（通信与信息系统专业论文）基于混沌调制的协作通信系统研究.pdf

摘要 混沌调制技术d c s k ( d i f f e r e n t i a lc h a o ss h i f tk e y i n g ，差分混沌键控) 作为 一种集调制与扩频于一身的通信技术，在多径衰落信道下表现出良好的鲁棒性和 优异的b e p ( b i t e r r o r p r o b a b i l i t y ，比特错误概率) 性能，实现结构简单。协作 分集技术作为一种虚拟的m i m o ( m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ) 系统，合作伙 伴共享彼此的天线，可以使单天线的终端实现空域分集来提高系统性能，能有效 的对抗信道衰落，适合低成本，低功耗传输系统，获得了广泛的关注和研究。 本文在d c s k 调制抗多径性能优越的基础上引入了协作分集的思想，提出了 基于d c s k 调制的协作系统。该系统利用区域内的用户天线，形成虚拟m i m o 以 获得空间分集增益，显著地提升了系统中用户的性能。在n a k a g a m i 多径信道下， 首先对三种基本协议下的d c s k 协作系统的b e p 性能进行了研究，理论分析与仿 真表明，d c s k 协作系统较直传的d c s k 系统相比获得了明显的分集增益，b e p 性能得到了良好的改善。其次，考虑到多用户协作系统，在用户间无误译码的情 况下给出了三种接入方案的性能，对其中最优的w a l s h d c s k 系统在d f 协议下 的性能做了进一步的理论分析和仿真验证，并且分析了d c s 贼统协作和空时协 作两种方案下的性能，给出了各自的应用场景。最后，鉴于现在关于混沌调制的 工作大多集中在物理层上，结合数据链路层的自动请求重传技术和协作分集技术， 本文又提出t d c s k 舢如和d c s k c a r q 系统，借助扩频因子，重传次数，帧长 等参数对系统的f e p 与吞吐量影响，完成该系统性能指标的定量与仿真分析，揭 示其新颖的传输机理。 理论分析和大量的仿真结果表明，加入了协作分集的d c s k 系统性能有了显 著的改善，并且在跨层设计下呈现出更丰富的系统特性。本文提出的系统由于其 优异的抗多径衰落性能，有望成为一种适合无线环境传输的备选方案。 关键词：d c s k ；协作分集；自动请求重传 a b s t r a c t c h a o t i cm o d u l a t i o nt e c h n i q u ed i f f e r e n t i a lc h a o ss h i f tk e y i n g ( d c s k ) i sa s c h e m ej o i n i n gc h a o t i cm o d u l a t i o nw i t hs p r e a d s p e c t r u mp r o p e r t y , w h i c hi sr o b u s ti n m u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l sa n di ss i m p l ei ni m p l e m e n t a t i o n c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , a v i r t u a lm u l t i p l e i n p u t - m u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) t e c h n i q u e ，u s e r ss h a r i n ge a c ho t h e r s s i n g l ea n t e n n a ，s ot h a tt h es p a t i a ld i v e r s i t yc a nb er e a l i z e di ns i n g l e - a n t e n n am o b i l e t e r m i n a l st oi m p r o v et h e s y s t e mp e r f o r m a n c e i ti ss u i t a b l ef o rl o w - c o s ta n d l o w - p o w e ra p p l i c a t i o n s w i d ea t t e n t i o na n dr e s e a r c ha r ec o n c