一种基于混沌序列的5G多载波扩频水声通信方法技术

本发明专利技术涉及一种基于混沌序列的5G多载波扩频水声通信方法，属于水声通信领域，涉及广义频分复用水声通信技术，混沌序列扩频水声通信技术。本发明专利技术提出了一种适用于水声领域的5G多载波扩频水声通信系统，实现了在带宽资源有限的水声信道中有效的信息传输，在实验中实现了无误码的信息传输。本发明专利技术的目的是针对信道带宽资源有限的水声通信领域，提供一种有效的信息传输方法，对水声技术的发展具有重要意义。

A 5G Multicarrier Spread Spectrum Underwater Acoustic Communication Method Based on Chaotic Sequence

The invention relates to a 5G multi-carrier spread spectrum underwater acoustic communication method based on chaotic sequence, belonging to the field of underwater acoustic communication, and relates to generalized frequency division multiplexing underwater acoustic communication technology and chaotic sequence spread spectrum underwater acoustic communication technology. The invention provides a 5G multi-carrier spread spectrum underwater acoustic communication system suitable for underwater acoustic field, realizes effective information transmission in underwater acoustic channel with limited bandwidth resources, and achieves error-free information transmission in experiments. The object of the present invention is to provide an effective information transmission method for the field of underwater acoustic communication with limited channel bandwidth resources, which is of great significance to the development of underwater acoustic technology.

