CN105207715A - 一种基于混沌序列的码分多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于混沌序列的码分多址接入方法，包括以下步骤：S1.每个用户发送的信息比特经过载波调制，再分别与由混沌发生器产生的混沌扩频码进行扩频；S2.采用传输过滤器对扩频后的信号进行过滤，将过滤后的信号进行叠加；S3.将叠加后的信号通过LED端发射到VLC信道进行传输，对传输后的信号进行分离，再采用匹配滤波器进行滤波，最后解扩解调恢复得到每个用户的原始信息比特；上述步骤S3中，解扩是采用是由步骤S1中混沌发生器产生的混沌扩频码进行解扩。该方法用混沌序列代替传统的光正交码实现扩频的功能，将其应用到VLC***中，从而增强了可见光通信过程中用户接入的安全性，使VLC***实现了多用户的安全接入。

Description

一种基于混沌序列的码分多址接入方法

技术领域

本发明涉及可见光通信领域，更具体地，涉及一种具有高安全性的基于混沌序列的码分多址接入方法。

背景技术

与传统的射频通信***相比，可见光通信(VisibleLightCommunication，VLC)具有高速传输、低耗、高安全性和免授权等优点。VLC***采用发光二极管(LightEmittingDiodes，LED)作为光源，发射端采用光强调制，接收端采用光强检测器(Photodiode，PD)直接检测(IntensityModulationwithDirectDetection，IM/DD)接收信息。

在可见光无线局域网中所有的终端用户都共用相同的主光源，因此不同的用户信号必须具有不同的特征，这样适配器接收时才能将不同用户信号分割开，即采用多址接入技术识别不同用户。多址接入技术能够高效地支持多用户同时通信，并且不过度增加***复杂度，从而降低***建设和维护成本。

多址接入技术通常包括时分多址、频分多址和码分多址方式。当以传输信号的传输时隙来识别用户时，称为时分多址方式；当以传输信号的载波频率不同来区分用户建立多址接入时，称为频分多址方式；当以传输信号的码型不同来区分用户建立多址接入时，称为码分多址方式。其中，码分多址方式中用户因可同时共享***的频段和时隙资源，与其他两种方式相比，***容量更大。

在基于码分多址的多用户可见光通信***中，尽管可见光的视距传播特性为可见光通信提供了与射频无线通信相比更好的安全性，然而，在相同光束覆盖下的多用户因光束的广播特性，所传播的信息易于被恶意用户截获。已有的基于单极性码的光码分多址***尽管实现了多用户的识别，但由于采用的地址识别码易于被恶意用户获知，因此无法保障多用户的安全接入。

因此，提出一种可提供高安全性用户接入的多用户访问技术是有必要的。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种具有高安全性的基于混沌序列的码分多址接入方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于混沌序列的码分多址接入方法，包括以下步骤：

S1.每个用户发送的信息比特经过载波调制，再分别与由混沌发生器产生的混沌扩频码进行扩频；

S2.采用传输过滤器对扩频后的信号进行过滤，将过滤后的信号进行叠加；

S3.将叠加后的信号通过LED端发射到VLC信道进行传输，对传输后的信号进行分离，再采用匹配滤波器进行滤波，最后解扩解调恢复得到每个用户的原始信息比特；

上述步骤S3中，解扩是采用是由步骤S1中混沌发生器产生的混沌扩频码进行解扩。

上述步骤S1中，用户发送的信息比特经过正交相移键控调制映射进行载波调制后，再通过乘法器与混沌发生器产生的混沌扩频码进行扩频。本发明的关键是在进行解扩时，必须采用由对应混沌发生器产生的混沌扩频码进行解扩，这样才能准确的实现信息的解码。

这是由于混沌现象是非线性确定性***中的一种类似随机的过程，这种过程有界但对初值十分敏感。混沌序列具有极强的自相关性和极弱的互相关性，同时对初值极度敏感，可以用来提高***的安全性。并且不同的映射方式可以产生大量的混沌序列满足多用户的需求。

利用混沌序列相关特性来区分VLC***中的接入用户具有高安全性。由于混沌序列的类噪声性和对初值的极度敏感性，因此只有合法的接受用户才能恢复初始发送信息，而窃听用户不能截获发送数据。

由于光信道采用的IM/DD的方式，光信道中传播的信号必须是非负信号，所以要在传输信号进入VLC光信道前将映射的双极性信号转成非负的单极性信号；故所述步骤S2中对叠加后信号还需要采用直流偏置的方法使得双极性信号全部变成非负信号。

进一步的，通过VLC信道的信号功率P_r能表示为：

P_r＝[H_los(0)+H_nlos(0)]P_t(1)

其中H_los(0)和H_nlos(0)表示光信号直射和反射的传递函数，P_t表示平均传输光信号功率，由下式计算得到：

$P_t={\lim }_{T\→\mathrm{\∞}}\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^{T}x\left(t\right)dt---\left(2\right)$