e m e do ni t t h i sp a p e rm e r g e so ft h e s et w ot e c h n i q u e sa b o v e b a s e do nt h ea n t i m u l t i p a t h f a d i n gs u p e r i o rp e r f o r m a n c eb yd c s km o d u l a t i o n ，ad c s kc o o p e r a t i v es y s t e mi s p r o p o s e d t h es y s t e mm a k e su s eo ft h eu s e r s a n t e n n a s ，f o r m i n gv i r t u a lm i m ot o o b t a i ns p a t i a ld i v e r s i t yg a i r l ，s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h eu s e r s u n d e rt h en a k a g a m im u l t i p a t hc h a n n e l sc l o s et ow i r e l e s se n v i r o n m e n t ，t h es t u d i e so f b e pp e r f o r m a n c eo ft h r e eb a s i cp r o t o c o l sd c s k c o o p e r a t i o ns y s t e m sa r ec a r r i e do u t f i r s t l y t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed c s k c o o p e r a t i o ns y s t e mo b t a i n so b v i o u sd i v e r s i t yg a i nt od i r e c td c s ks y s t e ma n dt h e b e pp e r f o r m a n c ei s i m p r o v e d s e c o n d l y ，c o n s i d e r i n gt h em u l t i - u s e rc o o p e r a t i o n s y s t e m ，埘t l lt h eu s e r s e r r o r - f r e ed e c o d i n gc a s e ，w eg i v e so u tt h r e ea c c e s ss c h e m e s f o rd c s km o d u l a t i o n ，a n dt h eo p t i m a lw a l s h d c s k s y s t e mp e r f o r m a n c e 、析t 1 1d f w a sa n a l y z e d a tl a s t ，s i n c et h ew o r ko nc h a o t i cm o d u l a t i o nm o s t l yi np h y s i c a ll a y e r ， t h i sp a p e rc o m b i n e st h ed a t al i n kl a y e ra u t o m a t i cr e q u e s tr e t r a n s m i s s i o n ( a r q ) a n d c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , a n dp r o p o s e sd c s k - a r qa n dd c s k c a r qs y s t e m s i nv i e w o ft h ea b o v es y s t e m s ，t h ef e pa n dt h r o u g h p u ta r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g hs o m es y s t e m p a r a m e t e r s ，s u c ha s ，s p r e a ds p e c t r u mf a c t o r , t h el e n g t ho ff r a m e ，a n dt h em