差分混沌通信研究綜述：信號(hào)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化

蔡相明 徐位凱 王 琳

(廈門大學(xué)信息學(xué)院 廈門 361005)

1 引言

作為一門跨學(xué)科的科學(xué)理論，混沌理論主要研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中看似隨機(jī)或不可預(yù)測(cè)行為的確定性規(guī)律[1]。20世紀(jì)80年代初，美國加州大學(xué)伯克利分校的蔡少棠教授[2]在訪問日本早稻田大學(xué)時(shí)利用非線性電子器件設(shè)計(jì)出具有復(fù)雜吸引子的簡(jiǎn)單混沌電路——“蔡氏電路”。20世紀(jì)90年代，美國研究者Pecora和Carroll[3]研究了混沌系統(tǒng)的同步現(xiàn)象，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)混沌系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)定響應(yīng)兩個(gè)子系統(tǒng)通過一個(gè)共同驅(qū)動(dòng)信號(hào)耦合時(shí)，這兩個(gè)子系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)同步?；煦珉娐泛突煦缤降难芯康於嘶煦缤ㄐ诺幕A(chǔ)，此后混沌通信吸引了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[4]。

早期的混沌通信主要應(yīng)用于保密通信場(chǎng)景，在需要傳輸?shù)恼Z音信號(hào)中加入類噪聲的混沌信號(hào)來掩蓋信息，從而實(shí)現(xiàn)混沌掩蓋和保密通信[5]。但是，混沌掩蓋要求傳輸信號(hào)的功率低于混沌信號(hào)，當(dāng)噪聲與傳輸混沌信號(hào)的功率級(jí)別相當(dāng)時(shí)，噪聲很容易破壞混沌信號(hào)，從而使混沌信號(hào)的檢測(cè)難度增大。在混沌系統(tǒng)中，當(dāng)前狀態(tài)的任意微小變化將導(dǎo)致系統(tǒng)未來行為的顯著不同，因此混沌系統(tǒng)具有初始條件敏感性[6]。此外，混沌信號(hào)還具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)性，因此其可作為偽隨機(jī)碼用于擴(kuò)頻通信[7]。

1993年，Dedieu等人[8]提出可以使用混沌信號(hào)作為載波來傳輸信息并設(shè)計(jì)了一種混沌移位鍵控(Chaos Shift Keying, CSK)系統(tǒng)。作為一種相干傳輸方案，CSK系統(tǒng)的性能與接收端混沌信號(hào)的同步質(zhì)量密切相關(guān)。為此，許多研究者致力于混沌同步的理論研究和方案設(shè)計(jì)[9]。但是，混沌系統(tǒng)從任意接近但不相同的兩個(gè)初始點(diǎn)出發(fā)，它們吸引子相空間的軌跡將迅速發(fā)散。因此，從嚴(yán)格意義上來說，完美的混沌同步是不可實(shí)現(xiàn)的，這嚴(yán)重制約了相干混沌通信系統(tǒng)的發(fā)展。

為了避免相干混沌通信所帶來的混沌同步問題，Kolumbán等人[10]提出了一種非相干的混沌通信系統(tǒng)—差分混沌移位鍵控(Differential Chaos Shift Keying, DCSK)。該系統(tǒng)具有傳輸參考(Transmitted Reference, TR)結(jié)構(gòu)，參考信號(hào)和信息承載信號(hào)分兩個(gè)不同時(shí)隙傳輸，接收機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)和該信號(hào)延時(shí)后的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)操作，從而實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度的非相干解調(diào)[11]。圖1給出了差分混沌通信形成的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)。現(xiàn)有研究表明，以DCSK系統(tǒng)為代表的非相干差分混沌通信系統(tǒng)在多徑衰落信道下具有良好的誤碼率(Bit Error Rate,BER)性能[12]，因此國內(nèi)外學(xué)者逐漸掀起了研究差分混沌通信的熱潮[13,14]。

近年來，大批研究者圍繞著差分混沌通信開展了一系列富有成效的研究，逐漸發(fā)展了差分混沌通信的信號(hào)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化方法，推動(dòng)了差分混沌通信應(yīng)用于下一代通信的不同場(chǎng)景。為此，本文將從差分混沌通信的信號(hào)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化角度出發(fā)，詳細(xì)總結(jié)差分混沌通信的研究進(jìn)展。

