实验元组在扩频通信中的应用(王慧).doc

实验 三元组扩频码构造及其在扩频通信中的应用 1 实验目的 扩频通信不仅具有较高的传输速率，而且其传输的可靠性和安全性能得到较大改善。近年来，已有学者探讨信号调制方式、扩频增益、干扰方式，以及信噪比等对扩频通信误码率的影响，并将误码率作为刻画扩频通信的重要指标，以此解决了信道干扰、多径信号引起的衰落，以及通信安全等重要问题。但是扩频通信还存在一些问题，如信号由于设备之间的串扰，使得通信系统的效率降低且可靠性变差，影响通信系统的质量。为了解决上述扩频通信中存在的问题，曾提出过许多种扩频码实现直扩通信，但不同的扩频码序列性能差异较为显著，所以寻找适合扩频通信的扩频码成为热点。 常用的扩频码有线性反馈移位寄存器序列、混沌序列和同余序列，均属于伪随机序列。传统的扩频序列是m序列和gold序列，均属于线性反馈移位寄存器序列。虽然理论简单且完善, 但是其具有周期性且数量有限, 不能满足大规模通信系统的要求。由于Logistic、Chebyshev等混沌序列的初值敏感性和强随机性, 也适用于扩频通信。然而由于计算机的计算精度限制, 在实际计算中需截取一定长度，会导致混沌序列出现周期性。同余序列也是经常被使用的一种随机序列，有线性同余模型、逆同余模型等。但是同混沌序列一样，具有随机性的只有初值，算法不具有随机性，即初值固定了，序列就固定了。以上序列并不能真正更靠近白噪声的随机特性，不适合做扩频序列。所以我们需要寻找一种新的扩频码，保证扩频通信的可靠性和保密性。 加而三元组随机序列由真随机熵源提供初始值，以多轮重构技术构造背景，通过周期性变轨、控制空间映射和约束判断等离散轨迹变换得到的。其是建立在真随机熵源的基础上，具有更强的不可预测性和未知性，即更大的随机性。目前已将三元组扩频码应用于加密系统中，并取得了专利，在文件加密、ftp加密传输和图像密等方面都得到了实际的应用。现今，需要对现有三元组随机序列产生原理进行适当改进，以得到一种新颖、有实际应用价值的高性能扩频码，可以抵抗强干扰和满足多用户扩频通信需要。 2 实验原理 2.1扩频通信系统原理 扩频系统的扩频运算是通过伪随机码或伪随机序列(扩频函数)来实现的. 从理论上来讲, 用纯随机序列来扩展信号的频谱是最理想的, 但是接收端必须复制同一个随机序列. 由于随机序列的不可复制性, 因此在工程中无法使用纯随机序列, 而改为采用伪随机序列. 在扩频系统的实际运用中, 一般采用易于产生、随机性强、有尽可能长的周期和良好自相关函数、互相关特性的随机序列. 常用的伪随机序列有线性反馈移位寄存器序列、混沌序列和同余序列. (a) 发射系统 (b) 接收系统 图1 扩频通信物理模型 2.2三元组随机数序列的产生原理： 三元组随机数将传统的二元结构KS=(m, IV)扩展, 扩展为由生成算法、初值和背景空间构成的三元结构KS=(m, IV, Key), 使每次使用都会产生不同的序列. 2.2.1 重构背景信息 Key=(GI, M, L, D)为用户选择的秘钥空间. 用重构初始位置M(mi∈Z+)、重构长度L(li∈Z+)对用户选择的广义信息GI (记为PB0)经过S轮重构生成PBS, 即BG(背景). 计数器向量c(c0,c1,…, c255)中ck是记录每次重构过程中编码k∈{0,1,…,255}(k是8位的二进制数)出现的次数. j是每轮重构的长度, 所以每轮重构前ck、j要初始化为零. 为使生成的数据空间具有较好的统计分布特性, 设置约束参数q (默认值为10), 而使PBi中所有字节编码的出现次数相当. q越小, PBi中编码分布越均匀, 约束条件越强. 重构生成PBi的产生过程: 图2 重构的示意图 2.2.2 三元组随机数序列生成过程IV=(t, v, u)为初始随机动态因子. t、v统随机数, u为用户输入的初始个性化信息. 可见, 每次生成的不重复随机的初始点由IV决定, 也是每次生成不同三元组随机序列的关键决定因素. 轨迹变换参数D(d0,d1,…, dm-1)构造地址映射函数, 定义了逻辑地址的最大值. 设每次析出w bit数据, 则Ck是计数器向量C(C0, C1,…,)中记录生成随机数序列过程中编码k∈{0,1,…,2w-1}出现的次数, 即C要初始化为零向量. 设置轨迹变换参数q (默认值为10), 利用C与q的比较, 保证随机数具有优良的平衡度. 生成三元组随机数的过程: 图3 生成三元组随机数的算法 2.3 三元组扩频码 通过两种方案对三元组随机序列进行改进, 使三元组随机数序列具有更好的自相关和互相关等随机统计特性, 满足扩频通信的使用, 并使三元组扩频码适用于不同的使用环境. 方案一: 将三元组随机数序列KS经过均匀映射, 变为同态三元组扩频码K