專利名稱：一種有限帶寬條件下混沌通信解碼方法
技術領域：
本發(fā)明屬于通信技術領域，涉及一種在信道帶寬有限條件下的混沌通信解碼方法，具體涉及一種找回由信道濾波作用導致的丟失碼元的方法和一種確定碼元極性的方法。
背景技術：
混沌是確定性系統(tǒng)表現(xiàn)出的類隨機行為，具有寬頻譜，對初值敏感等特性，這些特性適合于通信應用，因此自從1990年人們證明混沌能夠被控制和同步之后，利用混沌進行通信應用的研究在不斷深入。2005年《Nature》報道了在歐洲進行的混沌光纖通信獲得了比現(xiàn)有方法更高的通信速率，這標志著混沌通信從理論研究開始走向工程應用研究。實際的通信信道可能對其中傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生影響，這些影響包括濾波作用、多普勒效應、多徑干擾等方面，如何考慮這些作用的影響是將混沌應用于實際必須要解決的問題。1993年， Hayes等提出利用混沌符號序列進行通信的方法，該方法具有寬頻譜的特點，2003年，Zhu 等研究發(fā)現(xiàn)當信道具有濾波作用時，會對接收信號碼元極性的判斷產(chǎn)生不利影響，并利用信息墑進行碼元極性判斷，降低了誤碼率。發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)當信道帶寬進一步降低時，采用混沌符號序列進行通信的方法將出現(xiàn)接收信號碼元個數(shù)小于發(fā)送信號碼元個數(shù)的現(xiàn)象，這樣會使得接收信號無法與發(fā)送信號一一對應，從而出現(xiàn)通信失敗的問題。針對這一現(xiàn)象，本發(fā)明給出了一種尋找丟失碼元的方法，從而避免了通信失敗的問題，并利用三維特征進行碼元極性判斷，獲得了更低的誤碼率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對利用混沌符號序列進行數(shù)字通信的解碼問題，提供一種找回由信道濾波作用導致的丟失碼元的方法，解決了通信失敗的問題；同時提供了一種基于三維信息的碼元極性判斷方法，降低了誤碼率。本發(fā)明所采用的技術方案是，一種有限帶寬條件下混沌通信解碼方法，按照以下步驟進行步驟I、獲取接收信息時間序列的極小值序列設接收時間序列為{\(k)，k=l，2，3，…}，其中，xjk)表示kT時刻對接收信號 Xr(t)的采樣值，Xr (t)為接收信號，T為采樣時間；如果同時滿足xr (k) ^ xr(k-l), xr (k)彡xr(k+l),則將該時刻采樣值xr(k)記為 ^(j)，表示接收序列的一個局部極小值，該極小值點也稱為碼元；隨著k的增加，將得到一系列(j)，j = 1,2,3,... }，該序列即為接收信號的極小值序列；步驟2、計算相鄰碼元對應的時間間隔，確定兩個相鄰碼元間是否存在丟失碼元設Xl(j) = xr (k), xL(j+1) = xr (k+m),則第j個碼元與第j+1個碼元之間的時間間隔Titvl (j) = mT, m為整數(shù)，表示兩個連續(xù)碼元之間間隔的采樣周期數(shù)；I N定義所有碼元平均間隔時間為=U)，其中N為總碼元間隔數(shù)；如果
IN
Titvl (j)>5 ΑΤΙ δ為大于I的常數(shù)，則認為在碼元XL(j)和碼元Xl(j+1)之間存在丟失碼元,此時，XliU)和Xli(j+Ι)為不連續(xù)碼元；如果Titvl (j)〈 δ ATI,則認為在碼元Xli(j)和碼元 Xl (j+1)為連續(xù)碼元；步驟3、在接收碼元序列中添加未知丟失碼元，獲得含有未知碼元的期望接收碼元序列< (j + offset)x+L (j + offset) = xL (j)，其中，offset為截止j時刻確定的已經(jīng)丟失的碼元個數(shù)，其初值為零，對接收到的碼元序列進行重新排序；步驟4、繪制連續(xù)碼元的回歸映射圖 