a x i m u m t r a n s m i s s i o na t t e m p tn u m b e r q u a n t i t a t i v ea n ds i m u l a t i o na n a l y s i so ft h es y s t e m p e r f o r m a n c ei n d e x s a r e c o m p l e t e d ，a n dt h en o v e lt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mi s r e v e a l e d t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a td c s k s y s t e mw i t l l c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e ，e x h i b i t i n gm o r ea b u n d a n ts y s t e m c h a r a c t e r i s t i c su n d e rc r o s s l a y e rd e s i g n m u l t i p a t hf a d i n g ，t h ep r o p o s e ds y s t e m e n v i r o n m e n tt r a n s m i s s i o n d u et oi t se x c e l l e n tc a p a c i t yc o m b a t i n g i s e x p e c t e da sac a n d i d a t ef o rw i r e l e s s k e y w o r d s ：d c s k ；c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ；a r q 第一章绪论 1 1课题背景 第一章绪论 众所周知，电磁波具有的多径衰落特性影响了无线通信传输速率与质量，如 何克服多径效应成为提高通信质量要解决的首要问题。混沌通信作为近年来新兴 的一种无线通信技术，与传统通信技术的区别是，混沌通信系统采用的载波是混 沌信号，而传统通信系统则采用正弦信号。混沌信号因为具有不确定性和类随机 特性，是一类非周期的、有界但不收敛的信号，不容易被捕获，具有一定的保密 性。其信号频谱扩展到一个很宽的频段，因此对无线信道的多径衰落具有显著的 抵御作用。8 0 年代以来，国际上关于混沌通信的理论与技术得到不断发展。1 9 9 0 年，美国海军实验室研究人员l m p e c o r a 和t l c a n o l l 首次利用驱动响应法实 现了两个混沌系统的同步，使混沌理论应用于通信领域成为可能。1 9 9 1 年以后， 国际上提出的各种混沌通信制式及其理论与方法，使混沌通信成为现代通信领域 的一个新的分支与方向。d c s k f m d c s k 作为集调制与扩频于一身的通信技术， 其实现结构简单，在多径衰落信道下表现出良好的鲁棒性和优异的b e p ( b i te r r o r p r o b a b i l i t y ，比特错误概率) 性能受到了极大的关注。g k o l u m b a n 对f m - d c s k 技术做了大量的深入分析，探讨了f m d c s k 在多径衰落信道下性能，提出了一 般的f m d c s k 解调方法 1 2 】，c k t s e $ 1 f c m l a u 在其著作中给出了多种 d c s k 的多址方案【3 】，文献 4 进一步揭示f m - d c s k 作为一种扩频技术的本质 以及该技术相对传统c d m a 扩频系统的显著优势。经过十年的发展，d c s 列f m d c s k 技术已经相对完善，其调制解调方案和多址方案等都已经比较成熟，得到 了多方的关注，逐渐被应用于低成本和低功耗无线应用 5 6 】。 第三代移动通信技术已进入人们的生活，4 g 技术作为未来技术发展的必然， 也逐渐被大家关注和研究，它将提供更高速率的多媒体业务和数据业务，现代通 信业务对通信系统提出了更高更快更强的要求，数据传输速率必须越来越高，通 信质量必须越来越好，我们迫切需要一种新的技术手段来提升混沌调制的性能， 以对抗恶劣的无线环境。作为准4 g 技术的m i m o ( m u l t i p l e i n p u ta n dm u l t i p l e o u t p u t ，多入多出) 和空域信号处理技术得到了迅猛发展。