基于DCSK 的協作通信系統設計

李 陽

（北京鐵研建設監理有限責任公司 北京 102627）

0 引言

基于混沌數字通信技術發展而來的差分混沌移位鍵控（differential chaos shift keying，DCSK）通信系統具有較強的抗衰落能力和寬頻調制特征，且系統結構簡單，可適用于多類型無線通信網絡應用場景［1］。 然而，傳統的DCSK 通信系統在低功率與低消耗應用場景下，因發送參考信號需花費較長時間，會直接影響系統傳輸速率，且受限于其采用的非相干解調方式，導致其在數據信息恢復中較為復雜且存在較大的時間延遲［2］。 據此，本文結合DCSK 通信系統優勢，設計提出了一種混沌碼分復用的協同通信系統，通過對傳統通信系統的優化升級設計，提高協同信息傳輸與處理能力。

1 DCSK 通信系統應用原理

DCSK 通信系統以非相干解調方案為主，調制技術中在發送端采用時延方式進行鍵控與信息傳輸，系統中的接收機采用差分相干接受方式實現數據信息解調。 DCSK通信系統結構如圖1 所示。

圖1 DCSK 通信系統

由圖1 可知，在系統運行中會將傳輸周期進行均分處理，其中前半個時隙傳輸參考信號，該信號為混沌信號產生器生成的混沌信號ck，后半個時隙傳輸則攜帶了數據信號，當所發送的信息為bi ＝＋1 時，該數據信息信號與參考信號完全一致，當所發送的信息為bi ＝－1 時，數據信息信號則與參考信號完全相反［3］。 此時，DCSK 通信系統中的第i個數據信息的信號表示為式（1）所示：

式（1）中，2β為擴頻因子。

系統接收端運用差分解調方法對數據信息進行恢復處理，此時系統中的接收信號會進行延時β操作，并將所接收到的信號進行運算處理，從而得到相應的輸出結果［4］。

系統完成上述操作后，可通過判決器對最終的輸出結果進行判定，最終判決輸出的數據信息如式（2）所示：

2 改進優化的DCSK 協作通信系統設計

2.1 系統架構

考慮到傳統DCSK 通信系統在應用中的固有弊端，本文利用混沌碼的互相關與初始敏感性，提出了一種改進的多元DCSK 協作通信系統M-DCSK，該系統運行中將中繼轉發信息以不同混沌載波進行調制，并在相同時域和頻域內進行轉發處理［5－6］。 相比于傳統的DCSK 通信系統而言，改進后協作系統能夠提升信息傳輸速度，且降低通信系統誤碼性能。 該系統的框架結構如圖2 所示。

圖2 改進的DCSK 協作通信系統架構

在第一時隙中，改進的DCSK 協作通信系統在源節點上采用M-DCSK 調制技術，系統運行中會將符號信息調制到混沌信號上，源節點會以廣播形式將信號發送到相應的節點和中繼節點。 通信系統的第一時隙中，源節點通過M-DCSK 調制器發送出的目的節點和中繼節點信號表示為式（3）、式（4）所示：

式（3）、式（4）中，dsd和dsri分別表示S 到D 或Ri的距離；αsd和αsri分別表示S 到D 或Ri的信道衰落系數；Lsd和Lsri分別表示S 到D 或Ri的路徑數目；τsd和τsri分別表示S 到D 或Ri的延時。

系統接收端中的目的節點將分別獲得源節點和中繼節點差分解調的判決變量。 最后，系統中的目的節點會將S-D 鏈路與R-D 鏈路的判決變量進行合并分析，并最終獲得符號信息，通過轉換器轉化后得到信息比特，其中判決變量可表示為式（5）所示：

式（5）中，Za為S-D 鏈路判決變量；Zb為R-D 鏈路判決變量。

2.2 系統平均BER

改進的DCSK 協作通信系統的比特出錯概率（bit error probability， BER）分析方法如式（6）所示：

式（6）中，Pe為比特出錯概率；N 為中繼節點數量；PSER為系統中繼節點解碼錯誤時的誤符號率；Pcoop，n為n 個中繼節點正確解碼后與S-D 鏈路合并的協作誤碼率。

考慮到中繼節點存在數量差異，為獲取系統準確的總誤碼性能，需要對PSER和Pcoop，n進行分析。 其中，對PSER計算分析中需要考慮到改進的DCSK 協作通信系統在瞬時的誤符號率情況，其計算方法如式（7）所示：