利用步驟3中得到的期望接收碼元序列中的已知的連續(xù)碼元，繪制回歸映射圖， 具體的方法是，如果為連續(xù)碼元，則以<(■/)為橫坐標，以C/+1)縱坐標， 在二維平面坐標系繪制該坐標對應的點，所有點構成的圖即為回歸映射圖；步驟5、確定丟失碼元設在< ⑷和< ( + 2)之間有一丟失碼元< ( + 1)是未知的，而^ ( )和< (Λ + 2)是已知的，η為期望接收碼元序號，同時在步驟4得到的回歸映射圖中，(.V,: (")，.V,> + 1))和
++ 應為回歸映射圖中的點，因此，以通過橫坐標做一垂線，該線與回
歸映射圖的交點的縱坐標記為集合xF (n+1)，稱為一步后向迭代集合，通過縱坐標4 ( + 2) 做一水平線，該線與回歸映射圖交點的橫坐標記為集合xK(n+l)，稱為一步前向迭代集合， 定義集合S為集合xF(n+l)中滿足|xF-xK|彡ε，其中ε為小于等于O. 02的正常數(shù)， xF e Xf (n+1), xE e xR(n+l),則S為丟失碼兀.O +O的解集，解集中各兀素的偏差小于ε ;步驟6、利用已知極性碼元序列的三維特征訓練支持向量機二進制數(shù)字通信中，碼元極性可以分O和I兩種，令發(fā)送端發(fā)送一段已知極性的碼
元序列，接收端得到相應的碼元序列后，根據(jù)接收到碼元給出碼元< C/)的極性(乃)和
該極性所對應的特征向量 [Xi+ ⑵，x￡+ (J +1)，x￡+ (j + 2)]由于碼元極性分為O和I兩種，因此可以得到對應極性為O的特征集合F0 =[(χ；(7),χ； (j+l),x (y + 2))|^(x；(i)) = 0和對應極性為I的特征集合F1= (x+L (j),x+L ( j + l),x+L (j+ 2))|p(x^ (J)) = I以極性O和極性I所對應的三維特征作為輸入，以類別“O”和“I”作為輸出，訓練支持向量機，訓練完成后，該支持向量機作為后面識別接收碼元序列極性的判別器；步驟7、利用訓練好的支持向量機判斷接收序列中碼元的極性利用步驟I-步驟5得到的接收碼元序列，構成各個碼元的極性特征向量，F(xiàn)(x {j)) = [x； {j)XL(j + l),x； (j + 2)]，將特征向量輸入步驟6訓練好的支持向量機，利用
支持向量機的輸出可以得到該碼元對應的極性，從而實現(xiàn)信號的解碼。本發(fā)明方法的有益效果是，I、當信道存在濾波特性時，將改變接收吸引子的動力學特性，導致利用常規(guī)方法無法從接收信號中獲得所有發(fā)送碼元，利用本發(fā)明的方法可以得到丟失碼元的時刻和丟失的碼元，從而解決了由于碼元丟失引起的通信終端的問題。2、采用碼元的三維特征向量和訓練好的支持向量機可以獲得更低的誤碼率。


圖I是混沌符號動力學進行通信的系統(tǒng)構成；圖2是蔡電路相圖和狀態(tài)X隨時間的變化曲線，a為蔡電路三維相圖，b為狀態(tài)X 隨時間的變化曲線圖；圖3是時間序列極小值示意圖和回歸映射圖，a為時間序列極小值示意圖，b為回歸映射圖；圖4是有限帶寬混沌通信系統(tǒng)示意圖；圖5是信道濾波參數(shù)變化時碼元丟失率變化曲線；圖6是碼元接收時間間隔柱形圖；圖7是連續(xù)接收碼元回歸映射圖；圖8是確定丟失碼兀方法不意圖；圖9是不同極性接收碼元三維特征；圖10是本發(fā)明方法和傳統(tǒng)分界線方法誤碼率對比圖；圖11是信道參數(shù)發(fā)生變化時本發(fā)明方法與傳統(tǒng)方法誤碼率對比圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明提供一種有限帶寬條件下混沌通信解碼方法，先求取接收信息時間序列的極小值，得到極小值序列對應的映射，并根據(jù)兩個相鄰極小值之間的時間確定是否有丟碼現(xiàn)象發(fā)生，繪制連續(xù)碼元的一維映射相圖，再根據(jù)該相圖和丟失的碼元前后兩個碼元的位置確定丟 失碼元的在相圖中的位置，從而確定了丟失碼元，進而訓練支持向量機實現(xiàn)碼元極性的判斷，該解碼方法具體按以下步驟進行步驟I、獲取接收時間序列的極小值序列設接收時間序列為{xjkhk = 1,2,3，…},其中xjk)表示kT時刻對接收信號&⑴的采樣值，xr(t)為接收信號，T為采樣時間。