作为独立于时间和频 率之外的第三种维度，在空域上对信号进行处理能够节省宝贵的时间和频率资 基于混沌调制的协作通信系统研究 源，进一步提升了通信系统的性能。m i m o 技术通过在发射端和接收端安装多天 线，形成空间分集抗衰落。从两个方面来说，m i m o 技术并不适合混沌调制技术。 一方面，通过对混沌调制自身特点进行分析，现行的通信系统采用m i m o 复用方 案的前提是接收机必须估计信道，且收发天线构成的并行子信道相互之间相关性 较弱，接收机可以采用最大似然检测或者其他次优的线性检测算法对接收信号进 行处理。然而混沌调制的差分调制方案决定了接收机无需采用信道估计技术，也 不可能采用信道估计技术来对接收信号进行解调，因此m i m o 空间复用方案在混 沌调制中不可行。另一方面，随着移动技术的快速发展，掌中便携设备成为趋势， 在w p a n ，w s n 等短距离无线应用下，受设备天线尺寸、功耗和硬件复杂度等 多方面因素的限制，m i m o 技术在无线移动终端中成为难题，限制了空间分集技 术的应用。由此，协作分集技术应运而生，其基本思想是系统中的每个终端可以 拥有自己的一个或多个合作伙伴，合作伙伴共享彼此的天线，构成虚拟的m i m o 系统，从而使单天线移动终端实现空域分集来提高系统性能。接收端因为对混沌 调制采用g m l 解调信息等增益合并，不需对信道进行估计，使得协作分集应用 在混沌调制中成为可能，基于混沌调制的分集系统成为关注的重点。文献7 提 出了s i m of m d c s k 系统，利用接收分集提高性能性能，文献 8 】初步建立了 d c s k 协作系统，但是只对两种方案进行了比较，并没有深入考虑其适用场景， 并且工作建立在瑞利信道上，具有一定的局限性。至今为止，关于混沌调制的协 作分集系统性能的研究还比较稀少和零散，不具有系统性。 1 2论文研究的目的与意义 通过以上背景介绍，可以看到目前国际上对基于混沌调制的协作系统还没有 一个完整深入、系统性的研究。本文我们在典型混沌调制技术的基础上，结合现 有的协作分集技术，建立混沌调制协作系统，对系统进行了理论分析和仿真研究， 以期在恶劣的多径衰落信道下能够进一步其差错率性能。同时，针对目前关于混 沌调制的工作大多都集中在物理层上，为了进一步提高系统性能，利用数据链路 层自动请求重传a r q $ 口协作a r q 技术，给出了基于混沌调制跨层设计方案，通 过对系统参数的研究，力求为混沌调制系统在实际应用中提供一定参考。在本文 中，我们给出了基于混沌调制的协作系统架构，在m a t l a b 环境下搭建了仿真平台， 2 第一章绪论 在n a k a g a m i 信道下通过理论分析和大量的仿真实验来验证混沌调制在不同的协 作协议下、不同协作方案下，不同跨层设计下的差错率性能。 1 3 论文结构和章节安排 本论文共分六章，每一章的主要内容如下： 1 第一章主要对课题研究背景及意义、国内外研究现状进行了介绍，给出 了本文的研究目的及研究价值，给出了本文的主要框架。 2 第二章阐述了混沌通信的基本理论，给出了一些基本的混沌调制技术的 调制解调方案。 3 第三章详细介绍了协作分集技术，包括协作分集技术的发展历程，典型 的中继模型，常用的几种协作协议，并在n a k a g a m i 多径信道下给出了简 单的中断概率分析。 4 第四章给出了基于d c s k 的协作分集系统的基本框架模型，在n a k a g a m i 多径信道下对系统的性能进行了理论分析和仿真。 5 第五章将数据链路层的a r q 机制和协作分集技术引入到d c s k 调制系 统，给出了基于a r q 和协作a r q 的混沌系统的性能比较，丰富了d c s k 调制的特性，揭示了该系统下的新的传输机制，并提出了一种改进的多 跳c a r q 协议。 6 第六章对论文所作的研究工作进行了分析总结，并提出了今后需要进一 步研究的问题和对该课题的自我展望。 3 基于混沌调制的协作通信系统研究 第二章混沌调制技术 2 1 混沌通信产生的背景 八十年代以来，国际上混沌通信理论与技术的形成和发展主要经历了具有历 史意义的三件大事：1 9 8 3 年，蔡少棠教授首次提出了著名的蔡氏电路，它是迄 今为止在非线性电路中产生复杂动力学行为的最有效而简单的混振电路之一。通 过对蔡氏电路参数的改变，可产生从倍周期分岔、单涡卷、周期3 到双涡卷等十 分丰富的混沌现象，从而使人们能从电路的角度较为方便地对混沌机理与特性进 行研究；1 9 9 0 年，美国海军实验室研究人员p e c o r a 和c a r r o l l 首次利用驱动一响 应法实现了两个混沌的同步，这一突破性的进展，使混沌理论应用于通信领域成 为可能；1 9 9 1 年以后至今，在国际上相继提出了各种混沌通信制式及其理论与 方法，由此使混沌通信成为现代通信领域的一个新的分支，随着混沌通信的进一 步完善与发展，它将成为本世纪通信技术的一个重要方向。 