式(2)中：***中发射信号波形x(t)为LED光源的瞬时光强度值，从式(2)中知，LED瞬时发射光功率不可能为负值，因此LED端输入信号波形应为非负。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明给出了一种应用于VLC***的基于混沌序列的码分多址接入方法，该方法用混沌序列代替传统的光正交码实现扩频的功能，将其应用到VLC***中，从而增强了可见光通信过程中用户接入的安全性，使VLC***实现了多用户的安全接入。

附图说明

图1是本发明基于混沌序列的CDMA-VLC***框图。

图2是可见光通信***反射传播链路模型示意图。

图3是使用不同扩频码的SER性能曲线对比图。

图4是使用混沌序列的不同用户数量的性能曲线对比图。

图5是合法接收用户与窃听用户的接收数据误码率比较图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明提出基于混沌序列的码分多址接入方法，即采用混沌序列识别可见光通信***中的多个用户，能够有效的增强可见光通信***的多用户接入安全性。

本发明提出了将混沌序列用于CDMA-VLC***来实现高效和高安全的多用户识别。图1所示是本发明方法实现的基于混沌序列的CDMA-VLC***的结构图。首先每个用户发送的信息比特通过正交相移键控调制映射(QuadraturePhaseShiftKeying，QPSK)，然后乘以由混沌发生器产生的混沌扩频码进行扩频。通过传输滤波器、光滤波器、VLC信道、光集中器、匹配滤波器，最后解扩解调恢复得到每个用户的原始信息比特，使得用户可以依靠各自不同的混沌序列来区分识别。由于光信道采用的IM/DD的方式，光信道中传播的信号必须是非负信号，所以要在传输信号进入光信道前将映射的双极性信号转成非负的单极性信号，这里采用的是添加直流偏置的方法使得双极性信号全部变成非负信号。

本方案在VLC***中的性能分析采用通用的可见光信道模型，即包括可视距(LineofSight，LOS)和非可视距(NonLineofSight，NLOS)两种类型。通过光信道后的信号功率P_r可以表示为：

P_r＝[H_los(0)+H_nlos(0)]P_t(1)

其中H_los(0)和H_nlos(0)表示光信号直射和反射的传递函数，P_t表示平均传输光信号功率，由下式计算得到：

$P_t={\lim }_{T\→\mathrm{\∞}}\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^{T}x\left(t\right)dt---\left(2\right)$

式中：***中发射信号波形x(t)为LED光源的瞬时光强度值，从式(2)中可以看出，LED瞬时发射光功率不可能为负值，因此LED光源输入信号波形应为非负。

VLC***在背景光影响下的噪声可以看作若干服从高斯分布的独立的噪声变量的叠加。取其极限值并利用中心极限定理，可把信道噪声视为与信号无关的高斯噪声。在不考虑背景光的情况下，接收机前置放大器的噪声也是与信号无关的高斯噪声。因此，这里把可见光通信***的信道噪声看作与信号无关的加性高斯白噪声n(t)。此时接收信号y(t)可以表示为：

$y\left(t\right)=Rx\left(t\right)\⊗h\left(t\right)+n\left(t\right)---\left(3\right)$

R表示光电转换效率；x(t)表示发射信号；n(t)表示与信号无关的加性高斯白噪声，可忽略；h(t)表示室内无线光通信多径色散的影响可用脉冲响应；

室内无线光通信多径色散的影响可用脉冲响应h(t)进行描述如下：直射链路和反射链路，

$h\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{2t_0}{t^3{\sin }^2\left(FOV\right)}& t_0\≤t\≤\frac{t_0}{cos\left(FOV\right)}\\ 0& elsewhere\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，t₀表示最小时延，FOV(FieldofView)表示视场视角。

对于直射链路，发射的能量会集中成窄波束获得比较高的传输功率效率。发射机使用朗伯辐射模型，则信道脉冲响应为：

$h_{los}\left(t\right)=\frac{A_r(m+1)}{2{\mathrm{\πd}}^2}{\cos }^m\left(\mathrm{\φ}\right)T_s\left(\mathrm{\ψ}\right)g\left(\mathrm{\ψ}\right)cos\mathrm{\ψ}\mathrm{\σ}(t-\frac{d}{c})---\left(5\right)$

其中A_r是接收机的有效接收面积，ψ是入射光的角度，φ是发射光的角度。对于一个典型的VLC传输***，为了减小进入接收机的噪声，需要使用光滤波器滤除非目的区域的波长，其中T_s(ψ)表示光滤波器的增益；使用光集中器可以有效解决实际应用中接收器的有效面积不能无限增大的问题，其中g(ψ)是光集中器的增益，d是发射机与接收机的距离。m为朗伯模型的辐射指数，与LED光源的半功率角Φ_1/2有关，

$m=\frac{-ln\left(2\right)}{ln\left({\mathrm{cos\Φ}}_{1/2}\right)}---\left(6\right)$