本文首先詳細(xì)介紹差分混沌移位鍵控系統(tǒng)的基本原理，其次分類概述差分混沌通信的不同信號(hào)設(shè)計(jì)方案，緊接著重點(diǎn)綜述差分混沌通信系統(tǒng)性能優(yōu)化的最新研究成果，最后對(duì)論文的主要內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。

2 差分混沌移位鍵控系統(tǒng)

從圖2可以看出，DCSK系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，僅由混沌信號(hào)發(fā)生器、延時(shí)器、乘法器、鍵控開關(guān)、相關(guān)器和判決器就能夠?qū)崿F(xiàn)DCSK系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)。DCSK系統(tǒng)的接收機(jī)采用非相干解調(diào)方式，因此避免了傳統(tǒng)相干解調(diào)方式的混沌同步所帶來的復(fù)雜度開銷。此外，DCSK系統(tǒng)將需要傳輸?shù)男畔U(kuò)展到寬頻帶上，其功率譜密度低于噪聲功率譜密度從而使調(diào)制信號(hào)被噪聲掩蓋，有效地提高了通信系統(tǒng)的安全性。更為重要的是，利用混沌信號(hào)的內(nèi)在特性、非相干的調(diào)制解調(diào)結(jié)構(gòu)和擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，DCSK系統(tǒng)在多徑衰落信道下并且不需要信道狀態(tài)信息(Channel State Information, CSI)就具有良好的誤碼率性能。因此，以DCSK系統(tǒng)為代表的差分混沌通信迅速吸引了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，差分混沌通信領(lǐng)域由此蓬勃發(fā)展。

3 差分混沌通信信號(hào)設(shè)計(jì)

差分混沌通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且在多徑信道下具有良好的誤碼率性能，但是該系統(tǒng)需要傳輸不承載任何信息的參考信號(hào)，因此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率、能量效率和頻譜效率較低。此外，DCSK系統(tǒng)的參考信號(hào)和信息承載信號(hào)分兩個(gè)不同時(shí)隙傳輸，導(dǎo)致該傳輸信號(hào)被截獲概率增大，從而降低了系統(tǒng)的安全性。為此，研究者圍繞著這些問題以差分混沌通信信號(hào)設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，開展了廣泛而深入的研究。本節(jié)將從信號(hào)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、正交多級(jí)信號(hào)設(shè)計(jì)、信號(hào)星座圖設(shè)計(jì)和多載波信號(hào)設(shè)計(jì)4個(gè)層面出發(fā)，總結(jié)具有代表性的差分混沌通信信號(hào)設(shè)計(jì)。圖3展示了差分混沌通信的不同信號(hào)設(shè)計(jì)方案，表1比較了差分混沌通信不同信號(hào)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

表1 差分混沌通信不同信號(hào)設(shè)計(jì)的對(duì)比

3.1 信號(hào)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過在參考信號(hào)后傳輸多個(gè)信息承載信號(hào)來提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，文獻(xiàn)[15]提出了一種增強(qiáng)型的DCSK(Enhanced DCSK, E-DCSK)系統(tǒng)。EDCSK系統(tǒng)的多個(gè)信息承載信號(hào)共享一個(gè)相同的參考信號(hào)，有效地提升了系統(tǒng)的能量效率。為了提高差分混沌通信系統(tǒng)的安全性，文獻(xiàn)[16]提出了一種基于混沌碼片置換的DCSK(Permutated DCSK,P-DCSK)系統(tǒng)。利用兩個(gè)不同DCSK信號(hào)幀的參考信號(hào)構(gòu)造傳輸兩個(gè)信息比特的信息承載信號(hào)，文獻(xiàn)[17]提出了一種高效率的DCSK(High-Efficiency DCSK, HE-DCSK)系統(tǒng)。但是，HE-DCSK系統(tǒng)的接收端需要更多延時(shí)器來解調(diào)信息比特，因此該系統(tǒng)以復(fù)雜度增加換取高效率傳輸。此外，文獻(xiàn)[18]提出了一種參考調(diào)制的DCSK(Reference-Modulated DCSK, RM-DCSK)系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)新的參考信號(hào)和信息承載信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳輸效率、復(fù)雜度和誤碼率性能之間的折中。

在超寬帶無線應(yīng)用場(chǎng)景中，DCSK系統(tǒng)需要延時(shí)器和開關(guān)鍵控來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，這些射頻延時(shí)線將帶來較大的系統(tǒng)復(fù)雜度開銷。為此，文獻(xiàn)[19]提出了一種相位分離的DCSK(Phase-Separated DCSK, PS-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用兩個(gè)相互正交的載波來分別傳輸參考信號(hào)和信息承載信號(hào)，從而避免引入射頻延時(shí)線而造成系統(tǒng)復(fù)雜度的增大。但是，PS-DCSK系統(tǒng)需要利用兩個(gè)子信道來傳輸參考信號(hào)和信息承載信號(hào)載波，此時(shí)子信道間的干擾將導(dǎo)致系統(tǒng)的誤碼率性能惡化。通過設(shè)計(jì)新的差分混沌通信系統(tǒng)的信號(hào)幀能夠?qū)崿F(xiàn)參考信號(hào)和信息承載信號(hào)在相同時(shí)隙中傳輸，文獻(xiàn)[20]提出了一種改進(jìn)型的DCSK(Improved DCSK, I-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用倒轉(zhuǎn)的參考信號(hào)來調(diào)制信息比特，隨后所獲得的調(diào)制信息承載信號(hào)和參考信號(hào)在相同時(shí)隙中疊加傳輸，從而提高系統(tǒng)的頻譜效率。此外，文獻(xiàn)[21]提出了一種短參考的DCSK(Short Reference DCSK, SR-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)縮短參考信號(hào)的長(zhǎng)度并在一個(gè)信息承載信號(hào)幀中傳輸多段相同的調(diào)制混沌信號(hào)來實(shí)現(xiàn)接收端的疊加平滑降噪，從而改善了系統(tǒng)的誤碼率性能。

3.2 正交多級(jí)信號(hào)設(shè)計(jì)

正交多級(jí)信號(hào)設(shè)計(jì)的主要思想是通過構(gòu)造相互正交的信息承載信號(hào)來實(shí)現(xiàn)與參考信號(hào)的正交疊加傳輸，從而達(dá)到提高系統(tǒng)頻譜效率的目的。早在2005年，Kis[22]在其博士學(xué)位論文中就提出了一種多級(jí)DCSK(Multi-Level DCSK, ML-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用沃爾什(Walsh)碼構(gòu)造多個(gè)正交基函數(shù)來實(shí)現(xiàn)信息承載信號(hào)的正交傳輸。受此啟發(fā)，文獻(xiàn)[23]提出了一種碼移的DCSK(Code-Shifted DCSK, CS-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Walsh碼的良好正交性將參考信號(hào)和信息承載信號(hào)疊加在相同時(shí)隙中傳輸，從而有效地提升了系統(tǒng)的頻譜效率。但是，CS-DCSK系統(tǒng)的一個(gè)傳輸符號(hào)周期內(nèi)只能傳輸一個(gè)信息比特，因此該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率較低。為此，文獻(xiàn)[24]提出了一般化的CS-DCSK(Generalized CS-DCSK, GCS-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過傳輸多個(gè)相互正交的信息承載信號(hào)來提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜效率。此外，文獻(xiàn)[25]提出了一種高速率的CS-DCSK(High-data-rate CSDCSK, HCS-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用混沌信號(hào)的低互相關(guān)性來實(shí)現(xiàn)參考信號(hào)和信息承載信號(hào)的疊加傳輸，從而提高系統(tǒng)的頻譜效率。

在差分混沌通信的正交多級(jí)信號(hào)設(shè)計(jì)方案中，當(dāng)正交信息承載信號(hào)的傳輸信號(hào)集增大時(shí)，差分混沌通信系統(tǒng)的誤碼率性能將惡化。為此，文獻(xiàn)[26]提出了一種多級(jí)碼移的DCSK(Multilevel CS-DCSK,MCS-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在接收端引入多個(gè)延時(shí)單元實(shí)現(xiàn)接收參考信號(hào)和信息承載信號(hào)的分段平均疊加，這種分段平均疊加操作從本質(zhì)上說是一種噪聲抑制策略[27]。此外，為了避免在相同時(shí)隙中傳輸多個(gè)信息承載信號(hào)而導(dǎo)致信號(hào)間的干擾增大，文獻(xiàn)[28]提出了一種正交多級(jí)的DCSK(Orthogonal Multilevel DCSK, OM-DCSK)系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)的正交多級(jí)信號(hào)設(shè)計(jì)方式，OM-DCSK系統(tǒng)利用傳輸?shù)男畔⒈忍貜恼恍盘?hào)集中只選取一個(gè)正交信號(hào)作為信息承載信號(hào)，從而提高了系統(tǒng)的誤碼率性能。

3.3 信號(hào)星座圖設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)二元星座差分混沌通信系統(tǒng)的信息承載信號(hào)只能傳輸一個(gè)信息比特，因此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率較低。文獻(xiàn)[29]提出了一種正交星座的差分混沌通信系統(tǒng)—正交混沌移位鍵控(Quadrature Chaos Shift Keying, QCSK)，該系統(tǒng)利用混沌信號(hào)及其希爾伯特變換來調(diào)制正交星座上的符號(hào)信息，從而使QCSK系統(tǒng)獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。文獻(xiàn)[30]將QCSK系統(tǒng)的二元正交星座推廣到一般化的多元星座上并提出了一種圓形星座的多元DCSK(M-ary DCSK, MDCSK)系統(tǒng)。隨后，文獻(xiàn)[31]利用不同階多項(xiàng)式和Remez算法分析了MDCSK系統(tǒng)在多徑衰落信道下誤碼率性能的閉合表達(dá)式。利用非均勻星座間隔的優(yōu)化方法，文獻(xiàn)[30]提出了一種多分辨率的MDCSK(Multi-Resolution MDCSK,MR-MDCSK)系統(tǒng)。MR-MDCSK系統(tǒng)通過對(duì)多元信號(hào)星座圖進(jìn)行非均勻間隔設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)傳輸符號(hào)中不同信息比特的不等差錯(cuò)保護(hù)。因此，MR-MDCSK系統(tǒng)可以為不同的傳輸比特提供不同的服務(wù)質(zhì)量。為了最大化MDCSK系統(tǒng)的頻譜效率，文獻(xiàn)[32]提出了一種自適應(yīng)的MR-MDCSK (Adaptive MR-MDCSK, AMR-MDCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于最大信噪比的信號(hào)星座參數(shù)搜索算法，以犧牲一定的誤碼率性能為代價(jià)來提升系統(tǒng)的頻譜效率。

在圓形星座的MDCSK系統(tǒng)中，隨著系統(tǒng)的調(diào)制階數(shù)增大，信號(hào)星座圖中星座點(diǎn)之間的距離將變小。此時(shí)，系統(tǒng)接收端對(duì)星座點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)判決的錯(cuò)誤概率增大，從而導(dǎo)致圓形星座MDCSK系統(tǒng)的誤碼率性能惡化。為此，文獻(xiàn)[33]提出了一種方形星座的MDCSK(Square MDCSK, S-MDCSK)，該系統(tǒng)相比于圓形星座的MDCSK系統(tǒng)能夠獲得更優(yōu)異的誤碼率性能和峰均功率比(Peak-to-Average-Power-Ratio, PAPR)性能。緊接著，文獻(xiàn)[34]提出了一種分級(jí)方形星座的MDCSK(Hierarchical S-MDCSK, H-S-MDCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分級(jí)的星座結(jié)構(gòu)為不同的信息比特提供不同的差錯(cuò)保護(hù)。值得注意的是，S-MDCSK系統(tǒng)需要CSI來實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的解調(diào)，這破壞了差分混沌通信系統(tǒng)非相干傳輸?shù)牡蛷?fù)雜度優(yōu)勢(shì)。此外，MDCSK和SMDCSK系統(tǒng)利用混沌信號(hào)及其希爾伯特變換來構(gòu)造多元星座，然而實(shí)現(xiàn)希爾伯特變換濾波器的復(fù)雜度較高，這將影響系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。

為了在保證差分混沌通信系統(tǒng)低復(fù)雜度的基礎(chǔ)上提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜效率，文獻(xiàn)[35]提出了一種多級(jí)碼移的多元DCSK(Multilevel Code-Shifted M-ary DCSK, MCS-MDCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Walsh碼構(gòu)造多元星座符號(hào)，其在相同數(shù)據(jù)傳輸速率情況下能獲得比GCS-DCSK和MCSDCSK系統(tǒng)更優(yōu)異的誤碼率性能。為了進(jìn)一步提高M(jìn)CS-MDCSK系統(tǒng)的誤碼率性能，文獻(xiàn)[36]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的智能檢測(cè)方法，該方法將擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)和解調(diào)聯(lián)合在一起，從而提高了系統(tǒng)的誤碼率性能。此外，文獻(xiàn)[37]提出了一種離散余弦擴(kuò)頻的多元DCSK(Discrete Cosine Spreading aided M-ary DCSK, DCS-MDCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用離散余弦擴(kuò)頻碼構(gòu)造多個(gè)相互正交的信息承載信號(hào)集。不同于傳統(tǒng)正交多級(jí)信號(hào)設(shè)計(jì)，DCSMDCSK系統(tǒng)的每個(gè)信息承載信號(hào)由多個(gè)相互正交的子信息承載信號(hào)相互疊加，有效地提升了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。針對(duì)電力線信道中異步米德爾頓(Middleton)第A類脈沖噪聲的影響，文獻(xiàn)[38]提出了一種重復(fù)分段的MDCSK(Replica Piecewise MDCSK, RP-MDCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用重復(fù)分段的信息承載信號(hào)來降低其受脈沖噪聲影響的概率。

3.4 多載波信號(hào)設(shè)計(jì)

信號(hào)設(shè)計(jì)采用多載波信息傳輸方式可以將串行傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行傳輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)流，此時(shí)這些低速信號(hào)的傳輸周期變長(zhǎng)。當(dāng)每個(gè)子載波的帶寬遠(yuǎn)小于相干帶寬時(shí)，多載波差分混沌通信系統(tǒng)在多徑衰落信道下具有良好的魯棒性。針對(duì)差分混沌通信系統(tǒng)的多載波信號(hào)設(shè)計(jì)，Kaddoum等人[39]率先提出了一種多載波DCSK(Multi-Carrier DCSK, MC-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將載波頻帶劃分為不同子頻帶用于傳輸參考信號(hào)和不同信息承載信號(hào)。但是，MC-DCSK系統(tǒng)的每個(gè)信息承載子載波只能傳輸一個(gè)信息比特，因此該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率較低。為此，文獻(xiàn)[40]提出了一種非相干的多載波CSK(Multi-Carrier CSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先利用格拉姆-斯密特(Gram-Schmidt, GS)算法將多個(gè)不相關(guān)的混沌信號(hào)正交化，隨后從這些正交的混沌信號(hào)中選擇一個(gè)信號(hào)用于調(diào)制信息比特，從而獲得信息承載信號(hào)。此外，經(jīng)典的多載波差分混沌通信系統(tǒng)利用不同頻帶傳輸參考信號(hào)和信息承載信號(hào)，因此系統(tǒng)的接收端需要采用匹配濾波器獲得相應(yīng)頻帶內(nèi)的信號(hào)。為了避免匹配濾波器所帶來的系統(tǒng)復(fù)雜度開銷，文獻(xiàn)[41]提出了一種正交頻分復(fù)用的DCSK(Orthogonal Frequency Division Multiplexing DCSK, OFDM-DCSK)系統(tǒng)。

一般來說，多載波差分混沌通信系統(tǒng)的PAPR比較大，這將使功率放大器工作在非線性區(qū)域而導(dǎo)致傳輸信號(hào)產(chǎn)生畸變，從而影響混沌通信系統(tǒng)的整體性能。為此，文獻(xiàn)[42]提出了一種多載波多元

DCSK(Multicarrier M-ary DCSK, MM-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用置換操作來增大相鄰子載波間的歐氏距離，從而降低系統(tǒng)的PAPR。此外，文獻(xiàn)[43]提出了一種載波干涉輔助的OFDM-DCSK(Carrier Interferometry aided OFDM-DCSK, CI-OFDMDCSK)系統(tǒng)來提高系統(tǒng)的PAPR性能。為了提高OFDM-DCSK系統(tǒng)的誤碼率性能，文獻(xiàn)[44]提出了一種基于長(zhǎng)短時(shí)記憶的OFDM-DCSK (Long Short-Term Memory based OFDM-DCSK, LSTMOFDM-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征提取能力來學(xué)習(xí)信號(hào)的傳輸模式，從而提高系統(tǒng)的誤碼率性能。針對(duì)OFDM-DCSK系統(tǒng)在多普勒頻偏場(chǎng)景下的誤碼率性能惡化問題，文獻(xiàn)[45]提出了一種具有抗時(shí)頻雙選擇性衰落的OFDM-CSDCSK系統(tǒng)。然而，OFDM-CS-DCSK系統(tