結合脈沖位置調制的正交多用戶混沌通信系統

尹湘香，吳林煌，黃勝秋

(1.福州大學 先進制造學院，福建 泉州 362251；2.福建省順天億建設有限公司，福建 龍巖 364105)

0 引言

混沌信號具有隨機性、噪聲小、頻譜寬和相關性好等特點,由于這些特點,混沌調制在擴頻通信系統的應用中引起了廣泛關注[1]。混沌通信系統可分為相干和非相干2種通信模式[2]。在非相干模式的混沌調制方案中,差分混沌移位鍵控(DCSK)系統是最經典的,具有出色的抗噪聲能力[3]。

DCSK系統采用傳輸參考(T-R)模式傳輸信息比特[4],接收端用參考時隙和信息時隙做相關運算可恢復比特。這避免了接收端的混沌同步和信道估計,增強了系統抗多徑干擾的能力,但也存在數據保密性差、傳輸速率和能源效率低的缺點;而且其收發設備中使用了工程中較難實現的寬帶射頻延遲線,增加了系統實現的復雜性[5]。

針對這些缺點,學者們做了許多不同的嘗試,得到了許多DCSK的改進變體[6-11]。文獻[12]設計了一種脈沖位置調制(PPM)和DCSK的混合調制方案(PPM-DCSK),將額外的信息比特映射到相應的位置索引,以獲得更好的誤碼率性能。文獻[13]提出了一種帶索引調制的雙模式DCSK系統(DM-DCSK-IM),其中調制比特由一對可區分的調制模式星座承載。為了進一步提高數據率,文獻[14]在下行鏈路多用戶傳輸中開發了疊加編碼的PPM-DCSK。該方案根據脈沖的位置來區分用戶并傳輸額外的比特。

近年來,多用戶傳輸作為提升混沌系統傳輸速率和容量的方法受到廣泛關注。文獻[15]利用改變幀結構與調頻技術結合的方式實現信息高效率傳輸,但其誤碼性能略遜于調頻差分混沌移位鍵控(FM-DCSK)系統。文獻[16]采用多個射頻延遲線傳輸多用戶信息比特,減少了用戶信息與噪聲之間產生的干擾,并且通過希爾伯特變換消除相同時隙中用戶間的干擾,大大提升了系統的誤碼性能。

本文提出一種結合脈沖位置調制的正交多用戶混沌通信系統(PPM-DCSK-WC)。該系統采用正交Walsh碼序列作為多址方案,避免了用戶間干擾對系統誤碼性能的影響,進而使系統的誤碼性能有所改善,大大提升了系統的傳輸速率,同時也具備了PPM-DCSK系統高誤碼率性能的優勢。

1 系統模型

1.1 發射機

圖1 PPM-DCSK-WC的發射機框圖Fig.1 Block diagram of PPM-DCSK-WC transmitter

為了在多用戶場景下實現有效的數據傳輸,本文引入了正交的Walsh碼來消除多址干擾。與DCSK-WC[17]的構造類似,首先給出了一個基本的Walsh碼W2來生成PPM-DCSK-WC系統的高階Walsh碼:

(1)

(2)

例如,當n=2時,W4為兩用戶系統對應的Walsh矩陣,構造如下:

。 (3)

在W4中,行向量之間兩兩正交,所以每個用戶都可以選用其中一行表示要發送的比特“1”和“0”,2個用戶之間的干擾為零。

(4)

(5)

(6)

1.2 接收機

(7)

(8)

接收機框圖如圖2所示。

圖2 PPM-DCSK-WC的接收機框圖Fig.2 Block diagram of PPM-DCSK-WC receiver

為了使描述更加簡潔易懂,接收信號可以進一步表示為:

ri=[ri,0,ri,1,ri,2,…,ri,t,…,ri,N],

(9)

式中:ri,t表示接收信號ri的第t個子槽。可進一步表示為:

ri,t=[ri,t,1,ri,t,2,…,ri,t,v,…,ri,t,U],

(10)

式中:ri,t,v表示一個長度為β的子接收信號。

接收機不僅需要檢測DCSK信號中的調制位,還需要檢測PPM的索引位置。也就是說,接收到的參考信號ri,0需要與接收到的信息承載信號中每一個長度為Uβ的子槽ri,t(1≤t≤N)分別乘以分配給第k個用戶的Walsh碼,然后對結果向量求和以消除多用戶干擾。因此,PPM信號中第k個用戶的第i個含信息承載信號的部分可以寫成:

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

2 實驗結果分析

2.1 PPM-DCSK-WC在低時延下的BER性能比較

圖3展示了DCSK-WC和不同映射位mc的PPM-DCSK-WC分別在多徑瑞利衰落信道上2用戶和4用戶系統的誤碼性能比較。與同等用戶數下的DCSK-WC相比,在任何mc情況下,PPM-DCSK-WC的性能都更具優越性,且隨著mc的增加,該系統的性能將比DCSK-WC更優。值得一提的是,在mc=3,誤碼率水平為10-3時,同等用戶數下的PPM-DCSK-WC的性能增益比DCSK-WC高了約4 dB。這是因為所提出的系統可以在一個數據幀中額外攜帶mc個映射位信息。

圖3 PPM-DCSK-WC和DCSK-WC多用戶系統在延遲(0,1,3)的多徑瑞利衰落信道下的比較 Fig.3 Comparison of PPM-DCSK-WC and DCSK-WC multi-user systems in Rayleigh multipath fading channels with delay (0,1,3)

隨著用戶數量的增加,PPM-DCSK-WC的誤碼率性能逐漸下降,這是因為來自不同用戶的AWGN干擾項增加了相關器輸出的總體噪聲水平。因此,用戶越多,噪聲干擾越嚴重,影響系統性能。此外,還注意到,BER總是隨著mc增加而降低,原因是,對于固定的比特能量,隨著mc的增加,符號內攜帶的能量會增加,即增強了BER性能。可以看到,要達到10-4的誤碼率,mc=3的系統所需的Eb/N0水平比mc=1的系統低約2 dB。

2.2 PPM-DCSK-WC在高時延下的BER性能比較

圖4 PPM-DCSK-WC和DCSK-WC多用戶系統在延遲 (0,8,16)的多徑衰落信道下的比較 Fig.4 Comparison of PPM-DCSK-WC and DCSK-WC multi-user systems in multipath fading channels with delay (0,8,16)

3 結束語

本文提出了一種新的高效率PPM-DCSK-WC多用戶系統。該系統利用Walsh碼構建了多用戶方案,消除了多址干擾,也提升了系統的數據傳輸速率,同時也具備了PPM-DCSK系統的優點,提供了更好的多用戶系統性能并增強了系統在多徑衰落延遲擴展方面的魯棒性。實驗仿真證明了該系統的BER性能比傳統多用戶方案更具優越性。因此,本文提出的PPM-DCSK-WC系統是短距離無線通信中一種具有重大價值的多用戶信息傳輸方案。