按目前国际国内的研究水平，将混沌通信主要划为四大类：混沌扩频； 混沌键控；混沌参数调制；混沌掩盖。前三类属于混沌数字通信，最后一类 属于混沌模拟通信。此后，如何围绕这四大类混沌通信体制进行理论分析、仿真 和实验研究，已成为信息科学界关注的热点之一。在这四大类混沌通信体制中， c s k 等一大类混沌键控占有重要的地位，具有较大发展前景与应用价值，主要 包括有c s k ，c 0 0 k ，d c s k 和f m d c s k 等。 2 2 混沌调制 混沌数字调制是将码元映射成模拟混沌波形。在混沌位移键控c h a o ss h i f t k e y i n g ( c s k ) 中，信息加载于基本函数的加权组合。差分混沌位移键控 d i f f e r e n t i a lc h a o ss h i f tk e y i n g ( d c s k ) 是c s k 的变体，它的信息是载于基本函 数不同部分的相关性上，稍后本章会对这些调制技术作详细阐述。 c s k 是一种数字调制方式，通过不同吸引子或出现于不同初始条件的相同 吸引子混沌信号用作基本函数。吸引子或初始条件的数目就等于基本函数的个 4 第二章混沌调制技术 数。注意到混沌通信中每个基本函数的形状不是固定的。这就意味着，即使传输 相同码元，通过信道的信号集元素在每个码元周期r 都有不同的形状。所以传 输信号永远不是周期的，因此导致产生的信号每比特能量就不恒定，而是随机变 化的，需要一定的时间来估算每比特能量的统计特性，这无疑限制了系统传输的 数据速率。接下来我们对几种常见的混沌调制方案进行介绍。 2 2 1 一个基本函数的c s k 2 2 1 1 一个基本函数c s k 的调制 在最简单的二进制混沌位移键控情况中，使用一个混沌基本函数g l ( f ) ，即 s m ( ，) = s m l g 。( f ) ( 2 1 ) 至少可以产生三种基于一个基本函数的c s k 调制技术： 第一种：c h a o so n o f f k e y i n g ( c o o k ) 混沌通断键控： 信源比特“1 用j ，o ) = 瓦。o ) ，比特“0 由j ：o ) = o 给出。其中，b 代 表每比特的平均能量，我们假设比特“1 ”和“0 ”是等概率出现。 第二种：u n i p o d a lc s k 单极性混沌位移键控： 信源比特“1 和“0 通过分别传输比特能量毛。和色：= 慨，来区分，其中 0 乙：，判决电路判“1 ”， 反之判“0 ”。 2 2 3 差分混沌位移键控d c s k 差分混沌位移键控( d i f f e r e n t i a lc h a o ss h i f tk e y i n g ，d c s k ) 是两个基本函数 的c s k 的一个变体。它的重要特点是基本函数由重复或相反片断的混沌波形组 成。这个特性意味着除了相干相关接收，简单的差分相干技术也能用于解调。 2 2 3 1d c s k 调制 在二进制d c s k 中，和两个基本函数的c s k 最简单的形式一样，信号集的 两个元素同样可以由下式给出： o ) = 。g 。o ) + ：g ：( f ) ( 2 1 0 ) 其中，g 。) = ( 瓦o ) 和g ：。) = ( 0 厄) 。 在d c s k 中，基本函数有如下形式： 9 基于混沌调制的协作通信系统研究 咖，= + 夹描篡 协 9 2 0 ) =_ ：去秭 硎2 协 一去舡引2 ) ，t 2 t t 坛。 其中，c ( ) 是某种混沌波形。很容易验证式( 2 - 1 1 ) 给出的两个基本函数满 足式( 2 7 ) ，或者说g ，o ) 和g ：o ) 在周期t 内是互相正交的。要注意的是，这种 正交性并不是由混沌信号保证的，而是由w a l s h 函数保证的。因此，d c s k 基本 函数总是正交的。可以看出，已调信号由两部分组成：混沌参考载波片断，和紧 随其后的该混沌参考载波的重复片断或相反片断，分别对应于待调制的数字信号 为“l 或为“o 。由此，我们可以看到，d c s k 调制，其实是把数字信号映射 到了混沌载波前后片断的关系上，相同或者相反。调制过程的框图表示如图2 6 。 待传输的数字信号屯 图2 - 6d c s k 的调制框图 s k 已调信号 s 历( f ) 这里有一个多路开关，在前半个比特周期 0 ，t 2 内，开关拨到最上面，接 通最上面的支路，让混沌载波直接通过。