基于改进混沌扩频序列的多用户混沌扩频通信系统的研究与仿真

第３Ｏ卷第４期　２０１３年４月　计算机应用研究　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ　ＶｏＩ．３Ｏ　Ｎｏ．４　Ａｐｒ．２０１３　基于改进混沌扩频序列的多用户混沌　扩频通信系统的研究与仿真术　俞斌　，王炼红。，贾雅琼　（１．湖南工学院电气与信息工程系，湖南衡阳４２１００２；２．湖南大学电气与信息工程学院，长沙４１００８２；３．华　中科技大学电子与信息工程系，武汉４３００７４）　摘要：提出一种改进混沌扩频序列，并将其应用在多用户混沌扩频通信系统中，给出了多用户混沌扩频通信　系统的理论推导和ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真模型。对该系统进行了详细的性能分析，包括信噪比、用户数、改进混沌扩频　序列的分形参数和初始值等各自对系统误码率的影响，并比较了改进混沌扩频序列与传统混沌扩频序列的系统　误码率随信噪比和用户数的变化情况。结果表明改进混沌扩频序列要好于传统混沌扩频序列的系统误码率，具　有较好的抗噪声和抗多址干扰的能力。　关键词：改进混沌扩频序列；多用户混沌扩频通信系统；误码率；ＳＩＭＵＬＩＮＫ　中图分类号：ＴＮ９１４．４２；ＴＰ３０Ｉ．５　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—３６９５（２０１３）０４．１１６１—０５　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１．３６９５．２０１３．０４．０５５　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ．ｕｓｅｒ　ｃｈａｏｔｉｃ　ｓｐｒｅａｄ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｃｈａｏｔｉｃ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ＹＵ　Ｂｉｎ　，ＷＡＮＧ　Ｌｉａｎ—ｈｏｎｇ　．ＪＩＡ　Ｙａ—ｑｉｏｎｇ　’　（１．Ｄｅｐｔ．ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｎａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨｅｎｇｙａｎｇＨｕｎａｎ　４２１００２，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８２，Ｃｈｉｎａ；３．Ｄｅｐｔ．ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉ一　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ａ　ｍｕｌｔｉ—ｕｓｅｒ　ｃｈａｏｔｉｃ　ｓｐｒｅａｄ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｃｈａｏｔｉｃ　ｓｅ—　ｑｕｅｎｃｅ．Ａｎｄ　ｉｔ　ｇａｖｅ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ＳＩＭＵＬＩＮＫ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔ　ａｌｓｏ　ｄｅｔａｉｌｅｌｌｙ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｃｈａｏｔｉｃ　ｓｐｒｅａｄ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｒａｅｔａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｃｈａｏ—　ｔｉｃ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ，ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｎｏｉｓｅ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｕｓｅｒ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｂｉｔ　ｅｒｏｒ　ｒａｔｅ（ＢＥＲ）ｈｏｗ　