传输信息段，z
l
为大小为l
×
l的单位矩阵，矩阵的行元素代表映射mc个比特shi2的脉冲位置可选择的所有情况。
[0030]
进一步的，系统中，传输一帧数据的帧格式为：
[0031][0032]c(k)
表示第k个用户所使用的长度为β的混沌载波，w
2k-1,i
，i＝1,2,
…
,u，是矩阵的元素，s
0(k)
是第k个用户的第一个比特块的参考段，b
lk
为第k个用户传输的第l个比特信息，是克罗内运算符。
[0033]
进一步的，所述接收端，具体控制如下：
[0034]
步骤b1：在接收端接收经过多径瑞利信道衰落和叠加噪声干扰处理的u个用户的混合信息r
inf
；
[0035]
步骤b2：使用各用户传输“0”和“1”时分别对应的walsh矩阵行元素乘以接收到的r
inf
的第一个模块信息，再将该部分的参考段与信息段进行相关特性的计算；
[0036]
步骤b3：比较相关值绝对值结果大小，通过绝对值最大的相关器索引，分别判断出各用户对应的ddcsk-wc信号的调制位和ppm的索引位置，判决出该模块对应的mc个映射比特及1个调制比特；
[0037]
步骤b4：将第1个模块信息信号作为第2个模块的参考信号，重复步骤b2和步骤b3，解调出第2个模块的mc个映射比特和1个调制比特；同理恢复出剩余所有模块的(mc+1)个数据比特流，解调出发送端每个用户所传输的比特流。
[0038]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0039]
本发明解决了传输能量浪费的问题，提高数据传输效率，减少噪声干扰，具有更好的误比特性能，有效降低了误比特率。
附图说明
[0040]
图1为ddcsk-wc与ppm-ddcsk-wc的第k个用户帧结构对比示意图
[0041]
图2为本发明ppm-ddcsk-wc单用户发射端结构；
[0042]
图3为本发明ppm-ddcsk-wc单用户接收端结构；
[0043]
图4为整个发送-接收过程流程图；
[0044]
图5为现有技术方案ppm-dcsk、ddcsk-wc与本提案单用户的ppm-ddcsk-wc仿真对比图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0046]
请参照图1-5，本发明提供一种面向短距离通信的联合ppm的混沌扩频调制多用户接入系统，包括发送端和接收端，
[0047]
在发送端，采用混沌映射的方式产生混沌信号，将该混沌信号作为第1个时隙的参考段，将比特流划分为多个符号周期，每个符号周期为mc+1个比特传输位，其中，mc个映射比特位决定ppm的选择脉冲位置，1个比特位是由ddcsk-wc调制；当多个用户同时传输信息时，利用正交walsh码对信息段重新设计，消除多址干扰，再将重新设计后的信息段在ppm选定的脉冲位置进行传输；
[0048]
在接收端，将接收到的信号按一定方法乘以相应walsh码，再将经walsh码处理后的参考段与信息段进行相关特性的计算，通过比较相关特性结果的绝对值大小，确定信息段所在位置，从而判决出对应的mc个映射比特及1个调制比特。
[0049]
在本实施例中，调制采用传输-参考模式和脉冲位置调制相结合的方式，只在第一个时隙发送参考混沌信号，之后的每个时隙中都发送由ddcsk-wc和附加信息位确定的ppm选定脉冲位置来同时进行调制的信息承载信号
[0050]
在本实施例中，发送端，具体控制如下：
[0051]
步骤a1:对混沌发生器的输出进行采样，获得u个长度为β的参考混沌序列，并将序列分u个用户的第一时隙作为参考信号发送出去；
[0052]
步骤a2:将每个用户的比特流分别划分为多个比特块，每个比特块为(mc+1)个比特传输位，第k个用户的第l个比特块写成表示第k个用户中第l个比特块的mc个映射比特的向量，a
l,1
表示第l个比特块的调制比特；其中，mc个映射比特位决定ppm的选择脉冲位置，1个比特位是由ddcsk-wc调制，符号持续时间为(2mc+1)乘以混沌信号长度β；
[0053]
步骤a3：构造walsh矩阵，利用正交walsh码对信息段重新设计。
[0054]
在单用户传输方案中，每个比特的参考段同时也是前一个比特的信息段，相当于利用了2阶的walsh码：[+1+1]和[-1-1]用于表示传输比特1，[+1-1]和[-1+1]用于传输比特信息0，系统所需walsh码矩阵的基础产生矩阵为：
[0055][0056]
w2为单用户系统所对应的walsh正交序列矩阵。
[0057]
在u用户通信的系统中，可将单用户视为多用户的一个特殊例子，基于初始w2矩
阵，容纳u用户的2u阶walsh矩阵为：
[0058][0059]
以两用户系统(u＝2)为例，walsh序列构成w4矩阵的行向量，表示为:
[0060][0061]