后半个比特周期 t 2 ，力，开关拨向哪 里，取决于t 2 时刻传输的数字信号屯：如果瓦为“1 ，则开关拨到中间；如 果6 卅为“0 ，则开关拨向最下面，从而实现d c s k 调制。 2 2 3 2d c s k 解调 1 0 第二章混沌调制技术 像其他调制信号一样，d c s k 信号可以通过相干相关接收解调。d c s k 独有 的信息映射于参考片断和载信片断间的相关性的特性，使得用差分相干接收解调 信号成为可能。这就避免了在接收端精确恢复和同步混沌基本函数的困难。 在混沌相关接收中用混沌同步恢复基本函数是困难的。然而，d c s k 基本函 数的结构：它由一段混沌波形和这段混沌波形的重复或相反波形组成，使得通过 估算参考与载信码片之间的相关性实现解调成为可能。 图2 7 差分相干d c s k 接收的方框图 接收信号延迟半个比特时间，接收信号与延迟后的信号的相关性可以决定。 在这种情况下， 乙= e ：j 。( t ) s ( t - t 2 ) d t = ：e 。g ( t ) g m ( t - t 2 ) d t ( 2 1 3 ) 由于硼磊( f 炳= l 2 ( 丁足够长) ，于是我们有z l + e 2 和z 2 一e e 2 。判决传 输的是哪个比特只要通过一个门限为0 的简单比较器即可实现。 理论判决门限 堡生上；丝一z 坍 信息“0 ” 信息“1 一 图2 - 8 差分相干d c s k 的信号空间图 注意到差分相干d c s k 的两信息点之间的距离是e ，不过这个信号空间图 不能直接与前我们展示的相干解调的相比，因为在差分相干d c s k 接收中，有 噪参考信号与有噪载信信号相关，而在一般的相干情况下可提供无噪参考。 基于混沌调制的协作通信系统研究 2 2 3 3d c s k 相对c s k 的优点 d c s k 的优点源于它的信息载于参考和载信片断的相关性上。所以对信道失 真不敏感，同时可用于时变信道只要信道参数在比特持续时间内恒定。传统相干 接收不能接收纯“1 和纯“0 ”序列，需加一个扰码器电路；而差分相干d c s k 接收没有这个问题，可直接接收。还有，差分相干d c s k 在有噪信道中的性能 对传输抽样函数的确切波形不敏感，因为解调只与参考和载信码片间的相关性有 关。然而，因为每比特能量各不相同，接收端的检测信号即使在无噪情况下也是 个随机变量，所以混沌调制方案都存在一个特别的问题：估算问题。 传统调制方式使用周期性的基本函数，比特持续时间是基本函数g l o ) 周期 的整数倍，于是f g ? ( t ) d t 是个常数。相反的，混沌信号本身就不是周期的，蜀( f ) 在每个时间间隔j r t 里都不一样，所以每个码元的g ；o 都不相同。所有的周期 样本函数在研工g ? o 胁】上都有零方差；相反，混沌样本函数在e f g ；( t ) d t 】上方 差不为零。也就是说，即使是在没有噪声的情况下，上述混沌调制方案在接收端 解调出来的观察信号仍然是一个随机变量。增加统计带宽或比特持续时间都可以 减小方差的估算。由于信号带宽限制于分配的无线电频谱的某个区域，唯一可以 满足一个给定的某个b e r 和e n 就是增加比特持续时间，这就限制了系统的 数据速率，在对高速数据传输呼声越来越高的今天，显然是我们所不希望的。提 高数据速率的一个办法是使用多元调制。还有一个直接解决估算问题的办法就是 改变调制方式使每码元能量恒定。f m d c s k 就是第二种方法的例子。接下来我 们将详细阐述f m d c s k 的原理、特性和优势。 2 2 4 调频混沌位移键控f m - d c s k 2 2 4 1f b - - d c s k 产生背景 自从c s k ( c h a o ss h i f tk e y ) 提出之后，同步用于精确地再生混沌信号， 故一般性同步和相位同步在实际中不用于c s k 通信场合。国际上提出了若干适 应于通信领域的一致性同步的方法。主要有：驱动一响应式( 主一从式) 同步、 误差一反馈式同步、双向耦合同步( 又称相互耦合同步) 、单向耦合同步( 又称 连续控制同步) 和自适应同步等方法，但是实现都比较复杂。鉴于混沌相移键控 1 2 第二章混沌调制技术 系统在接收端精确恢复混沌载波的困难，提出了d c s k ，但它的每比特能量仍然 不恒定，传输速率慢，不能满足高速传输的要求；于是，产生了f m d c s k ：这 种技术的每比特能量恒定，采用简单的差分相干检测进行解调，使得接收端只需 要对接收到的波形进行分析处理，就可以估计出发送端的发送信息。