如果同時滿足 xr(k) ^ xr(k-l), xr(k)彡xjk+l),則將該時刻采樣值Xr(k)記為Xlj(j),表示接收序列的一個局部極小值，該極小值點也稱為碼元。隨著時間的演化(k的增加)，將得到一系列 {xL(j), j=l, 2，3，. . . }，該序列即為接收信號的極小值序列；該極小值序列可以認為是由一個非線性映射xjj+l) = f(xL(j))產(chǎn)生，這個映射稱為回歸映射。步驟2、計算相鄰碼元對應的時間間隔，確定兩個相鄰碼元間是否存在丟失碼元設Xl(j) = xr (k), xL(j+1) = xr (k+m),則第j個碼元與第j+1個碼元之間的時間間隔Titvl (j) =mT，m為整數(shù)，表示兩個連續(xù)碼元之間間隔的采樣周期數(shù)。定義所有碼元平均間隔時間為其中N為總碼元間隔數(shù)。如果Titvl )>δ ΑΤΙ，δ為大于I
J=I
的常數(shù)，則認為在碼元XL(j)和碼元XlU + 1)之間存在丟失碼元，此時，XL U)和Xl (j + 1)為不連續(xù)碼元，反之，為連續(xù)碼元；步驟3、在接收碼元序列中添加未知丟失碼元，獲得含有未知碼元的期望接收碼元序列.<(■/ +·
Xi (j + offset) = xL (j)，其中offset為截止j時刻確定的已經(jīng)丟失的碼元個數(shù)，其初值為零，對接收到的碼元序列進行重新排序。例如實際接收碼元序列為{xL(j)} = {xL⑴，Xl⑵，Xl⑶，Xl⑷，,如步驟2中確定在\(2)與&(3)之間存在一個丟失碼元，則重新排序的碼元序列為{x (7)} = K (I),xL (2)X (3), (3),xL (4)，..·}，其中< (3)為 xL⑵與 ⑶之間的
丟失碼元。這樣便可以得到與發(fā)送碼元一一對應的接收碼元，盡管這些接收碼元中存在未知的碼元，如上例中的< (3)；步驟4、繪制連續(xù)碼元的回歸映射圖利用步驟3中得到的期望接收碼元序列中的已知的連續(xù)碼元，繪制回歸映射圖， 具體的方法是，如果4(/)與<0'+1)為連續(xù)碼元，則以<C/)為橫坐標，以xiC/'+l)縱坐標在二維平面坐標系繪制該坐標對應的點，所有點構成的圖即為回歸映射圖。如步驟3中的例子，繪制出點的坐標分別為(Χ (1)，Χ (2))和Ul(3)，Xl(4))，不能繪制點(Χ (2)，Χ (3))因為它們是不連續(xù)碼元，實際上，這里應該繪制的是x￡+(3))和(x￡+(3)4(3))，但是由于
< (3)未知，所以無法繪制出這兩點。步驟5、確定丟失碼元設在.< ( )和< ("+ 2)之間有一丟失碼元4 ( w +1)未知，而(/ )和< (/2 + 2)已知， 同時也知道在步驟4得到的回歸映射圖中,(<&),-<( + 1))和(<(〃 + 1),<(// + 2))應為回歸映射圖中的點，因此，以通過橫坐標4(/0做一垂線，該線與回歸映射圖的交點的縱坐標記為集合和(11+1)，稱為一步后向迭代集合，通過縱坐標+ 做一水平線，該線與回歸映射圖交點的橫坐標記為集合xR (n+1),稱為一步前向迭代集合，定義集合S為集合xF (n+1)中滿足|xF-xR| ^ ε，其中ε為小于等于O. 02的正常數(shù),xF e xF(n+1),xR e xR(n+1),則S為丟失碼元+ 的解集，解集中各元素的偏差小于ε。步驟6、利用已知極性碼元序列的三維特征訓練支持向量機二進制數(shù)字通信中，碼元極性可以分O和I兩種，令發(fā)送端發(fā)送一段已知極性的碼
