结合脉冲位置调制的正交多用户混沌通信系统

尹湘香，吴林煌，黄胜秋

(1.福州大学 先进制造学院，福建 泉州 362251；2.福建省顺天亿建设有限公司，福建 龙岩 364105)

0 引言

混沌信号具有随机性、噪声小、频谱宽和相关性好等特点,由于这些特点,混沌调制在扩频通信系统的应用中引起了广泛关注[1]。混沌通信系统可分为相干和非相干2种通信模式[2]。在非相干模式的混沌调制方案中,差分混沌移位键控(DCSK)系统是最经典的,具有出色的抗噪声能力[3]。

DCSK系统采用传输参考(T-R)模式传输信息比特[4],接收端用参考时隙和信息时隙做相关运算可恢复比特。这避免了接收端的混沌同步和信道估计,增强了系统抗多径干扰的能力,但也存在数据保密性差、传输速率和能源效率低的缺点;而且其收发设备中使用了工程中较难实现的宽带射频延迟线,增加了系统实现的复杂性[5]。

针对这些缺点,学者们做了许多不同的尝试,得到了许多DCSK的改进变体[6-11]。文献[12]设计了一种脉冲位置调制(PPM)和DCSK的混合调制方案(PPM-DCSK),将额外的信息比特映射到相应的位置索引,以获得更好的误码率性能。文献[13]提出了一种带索引调制的双模式DCSK系统(DM-DCSK-IM),其中调制比特由一对可区分的调制模式星座承载。为了进一步提高数据率,文献[14]在下行链路多用户传输中开发了叠加编码的PPM-DCSK。该方案根据脉冲的位置来区分用户并传输额外的比特。

近年来,多用户传输作为提升混沌系统传输速率和容量的方法受到广泛关注。文献[15]利用改变帧结构与调频技术结合的方式实现信息高效率传输,但其误码性能略逊于调频差分混沌移位键控(FM-DCSK)系统。文献[16]采用多个射频延迟线传输多用户信息比特,减少了用户信息与噪声之间产生的干扰,并且通过希尔伯特变换消除相同时隙中用户间的干扰,大大提升了系统的误码性能。

本文提出一种结合脉冲位置调制的正交多用户混沌通信系统(PPM-DCSK-WC)。该系统采用正交Walsh码序列作为多址方案,避免了用户间干扰对系统误码性能的影响,进而使系统的误码性能有所改善,大大提升了系统的传输速率,同时也具备了PPM-DCSK系统高误码率性能的优势。

1 系统模型

1.1 发射机

图1 PPM-DCSK-WC的发射机框图Fig.1 Block diagram of PPM-DCSK-WC transmitter

为了在多用户场景下实现有效的数据传输,本文引入了正交的Walsh码来消除多址干扰。与DCSK-WC[17]的构造类似,首先给出了一个基本的Walsh码W2来生成PPM-DCSK-WC系统的高阶Walsh码:

(1)

(2)

例如,当n=2时,W4为两用户系统对应的Walsh矩阵,构造如下:

。 (3)

在W4中,行向量之间两两正交,所以每个用户都可以选用其中一行表示要发送的比特“1”和“0”,2个用户之间的干扰为零。

(4)

(5)

(6)

1.2 接收机

(7)

(8)

接收机框图如图2所示。

图2 PPM-DCSK-WC的接收机框图Fig.2 Block diagram of PPM-DCSK-WC receiver

为了使描述更加简洁易懂,接收信号可以进一步表示为:

ri=[ri,0,ri,1,ri,2,…,ri,t,…,ri,N],

(9)

式中:ri,t表示接收信号ri的第t个子槽。可进一步表示为:

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

(10)

式中:ri,t,v表示一个长度为β的子接收信号。

接收机不仅需要检测DCSK信号中的调制位,还需要检测PPM的索引位置。也就是说,接收到的参考信号ri,0需要与接收到的信息承载信号中每一个长度为Uβ的子槽ri,t(1≤t≤N)分别乘以分配给第k个用户的Walsh码,然后对结果向量求和以消除多用户干扰。因此,PPM信号中第k个用户的第i个含信息承载信号的部分可以写成:

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

2 实验结果分析

2.1 PPM-DCSK-WC在低时延下的BER性能比较

图3展示了DCSK-WC和不同映射位mc的PPM-DCSK-WC分别在多径瑞利衰落信道上2用户和4用户系统的误码性能比较。与同等用户数下的DCSK-WC相比,在任何mc情况下,PPM-DCSK-WC的性能都更具优越性,且随着mc的增加,该系统的性能将比DCSK-WC更优。值得一提的是,在mc=3,误码率水平为10-3时,同等用户数下的PPM-DCSK-WC的性能增益比DCSK-WC高了约4 dB。这是因为所提出的系统可以在一个数据帧中额外携带mc个映射位信息。

图3 PPM-DCSK-WC和DCSK-WC多用户系统在延迟(0,1,3)的多径瑞利衰落信道下的比较 Fig.3 Comparison of PPM-DCSK-WC and DCSK-WC multi-user systems in Rayleigh multipath fading channels with delay (0,1,3)

随着用户数量的增加,PPM-DCSK-WC的误码率性能逐渐下降,这是因为来自不同用户的AWGN干扰项增加了相关器输出的总体噪声水平。因此,用户越多,噪声干扰越严重,影响系统性能。此外,还注意到,BER总是随着mc增加而降低,原因是,对于固定的比特能量,随着mc的增加,符号内携带的能量会增加,即增强了BER性能。可以看到,要达到10-4的误码率,mc=3的系统所需的Eb/N0水平比mc=1的系统低约2 dB。

2.2 PPM-DCSK-WC在高时延下的BER性能比较

图4 PPM-DCSK-WC和DCSK-WC多用户系统在延迟 (0,8,16)的多径衰落信道下的比较 Fig.4 Comparison of PPM-DCSK-WC and DCSK-WC multi-user systems in multipath fading channels with delay (0,8,16)

3 结束语

本文提出了一种新的高效率PPM-DCSK-WC多用户系统。该系统利用Walsh码构建了多用户方案,消除了多址干扰,也提升了系统的数据传输速率,同时也具备了PPM-DCSK系统的优点,提供了更好的多用户系统性能并增强了系统在多径衰落延迟扩展方面的鲁棒性。实验仿真证明了该系统的BER性能比传统多用户方案更具优越性。因此,本文提出的PPM-DCSK-WC系统是短距离无线通信中一种具有重大价值的多用户信息传输方案。