无需恢复混 沌载波，使得接收更方便更快捷。f m d c s k 经过十年的发展，已经相对完善， 它不但具有良好的抗多径性能，而且在实现方面也颇为简单。 2 2 4 2f b - - d c s k 调制 在二进制f m d c s k 中，信号集的两个元素同样可以由下式给出： ( ，) = 。g 。( f ) + ：g ：( f ) ( 2 1 4 ) 其中，g 。：) = ( 瓦o ) 和g ：。j 控) = 【o 、厄) 。 基本函数有如下形式： g l o ) = 9 2 0 ) = + 育1 c 似 + 再c 姒 + 击c o 可陀) ， + 了1 亍c o ) ， + 再c 一击舡引2 ) ， 其中，c ( ) 是某种经过调频的混沌波形。 0 f z 2 t 2 sf t 0 ， 丁2 丁2 f r ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) f m d c s k 调制先对混沌信号进行模拟调频，再将调频后的混沌信号作为载 波进行数字调制。只要比特周期丁是正余弦信号周期的整数倍，由于周期的正 余弦信号的在一个周期内的能量是恒定的，就可以保证f m d c s k 调制后的信号 每比特能量不再随机变化。而要保证比特周期丁是正余弦信号周期的整数倍， 只要采用相对混沌信号频率高得多的正余弦信号对混沌信号进行调频，就能很容 易的实现。这样，混沌调制方案普遍存在的估算问题就得以解决。这样的调制方 式就是f m d c s k 调制，它为混沌调制方案应用于现代高速信息传输的通信系统 开辟了道路。 f m d c s k 的调制过程如图2 9 所示： 1 3 基于混沌调制的协作通信系统研究 i 焉一i r - = 磊- 赢赢n o if m - d c s k 号 u三鋈霎圣三e二土三室至三ijl二竺一。，已调信号 。- 一一一一一一岜一j - 一 图2 - 9f m d c s k 的调制原理框图 对比图2 - 9 和图2 6 可以看到，f m d c s k 调制与d c s k 调制唯一的不同就 在于载波的发生过程：d c s k 直接采用混沌发生器产生的低频混沌信号作为载 波，而f m d c s k 的载波采用的是经过模拟调频从而频率提高了的混沌信号。 2 2 4 3 二元f m - d c s k 的解调 因为作为载波的混沌信号的非周期性和随机性，所以在接收端精确恢复作为 载波的混沌信号是几乎不可能的。而f m d c s k 和d c s k 一样，是将数字信号 影射到每个比特周期前后两个半周期的相关性上，于是可以简单的采用差分相干 解调，同时还不用f m 解调器，从而避免了同步问题。 f m d c s k 差分相干解调的过程和原理与d c s k 差分相干解调的一样，解调 过程请参阅图2 7 。这里我们详细分析一下有噪情况下差分相干解调的原理： 乙= e ：匮( ，) + ，z o 煅一t 2 ) + 万( t - t 2 ) d t = ( _ 1 广1 乒：万2 ( t - t 2 ) d t + ：符o ) 2 0 - t 2 ) d t + ( 2 - 1 7 ) ( - 1 广1 e ：? ( t - t 2 ) 菇( t - t 2 ) d t + f f r l 2 万( ，) 万o 一丁2 枷 其中，z 为接收到的信号，可以分解为四项之和。信号信息是第一项，第二、 三、四项是干扰，不过第四项可以通过信道滤波器消除。因为估算问题解决了， 皿r 或o 1 = 1 2 ，于是我们有互+ e b 2 并1 jz ：一e 2 。于是可以简单地通过其结 果和0 的比较恢复出所传输的信号。 从图2 - 9 中可以看到，判决电路被独立在解调模块之外了。在二元d c s k 解 调模块之后直接加判决器，这是gk o l u m b a n 等人提出的解调方案，但是，从后 面的研究中会看到，这种经典的解调方案其实是一种硬解调方法。在有些场合， 比如重传合并时，和信道编译码相结合时，可能会要求解调方案做软解调。 1 4 我们解释一下使用调频混沌信号作载波，或者说f m d c s k 对混沌通信的另 一个重要意义。我们知道，无线通信的电信号一定要先调制到射频( r f ) 段才 能通过天线发射出去，同样在接收端要先把接收到的r f 信号解调到中频或低频， 再作其他处理。而当采用f m d c s k 方案时，发射端可以在对混沌信号调频时就 直接采用频率在r f 段的正余弦信号，这样，f m d c s k 调制后的信号无需再特 地进行r f 调制就可以直接通过天线发射到空中。