ｉｔ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｄｅ—　ｐｅｎｄｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｎｏｉｓｅ　ｒａｔｅ　ｏｒ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｕｓｅｒ　ｉｎ　ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｃｈａｏｔｉｃ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｃｈａｏｔｉｃ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｃｈａｏｔｉｃ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ｉｓ　ｍｕｃｈ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉ—　ｔｉｏｎａｌ　ｃｈａｏｔｉｃ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｖｅｒｙ　ｇｏｏｄ　ａｂｉｌｉｔｙ　ａｇａｉｎｓｔ　ｎｏｉｓｅ　ａｎｄ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａｃｃｅｓｓ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｃｈａｏｔｉｃ　ｓｐｒｅａｄ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ；ｍｕｌｔｉ—ｕｓｅｒ　ｃｈａｏｔｉｃ　ｓｐｒｅａｄ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｂｉｔ　ｅｒｒｏｒ　ｒａｔｅ；ＳＩＭＵＬＩＮＫ　０　引言　扩频通信系统近年来发展迅速，已经成为通信领域的研究　热点之一。许多研究学者对扩频通信系统进行了深入的研究，　文献［１］研究了系统中存在的干扰，文献［２］提出了应用于高　精度无线定位的扩频通信系统中小波陷波滤波器的设计方法，　文献［３］阐述了扩频通信系统中的一种延时估计方法。扩频　通信系统不仅在军事通信中发挥了不可取代的优势，而且广泛　地渗透到通信的各个方面，如卫星通信、移动通信、微波通信、　无线定位系统、无线局域网、全球个人通信等Ｈ　Ｊ。　而扩频通信系统的关键是产生高质量的扩频序列。传统的　扩频序列主要有ｍ序列　Ｊ、Ｇｏｌｄ序列　等。这些序列都具有一　定的周期性，其码的数量很有限，抗截获性和保密性也较差，因　此，必须寻找新的扩频码，以提高扩频通信系统的抗干扰、抗破　译能力。利用混沌系统则可以产生数量众多、非相关、类随机而　又确定可再生的｝昆沌序列，且它对初始值具有良好的敏感性，因　而越来越多的学者开始研究将混沌序列作为扩频系统的扩频序　列来进行通信”　ｊ。而且由于混沌序列的高度伪随机性，混沌　序列永远不会重复，所以众多的混沌扩频可以共用同一个信道，　这样就使频率资源的利用率得到提高ＨＪ。所以，混沌扩频通信　具有更好的抗噪声、抗干扰、抗衰落、抗多径的能力。　目前已有的混沌扩频序列主要有Ｌｏｇｉｓｔｉｃ型　Ｊ、改进Ｌｏ—　ｇｉｓｔｉｃ型　、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ型　和Ｔｅｎｔ型　。这些传统的混沌序　列虽然有比较理想的平衡性和相关性，但是复杂度不高，保密　收稿１３期：２０１２—０８—１６；修回１３期：２０１２－０９—２５　基金项目：湖南省教育厅科研项目（１０Ｃ０５７９，０９Ｃ２９６）；衡阳市科技计划项目　（２０１０ＫＪ３１，２０１１ＫＧ６８）；湖南工学院重点科研项目（ＨＹＩＯ００１）　作者简介：俞斌（１９７９一），男，江苏扬州人，副主任，讲师，硕士，主要研究方向为信息处理、ＤＳＰ技术（ｇｌｉｅｔ一９９０２１６２６＠１６３．ｃｏｒｎ）；王炼红　（１９７１－），女，湖南长沙人，副主任，副教授，博士，主要研究方向为现代网络通信技术、语音图像信息的传输与处理；贾雅琼（１９８２一），女，山西长治　人，讲师，博士研究生，主要研究方向为声信号处理、混沌理论．