元序列，接收端得到相應的碼元序列后，根據(jù)接收到碼元給出碼元< C/)的極性(乃)和
該極性所對應的特征向量 [^(i),x；(i + l), x+L (j + 2)]
由于碼元極性分為O和I兩種，因此可以得到對應極性為O的特征集合F0= (λ-￡ {j)XL {j+ 1) Xl {j + 2))\p{x+L {j)) = 0和對應極性為I的特征集合F1= (λ-； {j),x+L{j + l)X {j + 2)) \p[xl (j)) = I以極性0和極性I所 對應的三維特征作為輸入，以類別“O”和“I”作為輸出，訓練支持向量機，訓練完成后，該支持向量機作為后面識別接收碼元序列極性的判別器；步驟7、利用訓練好的支持向量機判斷接收序列中碼元的極性利用步驟I-步驟5得到的接收碼元序列，構成各個碼元的極性特征向量， F(x； (j)) = [λ- {j)XL{j + l),x+L (J + 2)]，將特征向量輸入第6步訓練好的支持向量機，利用
支持向量機的輸出可以得到該碼元對應的極性(“O”或“1”)，從而實現(xiàn)信號的解碼。如圖I所示，一個簡單的利用混沌符號動力學進行通信的系統(tǒng)包括信號編碼模塊，通信信道和解碼模塊三個部分，其中信號編碼方法利用受控混沌吸引子對二進制數(shù)字信號進行編碼，以采用蔡電路的二進制編碼為例，說明信號編碼方法，蔡電路可以用如下微分方程描述x-a\_y-h[x)jy = x-y + zζ^-β\其中h (x) ^x+O. 5 (Hi0-In1) [ | x+11 -1 χ-11 ], α =8. 7, β =14. 2886, m0=-l/7, Hi1 = 2/7，x, y，z分別為三個狀態(tài)變量，該電路產(chǎn)生的三維相圖如圖2(a)和狀態(tài)x隨時間變化的曲線如圖2(b)所示(該圖中時間t的單位為秒)。設X的時間序列中已經(jīng)按要求編碼了二進制信息，具體的編碼內(nèi)容可以通過如下方法獲得，計算發(fā)送序列的最小值序列，設發(fā)送時間序列為{1(10，1^1，2，3，吣}，其中1(10表示kT時刻對發(fā)送信號x(t)的采樣值，T為采樣時間。如果同時滿足x(k) < x(k-l), x(k) <x(k+l)則將該時刻采樣值x(k)記為 xsJj)，表示發(fā)送序列的局部極小值，該極小值點也稱為發(fā)送碼元如圖3(a)用符號“X”標記的點表示。隨著時間的演化(k的增加),將得到一系列{xsli(j), j = 1，2，3，. . .，N},該序列為發(fā)送碼元序列；WxsJj)為橫坐標，xjj+1)為縱坐標，在二維平面繪制對應點，繪制j = I,..., N-1所有點構成的圖形為(發(fā)射序列)回歸映射圖，以通過回歸映射圖的最低點的垂線為分界線，落在該分界線左邊的映射點的極性為“O”用表示，而右邊的映射點的極性為“1”，用“□”表示，如圖3(b)所示，可以通過微擾控制方法控制混沌系統(tǒng)的軌跡對需要發(fā)送信息進行編碼。本發(fā)明針對上述通信系統(tǒng)的中的解碼模塊，實現(xiàn)對信號的解碼，方法是求取接收時間序列的極小值，得到極小值序列映射，并根據(jù)兩個相鄰極小值之間的時間確定是否有丟碼現(xiàn)象發(fā)生以及發(fā)生丟碼現(xiàn)象的時刻，繪制連續(xù)碼元的一維映射相圖，再根據(jù)該相圖和丟失的碼元前后兩個碼元的位置確定丟失碼元的在相圖中的位置和碼元本身。利用已知極性的接收碼元序列的三維特征向量，訓練3輸入I輸出支持向量機，訓練完成后，可以將新接收到的未知極性碼元序列的特征向量送入訓練好的支持向量機，支持向量機的輸出就是新接收的碼元的極性，從而實現(xiàn)通信的解碼。