对于反射链路，如果考虑一个房间里面的单独的光源S和接收机R，则脉冲响应h_nlos可以表示为，

$h_{nlos}={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{\mathrm{\∞}}{h}_{nlos}^{\left(k\right)}(t,S,R)---\left(7\right)$

其中表示经过k次光反射之后的脉冲响应，反射模型如图2所示，将反射面分成部分，每一个部分的面积为ΔA，经过一次反射之后的脉冲响应就可以表示为，

其中Φ_Sj是光源发射角，Ψ_Sj是光源和反射点的夹角，Ψ_Rj是光源与接收机的夹角。d_Sj是LED光源与反射点的距离，d_Rj是反射点与接收机的距离，反射系数一般取ρ＝0.8。

为了简化分析，只考虑反射一次的脉冲响应，因为二次反射之后的脉冲响应几乎可以忽略不计。

$h\left(t\right)=h_{los}\left(t\right)+h_{nlos}^{\left(1\right)}(t,S,R)---\left(9\right)$

基于图1所示的可见光多址接入***以及图2所示的可见光信道模型，对基于混沌序列的可见光通信***的误比特率性能、安全性能进行了分析，分别如图3、图4和图5所示。

图3给出了采用本发明方法的基于混沌序列的多址接入可见光通信***的符号误码率(SymbolErrorRate，SER)随SNR变化的性能曲线，并与单极性光正交码(OpticalOrthogonalCodes，OOC)充当扩频码的性能，以及传统的双极性正交序列M序列(MaximumLengthSequence)进行了对比。如图3所示，本发明提出的混沌序列(LogisticSequence)在可见光通信中充当扩频码的性能表现明显优于OOC的算法。当BER等于10^-4时混沌序列的信噪比增益比“S.-J.Bae,Y.-J.Hong,andK.-S.Lee,“Performanceofvlc-cdmacommunicationsystemusingled,”TheJournalofTheKoreaInstituteofIntelligentTransportSystems,vol.8,no.2,pp.83–90,2009.”提出的算法要高出大约3dB。

图4提给出了不同用户的符号误码率随SNR变化的性能曲线。扩频码使用的是128位的混沌序列(LogisticSequence)，从图中可以看到，当用户数量增多时误码率会随之升高，这是因为随着用户数的增加，用户间的干扰增强，从而导致***的误比特率性能下降。

最后，图5给出了CDMA-VLC***使用不同扩频码的安全性能的比较曲线，如图5所示，可见光通信***分别使用64位M序列和64位、128位混沌序列(Logisticsequence)的扩频码识别用户，从图中可以看出：

(1)合法接收用户可实现正常通信，而恶意窃听用户则不能获取用户信息。

由于合法接收用户在接收信号之前已知扩频码的产生方式，所以能够恢复已发送信息，实现信息的正常接收，而由于混沌序列对与初值极度敏感的特性，窃听用户即使窃取了部分扩频码的信息也不能精确恢复混沌序列的初始值。所以在混沌序列初始值相差10^-8的情况之下，窃听用户的接收数据误码率均接近0.5。

(2)基于M序列的可见光通信***无法保障用户接入的安全性。

从图中可以看到，由于M序列易于再生，恶意用户采用再生的M序列，即可恢复获取截获的传输信息。相反，基于本发明方案，混沌序列初始值相差10^-8时，恶意用户也无法恢复信息。因此，使用混沌序列能够显著增强可见光通信的安全性能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于混沌序列的码分多址接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.每个用户发送的信息比特经过载波调制，再分别与由混沌发生器产生的混沌扩频码进行扩频；

S2.采用传输过滤器对扩频后的信号进行过滤，将过滤后的信号进行叠加；

S3.将叠加后的信号通过LED端发射到VLC信道进行传输，对传输后的信号进行分离，再采用匹配滤波器进行滤波，最后解扩解调恢复得到每个用户的原始信息比特；

上述步骤S3中，解扩是采用是由步骤S1中混沌发生器产生的混沌扩频码进行解扩。

2.根据权利要求1所述的基于混沌序列的码分多址接入方法，其特征在于，所述步骤S2中对叠加后信号还需要采用直流偏置的方法使得双极性信号全部变成非负信号。

3.根据权利要求1所述的基于混沌序列的码分多址接入方法，其特征在于，通过VLC信道的信号功率P_r能表示为：

P_r＝[H_los(0)+H_nlos(0)]P_t(1)

其中H_los(0)和H_nlos(0)表示光信号直射和反射的传递函数，P_t表示平均传输光信号功率，由下式计算得到：

$P_t={\lim }_{T\→\mathrm{\∞}}\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^{T}x\left(t\right)dt---\left(2\right)$

式(2)中：***中发射信号波形x(t)为LED光源的瞬时光强度值，从式(2)中知，LED瞬时发射光功率不可能为负值，因此LED端输入信号波形应为非负。