　・１１６２・　计算机应用研究　第３０卷　性不理想。　１　改进混沌扩频序列　在笔者前期的研究工作中已经详细研究了改进混沌扩频　序列　，此处仅给出一些重要的结论。结合传统的Ｌｏｇｉｓｔｉｃ　型、改进Ｌｏｇｉｓｔｉｃ型、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ型混沌映射，本文给出一种组合　式混沌映射模型。其数学表达式为　＋ｌ＝ｂ１＋ｂ２　ｃｏｓ（４　ＣＯＳ一　）＋６３　一６４　２ｎ　（１）　其中：ｂ。、ｂ：、ｂ　、ｂ　称为组合系数，具体取值参看文献［１２］。　产生｝昆沌扩频序列的方法是：在给定初值的前提下根据式　（１）进行迭代，迭代时可以根据七种不同组合的系数进行随机　的参数切换；再将序列进行预处理并表示成二进制形式，在二　进制序列中再进行比特选择，其中所选择的　位序列的起始位　厶可以随机产生，进一步提高该序列的保密性。　２　多用户混沌扩频通信系统的理论基础　将上述改进｝昆沌扩频序列应用于多用户混沌扩频通信系　统中，系统框图如图１所示。其中：ｎ个改进混沌扩频序列　（ｋ）（ｉ＝１，…，ｎ），其产生的原理相同但初始值不同。ｆ（　。，　。）为调制时的本地载波，解调时采用的本地载波与调制时的　频率和相位一致，也为ｆ（　。，　）。调制采用ＢＰＳＫ，解调采用　ＢＰＳＫ相干解调，信道假设为高斯信道。　

图１　多用户混沌扩频通信系统框图　假设同时进行通信的用户数为ｎ个，发送ｎ个信息序列的　基带信号为ｓ　（ｋ）（ｉ＝１，…，ｎ），不同初值迭代产生的混沌扩频　序列为　（ｋ）。经过扩频后的信号为　ｄ　（　）＝ｓ　（　）・　（　）　（２）　设第ｉ个用户的载波信号幅度为Ａ　，再经过ＢＰＳＫ调制后　的信号为　ｍ　（　）＝ｄ　（　）・Ａ　ｃｏｓ（ｔｏ０ｔ＋　）＝　５　（　）・　（　）・Ａ　ｃｏｓ（ｔｏ０ｔ　）　（３）　则由图１可知，ｎ个用户的总发射信号为　ｎ　ｎ　ｅ（　）＝Ｚｍ　（　）＝　Ａ　ｓ；（　）　（　）ｃｏｓ（ｔｏｏｔ＋　）　（４）　在接收端，解调器输入的信号为　ｒ（　）＝ｅ（矗）＋ｎ（　）＝　ｎ　‘　２Ａ　ｓ　（　）　（　）ｃｏｓ（ｔｏｏｔ＋　）＋ｎ（ｋ）　（５）　…　其中：ｎ（ｋ）为信道中叠加的高斯白噪声。　假设系统保持理想同步，解调时所用的载波与调制时的一　致，则解调后的信号为　ｄ：（　）：［　Ａ　ｓ　（　）　（　）ｃｏｓ（ｔｏ０ｔ　）＋　ｎ（　）］Ａ　ｃｏｓ（ｔｏ０ｔ　）　（６）　解扩后的信号为　ｙｆ（　）＝ｄ：（　）・　（　）＝　［　Ａ　ｓ　（ｋ）ｘ　（　）ｃｏｓ（ｔｏ０ｔ　）＋ｎ（　）］・　Ａｉｃｏｓ（ｔｏ０ｔ＋　）・　（　）：２Ａ：￣ｓ　（　）　（　）ｃ０ｓ　（ｔｏ０ｔ＋　）＋　Ａ　ｎ（　）　（　）ｃｏｓ（　０ｔ　；）　（７）　若要接收第一个用户的信息数据，则接收端的本地载波频　率　。、相位　和扩频序列　（ｋ）都应该与发送端第一个用户　的∞。、　、　（ｋ）完全一致，即实现扩频序列的同步跟踪，且在　接收端各个用户信号等功率接收，即Ａ　＝Ａ：…一Ａ　＝Ａ，则　第一个用户解扩后的输出信号为　ｙ１（　）＝Ａ２５ｌ（　）　（　）ＣＯＳ　（ｔｏ０ｔ　Ｉ）＋　ＺＡ。ｓ　（　）　（　）ｃｏｓ（ｔｏ０　＋　）ＣＯＳ（ｔｏｏ￡＋　１）＋　Ａｎ（　）　１（　）ｃｏｓ（　０ｔ＋　１）：　Ａ２　１（ｋ）ｘ　（　）ｃｏｓ　（ｔｏ０ｔ　１）＋／＇ｔ　ｌ（　）＋／１　（　）　（８）　其中：ｎ　（ｋ）表示其他用户对用户１的多址干扰信号，ｎ　（ｋ）　服从均值为０、方差为　：的高斯分布，而第一项为用户１的有　用的解扩信号。　ｔ针对式（８），在忽略２‰分量的前提下得到的第一个用户　解扩后的有用信号为　ｓ　（　）＝—　—Ａ　ｓ１（　）　（　）　（９）　而式（９）中混沌扩频序列　（　）始终为１，故式（９）可以写为　ｓ　（　）＝÷４　ｓｌ（　）　（１０）　则接收端的信噪比ｒ可表示为　ｚ　误码率为　

丁１　ｅ咖√　（１３）　结果与文献［１３］相同。　３　多用户混沌扩频通信系统的仿真及其性能分析　３．１　改进混沌扩频序列的ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真模型　根据文献［１２］分析，组合混沌映射的产生是随机选取文　献［１２］的表１中的七种情况之一，故此处选用了Ｍｕｌｔｉｐｏｒｔ　Ｓｗｉｔｃｈ模块，如图２所示。该模型的控制端为最上方的端口，　用来控制输出的选择组合。输人的１—７种组合序号的产生选　用了Ｕｎｉｆｏｒｍ　Ｒａｎｄｏｍ　Ｎｕｍｂｅｒ和Ｒｏｕｎｄｉｎｇ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ模块。Ｕｎｉ—　ｆｏｒｍ　Ｒａｎｄｏｍ　Ｎｕｍｂｅｒ模块用来产生一个随机数；Ｒｏｕｎｄｉ