基于DCSK 的协作通信系统设计

李 阳

（北京铁研建设监理有限责任公司 北京 102627）

0 引言

基于混沌数字通信技术发展而来的差分混沌移位键控（differential chaos shift keying，DCSK）通信系统具有较强的抗衰落能力和宽频调制特征，且系统结构简单，可适用于多类型无线通信网络应用场景［1］。 然而，传统的DCSK 通信系统在低功率与低消耗应用场景下，因发送参考信号需花费较长时间，会直接影响系统传输速率，且受限于其采用的非相干解调方式，导致其在数据信息恢复中较为复杂且存在较大的时间延迟［2］。 据此，本文结合DCSK 通信系统优势，设计提出了一种混沌码分复用的协同通信系统，通过对传统通信系统的优化升级设计，提高协同信息传输与处理能力。

1 DCSK 通信系统应用原理

DCSK 通信系统以非相干解调方案为主，调制技术中在发送端采用时延方式进行键控与信息传输，系统中的接收机采用差分相干接受方式实现数据信息解调。 DCSK通信系统结构如图1 所示。

图1 DCSK 通信系统

由图1 可知，在系统运行中会将传输周期进行均分处理，其中前半个时隙传输参考信号，该信号为混沌信号产生器生成的混沌信号ck，后半个时隙传输则携带了数据信号，当所发送的信息为bi ＝＋1 时，该数据信息信号与参考信号完全一致，当所发送的信息为bi ＝－1 时，数据信息信号则与参考信号完全相反［3］。 此时，DCSK 通信系统中的第i个数据信息的信号表示为式（1）所示：

式（1）中，2β为扩频因子。

系统接收端运用差分解调方法对数据信息进行恢复处理，此时系统中的接收信号会进行延时β操作，并将所接收到的信号进行运算处理，从而得到相应的输出结果［4］。

系统完成上述操作后，可通过判决器对最终的输出结果进行判定，最终判决输出的数据信息如式（2）所示：

2 改进优化的DCSK 协作通信系统设计

2.1 系统架构

考虑到传统DCSK 通信系统在应用中的固有弊端，本文利用混沌码的互相关与初始敏感性，提出了一种改进的多元DCSK 协作通信系统M-DCSK，该系统运行中将中继转发信息以不同混沌载波进行调制，并在相同时域和频域内进行转发处理［5－6］。 相比于传统的DCSK 通信系统而言，改进后协作系统能够提升信息传输速度，且降低通信系统误码性能。 该系统的框架结构如图2 所示。

图2 改进的DCSK 协作通信系统架构

在第一时隙中，改进的DCSK 协作通信系统在源节点上采用M-DCSK 调制技术，系统运行中会将符号信息调制到混沌信号上，源节点会以广播形式将信号发送到相应的节点和中继节点。 通信系统的第一时隙中，源节点通过M-DCSK 调制器发送出的目的节点和中继节点信号表示为式（3）、式（4）所示：

式（3）、式（4）中，dsd和dsri分别表示S 到D 或Ri的距离；αsd和αsri分别表示S 到D 或Ri的信道衰落系数；Lsd和Lsri分别表示S 到D 或Ri的路径数目；τsd和τsri分别表示S 到D 或Ri的延时。

系统接收端中的目的节点将分别获得源节点和中继节点差分解调的判决变量。 最后，系统中的目的节点会将S-D 链路与R-D 链路的判决变量进行合并分析，并最终获得符号信息，通过转换器转化后得到信息比特，其中判决变量可表示为式（5）所示：

式（5）中，Za为S-D 链路判决变量；Zb为R-D 链路判决变量。

2.2 系统平均BER

改进的DCSK 协作通信系统的比特出错概率（bit error probability， BER）分析方法如式（6）所示：

式（6）中，Pe为比特出错概率；N 为中继节点数量；PSER为系统中继节点解码错误时的误符号率；Pcoop，n为n 个中继节点正确解码后与S-D 链路合并的协作误码率。

考虑到中继节点存在数量差异，为获取系统准确的总误码性能，需要对PSER和Pcoop，n进行分析。 其中，对PSER计算分析中需要考虑到改进的DCSK 协作通信系统在瞬时的误符号率情况，其计算方法如式（7）所示：