从前面的叙述中可以看到，f m d c s k 的解调只需采用和d c s k 一样的差分相干检测就可以解调出原始发送信 号，而无需对f m 解调。这就意味着，f m d c s k 应用在无线通信时，尽管空中 传输的是r f 电信号，接收端根本无需额外的r f 解调器，就可以恢复出发送的 数字信号。这无疑将大大减少无线通信硬件实现的复杂度，节约一大笔成本。加 之混沌信号的产生也非常简单，所以f m d c s k 是一种结构简单、成本低廉的调 带0 方案。 2 3 本章总结 在本章中，我们对典型的混沌调制技术进行了详细介绍。在实际应用中， d c s 姗m - d c s k 作为集扩频与调制为体的技术，结构简单，解调容易，并且 由于其优越的抗多径性能被广泛应用于无线通信系统中，是一种有潜力的通信技 术，成为了当今的研究热点。通过对混沌调制技术的学习，我们熟悉了混沌调制 原理，为接下来建立混沌调制协作系统奠定了基础。 1 5 基于混沌调制的协作通信系统研究 3 1 协作分集概述 第三章协作分集技术 协作分集技术最早源于对协作伙伴信道( r e l a yc h a n n e l ) 的研究。1 9 7 9 年 c o v e r 和g a m a l 发表的文章【9 】最先从信息论的角度分析了协作伙伴信道的信道 容量，该文章分析了高斯信道下三节点网络的信道容量上限，从理论上证明了协 作伙伴通信可以得到信道容量上的增益，为以后的协作分集提供基本的理论依 据。由于协作伙伴节点和源节点到目的节点的信道是相互独立的，所以可以得到 空间分集增益。1 9 9 8 年s e n d o n a r i s 等人提出了协作分集的概念，在2 0 0 3 年之后 逐渐得到了大家的关注。协作分集是协作伙伴信道的推广，在协作分集系统中， 每一个用户不仅要发送自己的信息还要为别的用户协作伙伴转发信息，也就是每 一个用户既是转发者，又是数据源，不存在纯粹的协作伙伴节点专门转发信息。 协作的用户不会占用额外的资源，只是通过增加计算量得到更好的性能或者在较 低的代价下得到节省能量的增益。 s e n d o n a r i s 等人对协作分集进行了系统描述、系统执行和性能分析1 0 1 1 1 。 文献中对协作分集系统的信道容量、中断概率和覆盖范围等性能进行了分析，并 且分析了一种上行信道采用c d m a 技术的协作分集的例子，假设发射机已知信 道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s o ，可以获得更大的信道容量，对协作 伙伴选择和接收机结构进行了研究和设计。文献中得到的理论分析为接下来对协 作分集的深入研究奠定了理论基础。接着l a n e m a n 等人对协作分集系统的研究 对协作分集技术的发展起到了重要的作用，他们提出的协作方式基本上被所有研 究协作分集的人采用。他们最先提出了放大转发( a m p l i f y a n d f o r w a r d ，a f ) 和解 码转发( d e c o d e a n d 。f o r w a r d ，d f ) 的概念并给出了准确定义，明确了给出了协作 分集系统具体的实现方法和结构 1 2 】，并在随后的文献中对各种协作方式的中断 概率、系统容量和分集复用折中等性能进行了系统的研究【1 3 1 ，并且把空时编码 引入协作分集系统当中，以中断概率为指标，分析了多中继协作分集系统的性能 1 4 ，证明可以进一步增加分集阶数。d f 协作是一种数字转发方式，协作伙伴 节点对收到的信号进行解调和解码，然后把解码后的数据进行重新编码、调制并 1 6 第_ 三章协作分集技术 转发到目的节点。这里讲的d f 指的是选择译码前传。d f 协作可以避免源节点 到协作伙伴节点之间噪声的引入，防止错误的进一步传输，如果协作伙伴节点正 确解码，那么协作伙伴节点转发的信息将对目的节点进行接收信号的合并可以起 到较好的效果，带来分集增益，但是如果协作伙伴节点解码错误，就由源节点进 行信息的重复发送。a f 协作是一种模拟转发方式，协作伙伴节点把收到的信号 直接进行一定系数的放大调整然后发送到目的节点，是对接收信号进行的一个线 性变换。a f 协作在转发了有用信号的同时，协作伙伴节点引入的噪声也会被转 发和放大。但是从性能分析的角度来看，a f 协作还是可以提高目的节点接收信 息的准确率，但是放大系数的选取和协作距离对性能有较大的影响。在d f 协作 的基础上，h u n t e r 提出了编码协作( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 的思想，它是d f 协作与信道编码相结合的产物，如果协作伙伴节点节点译码成功，此