基于混沌的非连续频谱高速信道传输及性能研究

The limited and scarce radio frequency resources have become the bottleneck for high data rate transmission. The cognitive radio technology can be applied to intelligently sense and identify the available spectrum bands, which can generate the non-contiguous spectrum bands logically wide enough to realize high data rate transmission. Due to broadcast property of the wireless channel, the cognitive radio network is still under the threat of eavesdropping and attack from the malicious users. The chaotic signal can effectively improve the security performance thanks to the physical property. However, in order to realize high data rate and high security information transmission based on chaos and non-contiguous spectrum bands, we still need to solve the problems that how to maintain the chaotic property of the transmission waveform over the non-contiguous spectrum bands and how to efficiently transmit the reference chaotic signal and perform the available spectrum bands detection. Hence, based on chaos, we will do research on the new channel transmission technology to realize high data rate as well as high security transmission over non-contiguous spectrum bands, and analyze the corresponding theoretical performance. Specifically, the proposed research plan includes: (1) we will do research on the high data rate chaotic multicarrier transmission over the non-contiguous spectrum bands, and then we will develop the joint design of non-contiguous subcarrier transmission and the non-coherent high order chaotic modulation; (2) we will do research on the non-contiguous spectrum band detection method and the high code rate secrecy coding schemes; (3) we will derive the theoretical performance including the bit error rate and secrecy capacity etc., then we will build up the prototype system based on universal software radio peripheral (USRP) to verify the system performance. The research results based on chaos achieved in this proposal can be used to utilize non-contiguous spectrum bands to realize the high data rate and high security information transmission, and also can be used for the system performance evaluation, thereby providing the theoretical basis for the application of high data rate transmission.

无线电频谱资源有限且日益紧缺，已成为高速数据传输的瓶颈。应用认知无线电技术，能智能识别、获取可用频带，从逻辑上产生足够宽的非连续频段实现高速数据传输。由于无线信道具有广播特性，认知网络仍易于遭受恶意窃取和攻击。混沌信号的物理特性使其能有效提高安全性能。然而，基于混沌及非连续频谱，实现高速、高安全性数据传输仍需解决如何使非连续频谱的传输波形呈混沌特性、高效传输参考混沌信号和可用频谱图样的问题。为此，我们将基于混沌，研究非连续频谱上的高速、高安全性信道传输新技术及理论性能，具体包括：（1）研究非连续频谱混沌多载波高速传输，并联合设计非相干高阶混沌调制方案；（2）研究非连续频谱图样检测方法及高码速LDPC混沌安全编码；（3）推导误比特率及保密容量等理论性能，并基于USRP构建原型系统加以验证。本课题的研究成果可用于非连续频谱上实现高速、高安全性混沌信息传输并可评估性能，从而为其应用提供理论基础。

应用动态频谱检测与感知技术，从逻辑上能获得足够宽的非连续频段，解决无线电频谱资源有限且日益紧缺的问题。然而，无线信道具有广播特性，信息传输易于遭受恶意窃取和攻击。..在此背景下，本项目借助于混沌序列的初始值敏感性、非周期性等天然高安全特性，对高速、高安全性、高可靠性、高鲁棒性混沌信息传输技术进行了研究，并基于通用软件无线电平台，搭建了非连续频段高速高安全性多载波混沌传输系统演示平台。以本基金资助号61602531为第一标注、项目负责人为第一作者或通信作者，发表论文35篇，其中录用及发表IEEE TCOM/TVT/TCAS/TCCN/ACCESS/CL等SCI索引期刊论文16篇，在ICC等EI索引国际会议发表会议论文19篇，申请专利10项，指导硕士研究生6名。其中，2019年发表于ICC会议的论文获得最佳论文奖提名。..与申请书吻合，主要研究内容及研究结果包括：.1、.非连续频段上的混沌多载波高速传输技术研究.基于非连续频段，探究了高阶差分混沌调制技术以及噪声抑制混沌序列发生器，提高了传输速率和可靠性。更进一步，结合正交频分复用技术，探究了相位噪声以及载频偏移对性能的影响，并设计了峰均功率比抑制方案，提高了可靠性能。进而，设计提出了迭代接收机以及混叠差分混沌调制技术，增强了可靠性能与安全性能。.2、.高可靠性非连续频谱检测方法.基于Polar编码的思想，设计了区分优先级的频谱检测报告方案，并通过基于混沌序列的串扰方法，增强了频谱检测结果的安全性能。此外，探究了利用具有更多带宽的可见光波段传输信息的传输方案与资源分配方案，并对其性能进行了分析。.3、.理论误比特率以及保密容量等理论性能分析.对于所提出的多种混沌传输方案，推导和计算了理论误比特率性能，并分析了保密容量、信息泄露率以及频域信号特性等。.4、.基于通用软件无线电平台的原型系统搭建及性能验证.对应于多载波混沌传输方案，搭建并实现了非连续频谱检测以及多载波混沌传输系统性能验证平台，并提供了测试报告。..本项目为解决无线信道因广播特性而引起的信号传输安全问题提供了混沌传输设计方案，成果可进一步拓展应用于高安全性物联网、天基系统以及移动通信网络。..本项目发表论文的质量、取得的结果以及成果转化情况优秀，因此本项目申请结题评价为优秀。