本發(fā)明方法具體包括以下步驟步驟I、獲取接收時間序列的極小值序列設接收時間序列為{Xr(k), k=l, 2，3，···},其中X1Xk)表示kT時刻對接收信號Xr (t) 的采樣值，T為采樣時間。如果同時滿足Xr (k) ^xr(k-l),xr(k) ^xr(k+l)則將該時刻采樣值&(k)記為\(j)，表示接收序列的局部極小值，該極小值點也稱為碼元。隨著時間的演化 (k的增加)，將得到一個序列Ixjj)，j = 1，2，3，...}，該序列即為接收信號的極小值序列； 該極小值序列可以認為是由一個非線性映射&(」+1)=€0^(」))產(chǎn)生，這個映射稱為回歸映射。如果發(fā)送信號在理想信道中傳輸，不存在丟碼現(xiàn)象，通過構建回歸映射圖和利用發(fā)送端確定分界線相同的方法，就可以實現(xiàn)信號的解碼。但是由于信道帶寬有限(用一階濾波器模擬信道特性)，如圖4所示(圖4中，# = 為描述信道特性的微分方程，|G(js7)|信道的幅頻特性， (mdk)表示角頻率)，對發(fā)送信號具有很強的濾波作用，使得接收到的碼元與發(fā)送碼元個數(shù)不同，即存在丟碼現(xiàn)象，圖5給出了濾波器參數(shù)與丟失碼元百分比之間的關系， 可見信道帶寬越低，丟碼現(xiàn)象越嚴重。丟失碼元是一個非常嚴重的問題，原因是如果發(fā)送的信號是“00101100”，而接收到的信號是“0011100”則能產(chǎn)生完全錯誤的信息，此時通信不能正常進行，因此必須確定在何時存在丟碼，并且確定丟失的是什么碼，這個任務將通過步驟2-步驟5完成。步驟2、計算相鄰碼元對應的時間間隔，確定兩個相鄰碼元間是否存在丟失碼元設Xli (j) =Xr (k), xL (j+1) =xr (k+m),則第j個碼元與第j+1個碼元之間的時間間隔 Titvl(J) =mT，m為整數(shù)，表示兩個連續(xù)碼元之間間隔的采樣周期數(shù)。定義碼元平均間隔時
間
權利要求
1.一種有限帶寬條件下混沌通信解碼方法，其特征在于，按照以下步驟進行步驟I、獲取接收信息時間序列的極小值序列設接收時間序列為{Xr(k), k=l, 2，3，…},其中,Xr(k)表示kT時刻對接收信號Xr (t)的采樣值，xr (t)為接收信號，T為采樣時間；如果同時滿足Xr (k) ^ Xr(k-1), Xr (k)≤Xr(k+1),則將該時刻采樣值Xr(k)記為XL(j), 表示接收序列的一個局部極小值，該極小值點也稱為碼元；隨著k的增加，將得到一系列Ixjj)，j = 1,2,3,... }，該序列即為接收信號的極小值序列；步驟2、計算相鄰碼元對應的時間間隔，確定兩個相鄰碼元間是否存在丟失碼元設
全文摘要
本發(fā)明提供一種有限帶寬條件下混沌通信解碼方法，實現(xiàn)對信號的解碼，方法是求取接收時間序列的極小值，得到極小值序列映射，并根據(jù)兩個相鄰極小值之間的時間確定是否有丟碼現(xiàn)象發(fā)生以及發(fā)生丟碼現(xiàn)象的時刻，繪制連續(xù)碼元的一維映射相圖，再根據(jù)該相圖和丟失的碼元前后兩個碼元的位置確定丟失碼元的在相圖中的位置和碼元本身。本發(fā)明方法的有益效果是，當信道存在濾波特性時，將改變接收吸引子的動力學特性，導致利用常規(guī)方法無法從接收信號中獲得所有發(fā)送碼元，利用本發(fā)明的方法可以得到丟失碼元的時刻和丟失的碼元，從而解決了由于碼元丟失引起的通信終端的問題。并且采用碼元的三維特征向量和訓練好的支持向量機可以獲得更低的誤碼率。
文檔編號H04L1/00GK102710377SQ20121018649
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權日2012年6月7日
發(fā)明者任海鵬 申請人:西安理工大學