式（7）中，γsr为信噪比。

通常情况下，系统的协作误码率存在以下两种情况，当n ＝0 时，系统会退化为点对点的通信方式，此时，系统的协作误码率为式（8）所示：

据此，可获得改进的DCSK 协作通信系统的平均BER为式（9）所示：

当n≠0 时，系统中继节点可实现协作传输，此时第一时隙与第二时隙的判决变量需要进行合并处理，此时系统协作误码率为式（10）所示：

3 仿真对比分析

3.1 独立同分布与不同分布对比分析

研究中为了验证改进的DCSK 协作通信系统的实际应用性能：首先，选择在多径瑞利衰落信道独立同分布下进行系统通信性能测试，该信道符合独立同分布要求［7］，其系数设置为同时设定延时参数为τ1＝0、τ2＝2、τ3＝5。 仿真测试中，假定系统源节点到中继节点与中继节点到目的节点的距离相等。

其次，考虑系统在独立同分布下的实际情况，选择在多径瑞利衰落信道不同分布下测试，其在不同分布下系数设置为延时参数为τ1＝0、τ2＝3、τ3＝6。 仿真结果见图3。

图3 多径瑞利衰落信道下独立同分布与不同分布的仿真结果

由图3 可知，该仿真环境下的平均BER 与仿真曲线分布基本重合，但通过观察可以发现在独立不同分布条件下，该系统的平均BER 存在一定的误差，该结果的出现受到了信道多径环境的干扰与影响，导致两者数据之间存在差异。 通过整体结果对比可发现该系统的平均BER，该结果基本验证了系统具有较低的时延性和较高的数据信息传输准确性。

3.2 性能对比分析

为有效验证系统通过混沌码分复用改进后的实际性能，选择与当前常用且应用性能较高的扩频协作通信系统进行对比分析。 系统仿真对比测试中，将改进的DCSK 协作通信系统与TDMA-M-DCSK 系统、Selection-M-DCSK、DS-CDMA 进行性能对比分析，本次仿真测试选择在多径瑞利衰落信道同分布下完成，其中设定β ＝127、N＝3、M＝16。 各类系统的BER 结果如图4 所示。

图4 多径瑞利衰落信道下不同系统的平均BER 仿真曲线

由图4 仿真结果可知，本文设计提出的改进DCSK 协作通信系统相比于其他类型协同系统的通信性能更佳，通过对比分析可知，本文提出的改进系统在数据信息传输过程中的爆白噪声较低，且利用混沌码的互相关与初始敏感性可显著提升信息数据的传播速度，降低系统整体平均BER。 对比中发现TDMA-M-DCSK 系统需要借助N＋1 个时隙实现信号数据的有效传递，且系统中的每个时隙均会存在白噪声，其直接影响了系统的实际应用性能［8］。 另外，Selection-M-DCSK 系统在信息数据传输前需要对信道进行重新估计，这使得传输速率明显下降。 由系统性能仿真曲线可以发现，DS-CDMA 系统协同通信系统在准确获得信道估计后能够维持较高的传输性能。 其中，系统接收端的接收机设备发挥了主要作用，但如果系统出现信道估计错误的情况，则会导致该系统的传输性能大幅降低，传输性能的极端性与不稳定性和硬件条件应用下的复杂性，使得该系统适用于长期的信息数据传输，相比于多类型扩频协作通信系统，本文提出的改进DCSK 协作通信系统在仿真性能测试应用中仍然具有明显的应用优势。

4 结语

本文结合混沌码的互相关与初始敏感性特征，设计提出了改进的DCSK 协作通信系统，依据传统DCSK 系统内容，对改进后的系统架构进行了重新设计调整，提出了通过第一时隙源节点调制发送目的节点和中继节点信号的方式，并在第二时隙以混沌信号为依据，实现同时域同频域信息转发，从而提升系统的数据信息传输效率。 仿真验证了改进的DCSK 协作通信系统相比于传统协作通信系统，在通信周期时间与数据信息传输速率上性能更强，运行更加稳定，能够为信息数据传输提供可靠保障。