式（7）中，γsr為信噪比。

通常情況下，系統的協作誤碼率存在以下兩種情況，當n ＝0 時，系統會退化為點對點的通信方式，此時，系統的協作誤碼率為式（8）所示：

據此，可獲得改進的DCSK 協作通信系統的平均BER為式（9）所示：

當n≠0 時，系統中繼節點可實現協作傳輸，此時第一時隙與第二時隙的判決變量需要進行合并處理，此時系統協作誤碼率為式（10）所示：

3 仿真對比分析

3.1 獨立同分布與不同分布對比分析

研究中為了驗證改進的DCSK 協作通信系統的實際應用性能：首先，選擇在多徑瑞利衰落信道獨立同分布下進行系統通信性能測試，該信道符合獨立同分布要求［7］，其系數設置為同時設定延時參數為τ1＝0、τ2＝2、τ3＝5。 仿真測試中，假定系統源節點到中繼節點與中繼節點到目的節點的距離相等。

其次，考慮系統在獨立同分布下的實際情況，選擇在多徑瑞利衰落信道不同分布下測試，其在不同分布下系數設置為延時參數為τ1＝0、τ2＝3、τ3＝6。 仿真結果見圖3。

圖3 多徑瑞利衰落信道下獨立同分布與不同分布的仿真結果

由圖3 可知，該仿真環境下的平均BER 與仿真曲線分布基本重合，但通過觀察可以發現在獨立不同分布條件下，該系統的平均BER 存在一定的誤差，該結果的出現受到了信道多徑環境的干擾與影響，導致兩者數據之間存在差異。 通過整體結果對比可發現該系統的平均BER，該結果基本驗證了系統具有較低的時延性和較高的數據信息傳輸準確性。

3.2 性能對比分析

為有效驗證系統通過混沌碼分復用改進后的實際性能，選擇與當前常用且應用性能較高的擴頻協作通信系統進行對比分析。 系統仿真對比測試中，將改進的DCSK 協作通信系統與TDMA-M-DCSK 系統、Selection-M-DCSK、DS-CDMA 進行性能對比分析，本次仿真測試選擇在多徑瑞利衰落信道同分布下完成，其中設定β ＝127、N＝3、M＝16。 各類系統的BER 結果如圖4 所示。

圖4 多徑瑞利衰落信道下不同系統的平均BER 仿真曲線

由圖4 仿真結果可知，本文設計提出的改進DCSK 協作通信系統相比于其他類型協同系統的通信性能更佳，通過對比分析可知，本文提出的改進系統在數據信息傳輸過程中的爆白噪聲較低，且利用混沌碼的互相關與初始敏感性可顯著提升信息數據的傳播速度，降低系統整體平均BER。 對比中發現TDMA-M-DCSK 系統需要借助N＋1 個時隙實現信號數據的有效傳遞，且系統中的每個時隙均會存在白噪聲，其直接影響了系統的實際應用性能［8］。 另外，Selection-M-DCSK 系統在信息數據傳輸前需要對信道進行重新估計，這使得傳輸速率明顯下降。 由系統性能仿真曲線可以發現，DS-CDMA 系統協同通信系統在準確獲得信道估計后能夠維持較高的傳輸性能。 其中，系統接收端的接收機設備發揮了主要作用，但如果系統出現信道估計錯誤的情況，則會導致該系統的傳輸性能大幅降低，傳輸性能的極端性與不穩定性和硬件條件應用下的復雜性，使得該系統適用于長期的信息數據傳輸，相比于多類型擴頻協作通信系統，本文提出的改進DCSK 協作通信系統在仿真性能測試應用中仍然具有明顯的應用優勢。

4 結語

本文結合混沌碼的互相關與初始敏感性特征，設計提出了改進的DCSK 協作通信系統，依據傳統DCSK 系統內容，對改進后的系統架構進行了重新設計調整，提出了通過第一時隙源節點調制發送目的節點和中繼節點信號的方式，并在第二時隙以混沌信號為依據，實現同時域同頻域信息轉發，從而提升系統的數據信息傳輸效率。 仿真驗證了改進的DCSK 協作通信系統相比于傳統協作通信系統，在通信周期時間與數據信息傳輸速率上性能更強，運行更加穩定，能夠為信息數據傳輸提供可靠保障。