【技术实现步骤摘要】
一种基于混沌序列的5G多载波扩频水声通信方法
本专利技术涉及一种基于混沌序列的5G多载波扩频水声通信方法，属于水声通信领域，涉及广义频分复用水声通信技术，混沌序列扩频水声通信技术。
技术介绍
扩频通信技术是长距离水声通信技术中的常用技术，随着通信技术的发展，其通信方式可以根据频谱扩展方法的不同分为直接序列扩频(DS，DirectSequenceSpreadSpectrum)、跳频(FH，Frequency-HoppingSpreadSpectrum)、跳时(TH，TimeHopping)、脉冲调频(ChirpModulation)及混合扩频等几种方式。水声通信领域需要有效的信息传输方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对信道带宽资源有限的水声通信领域，提供一种基于混沌序列的5G多载波扩频水声通信系统。本专利技术提出了一种适用于水声领域的5G多载波扩频水声通信系统，实现了在带宽资源有限的水声信道中有效的信息传输，在实验中实现了无误码的信息传输。本专利技术的目的是针对信道带宽资源有限的水声通信领域，提供一种有效的信息传输方法，对水声技术的发展具有重要意义。本专利技术提供了一种基于混沌序列的5G多载波扩频水声通信方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：在发射端，对源数据进行编码，对编码后的串行数据数据用混沌扩频序列进行扩频操作；步骤二：对扩频后的数据进行GFDM调制，之后对调制后的数据加循环前缀，得发射数据；步骤三：调制后的信号经过水声信道后，在接收端，对数据进行同步、GFDM解调；步骤四：对解调后的数据，利用接收端本地产生的混沌信号进行解扩，对所得信号在持续时间内做积分、判决，得到接收端估计出的数据。优选地，本专利技术还包括选择1-4任一项的特征：1.步骤一中扩频过程为：发射数据用d(t)表示，则过程可表示为：d(n)和扩频所用的混沌序列c(n)的取值为1或-1，g(t)和p(t)分别是持续时间为Tb和Tc的单位幅度的矩形脉冲，N代表扩频序列的长度，一般情况下，Tb＝NTc。扩频后的序列p(t)为：p(t)＝d(t)c(t)步骤二中调制过程表示为：经过GFDM调制后的数据为y(t)，用g[·]表示GFDM调制过程，则：y(t)＝g[p(t)]＝g[d(t)c(t)]采用BPSK调制方式的GFDM的离散扩频信号可表示为：其中，dk[i]为第k个子载波上的数据，ck[j]代表其对应所乘的扩频序列，Nc代表子载波个数，Δf′＝1/Tc是子载波间隔。2.步骤三中对接收信号进行GFDM解调过程为：在接收端，正确同步的前提下，对接收信号y’(t)进行GFDM解调，用g-1[·]代表GFDM解调过程，则待解扩信号r(t)可表示为：r(t)＝g-1[y'(t)]。3.步骤四中对接收信号解扩过程为：利用本地产生的与发射端相同的混沌扩频序列cr(t)对r(t)解扩：m(t)＝r(t)cr(t)＝g-1[y'(t)]cr(t)＝g-1[g[d(t)c(t)]]cr(t)＝d(t)c(t)cr(t)对信号所在持续时间内进行积分：其中扩频序列c(t)的脉冲持续时间为Tb，即因此，q(t)可表示为：与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：实现了一种基于混沌序列的多载波扩频水声通信系统，并通过仿真和实验验证了该系统具有较基于常用扩频序列的GFDM扩频水声通信系统更好的性能，能够利用更少的序列初值(其他常用扩频序列为了产生与混沌序列相同数量，需要更多的初始值，增加了通信系统的信息传输量，占用宝贵带宽资源，降低传输效率)，实现整个通信系统更低的误码率，以调制器结构M＝2,K＝29为例分析，在高斯白噪声信道下，信噪比为-9dB时，本专利技术所述的基于混沌序列的5G扩频水声通信技术系统实现了采用常用扩频序列扩频的水声通信系统在信噪比为4dB时的误码率，性能提升13dB；多途水声信道下，在信噪比为-3dB时，实现了常用扩频序列扩频的水声通信系统在信噪比为6dB时的误码率，性能提升9dB。并在实验中实现了无误码的信息传输，证明该基于混沌序列的GFDM扩频水声通信系统是一种全新可灵活利用传输信道带宽的高效通信系统，更适用于水声通信领域中。附图说明图1基于混沌序列的水声扩频系统示意图；图2(a)混沌扩频水声系统发射端原理图和(b)混沌扩频水声系统接收端原理图；图3调制器结构为M＝2,K＝29的高斯白噪声信道下不同扩频水声通信系统误码率性能比较图；图4调制器结构为M＝2,K＝29的多途信道下不同扩频水声通信系统误码率性能比较图；图5调制器结构为M＝29,K＝2的高斯白噪声信道下不同扩频水声通信系统误码率性能比较图；图6调制器结构为M＝29,K＝2的多途信道下不同扩频水声通信系统误码率性能比较图；图7实验信道冲击响应；图8实验发射接收图片(a)，发射图像(b)常用扩频序列水声通信系统(M＝2，K＝29)误码率为0.0119(c)混沌扩频水声通信系统接收图像(M＝2，K＝29)误码率为0.0046(d)GFDM混沌扩频水声通信系统接收图像(M＝29，K＝2)。具体实施方式本专利技术重点研究基于GFDM的直接扩频水声通信系统其优势在于：1.抗干扰能力强，误码率低扩频通信技术在发射端，利用扩频序列对发射信号进行扩频处理，将信号所占的原始带宽扩展，在接收端采用相关检查法对传输信号进行解扩处理，将传输过程中的噪声信号扩展成了宽带信号，可通过窄带滤波方法对目标信号进行提取，具有相对较高的信噪比，可以有效的提高系统的抗干扰性能，降低了系统的误码率。2.隐蔽性能好，截获概率低扩频后的信号频带被展宽，可淹没在噪声，不易被敌方截获，对周围的电子设备产生干扰的可能性也很小。军事应用潜力巨大，国外的军事通信装备上已经使用了HF，VHF和UHF频段的跳频无线电台，直接序列扩频电台也开始进入实用阶段。因此，具有良好的隐蔽性。3.抗多径性能好由于扩频码的良好的自相关性，经过多途信道后的信号可以方便有效的提取出来。4.保密性好由于扩频信号的功率谱密度很低，信号淹没在噪声中，并且不同路信号或不同用户的信号采用不同的伪随机序列扩展频谱，接收方只有知道扩频序列的正确形式才能解扩解调出原始信息数据。因此扩频通信技术可靠性高，保密性好。扩频系统可依据在时域和频域进行的扩频操作，分为时域扩频通信系统和频域扩频通信系统。一方面由于水下声信道可用带宽资源有限，另一方面由于频域扩频会破坏子载波间的相关性，因此本专利技术针对时域扩频展开研究。本专利技术中的扩频技术采用混沌序列，主要有以下优势：首先，传统扩频序列长度相对固定，均为2n-1，并且可选则的扩频码数量少。而混沌序列由于对初值敏感，通过改变混沌系统的参数及初始值可以得到数量巨大的扩频序列，并且序列长度可任意设置。因此可供选择的扩频码数量非常多，因此，较传统扩频序列具有更好的保密性。其次，混沌扩频序列自身具有非周期性、宽带和类噪声等特性，类似于随机过程，使其在实际传输过程中，不易被发现截获。因此，系统具有相当程度的保密性能，很难被破译，可以很大程度的提高通信系统的安全性。最后，混沌序列的产生与复制很方便，只要给出一个混沌系统迭代公式与一个初始值，就能产生一个混沌扩频序列。因此，基于混沌序列的上述优点，将其应用到本专利技术一种基于混沌序列的5G多载波扩频水声通信技术中。时域扩频：多载波时域本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于混沌序列的5G多载波扩频水声通信方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一：在发射端，对源数据进行编码，对编码后的串行数据数据用混沌扩频序列进行扩频操作；步骤二：对扩频后的数据进行GFDM调制，之后对调制后的数据加循环前缀，得发射数据；步骤三：调制后的信号经过水声信道后，在接收端，对数据进行同步、GFDM解调；步骤四：对解调后的数据，利用接收端本地产生的混沌信号进行解扩，对所得信号在持续时间内做积分、判决，得到接收端估计出的数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于混沌序列的5G多载波扩频水声通信方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一：在发射端，对源数据进行编码，对编码后的串行数据数据用混沌扩频序列进行扩频操作；步骤二：对扩频后的数据进行GFDM调制，之后对调制后的数据加循环前缀，得发射数据；步骤三：调制后的信号经过水声信道后，在接收端，对数据进行同步、GFDM解调；步骤四：对解调后的数据，利用接收端本地产生的混沌信号进行解扩，对所得信号在持续时间内做积分、判决，得到接收端估计出的数据。2.根据权利要求1所述的一种基于混沌序列的5G多载波扩频水声通信方法，其特征在于：步骤一中扩频过程为：发射数据用d(t)表示，则过程可表示为：d(n)和扩频所用的混沌序列c(n)的取值为1或-1，g(t)和p(t)分别是持续时间为Tb和Tc的单位幅度的矩形脉冲，N代表扩频序列的长度，一般情况下，Tb＝NTc，扩频后的序列p(t)为：p(t)＝d(t)c(t)步骤二中调制过程表示为：经过GFDM调制后的数据为y(t)，用g[·]表示GFDM调制过程，则：y(t)...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴金秋，刘鹏云，康鹏斌，邵会兵，姚宏达，刘辉，王小虎，刘浩源，
申请(专利权)人：北京控制与电子技术研究所，唐山照澜海洋科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11