w4中行向量之间两两正交，所以每个用户都可以选用其中两行表示要发送的比特“1”和“0”，两用户之间的干扰为零。
[0062]
以两用户系统(u＝2)为例，在发送端首先进行ddcsk-wc调制，walsh矩阵选用式子(3)，在传输开始时，对于第一个用户，发送端产生的长度为β混沌载波用c1表示，将载波c1乘以w4的第一行前两个元素(“+1”，“+1”)，可得一段长度为2β的混沌序列，若第一个用户传输比特“1”，则接下来传输之前相同的序列，若传输比特“0”，则传输之前符号相反的序列。同理，对于第二个用户，首先产生长度为β的混沌载波c2，然后将载波c2乘以w4的第五行前两个元素(“+1”，
“‑
1”)，可得一段长度为2β的混沌序列，之后的步骤与第一个用户相同。
[0063]
步骤a4：制定映射规则，将mc映射位映射到一个ppm位置。
[0064][0065][0066]
其中a
l
是通过映射位转换的位置索引调制符号，表示s
ppm
的第a
l
个位置上传输信息段，z
l
为大小为l
×
l的单位矩阵，矩阵的行元素代表映射mc个比特shi2的脉冲位置可选择的所有情况。
[0067]
以映射2个比特(mc＝2)为例，则生成单位矩阵：
[0068][0069]
将已经过walsh码处理的当前发送的长度为2β混沌序列记为a0，四进制的映射比特为2位(mc＝2)，此处映射规则如下：
[0070][0071]
即映射位为“00”选择第一个脉冲位置发送信息段，其他位置不传输任何信息，另三种映射位情况亦同理。
[0072]
步骤a5：将经过walsh码重新设计的信息段按照映射规则，在ppm帧中的一个位置上进行传输。
[0073]
在ppm-ddcsk-wc系统中，传输一帧数据的帧格式为：
[0074][0075]c(k)
表示第k个用户所使用的长度为β的混沌载波，w
2k-1,i
，i＝1,2,
…
,u，是矩阵的元素，s
0(k)
是第k个用户的第一个比特块的参考段，b
lk
为第k个用户传输的第l个比特信息，是克罗内运算符。
[0076]
以八进制两用户系统(m＝8，u＝2)为例，假定第两个用户要发送的比特流分别为b1＝{110 001 111 101 100}，b2＝{100 011 101 111 100}，则将其分成若干个大小为(mc+1)个的比特块后，b1每块比特数据为：110，001，111，101，100，b2每块比特数据为：100，011，101，111，100。每个块的第一位为ddcsk-wc调制，后两位进行ppm调制，用来选择决定脉冲位置。
[0077]
在本实施例中，以八进制两用户的前两个比特块进行具体说明，则根据步骤3和步骤4可知，在第一个用户的前两个比特块{110001}中，第一个比特块选用walsh矩阵w4的第一、二行：[+1+1+1+1]和[-1-1-1-1]，映射规则对应为s
ppm
＝[0,0,1,0]；第二个比特块选用walsh矩阵w4的第三、四行：[+1+1-1-1]和[-1-1+1+1]，映射规则对应为s
ppm
＝[0,1,0,0]。在第二个用户的前两个比特块{100011}中，第一个比特块选用walsh矩阵w4的第五、六行：[+1-1+1-1]和[-1+1-1+1]，映射规则对应为s
ppm
＝[1,0,0,0]；第二个比特块选用walsh矩阵w4的第七、八行：[+1-1-1+1]和[-1+1+1-1]，映射规则对应为s
ppm
＝[0,0,0,1]。
[0078]
所以用户1发送的信号为：{c1，c1，0，0，c1，c1，0，0，-c1，-c1，0，0}；用户2发送的信号为：{c2，-c2，c2，-c2，0，0，0，0，0，0，-c2，c2}。其中，0是长度为2β的空序列；c1和c2分别是两个用户采用的混沌载波，长度为β。
[0079]
在本实施例中，接收端，具体控制如下：
[0080]
步骤b1：在接收端接收经过多径瑞利信道衰落和叠加噪声干扰处理的u个用户的混合信息r
inf
；
[0081]
步骤b2：使用各用户传输“0”和“1”时分别对应的walsh矩阵行元素乘以接收到的r
inf
的第一个模块信息，再将该部分的参考段与信息段进行相关特性的计算；
[0082]
步骤b3：比较相关值绝对值结果大小，通过绝对值最大的相关器索引，分别判断出
各用户对应的ddcsk-wc信号的调制位和ppm的索引位置，判决出该模块对应的mc个映射比特及1个调制比特；
[0083]
步骤b4：将第1个模块信息信号作为第2个模块的参考信号，重复步骤b2和步骤b3，解调出第2个模块的mc个映射比特和1个调制比特；同理恢复出剩余所有模块的(mc+1)个数据比特流，解调出发送端每个用户所传输的比特流。
[0084]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。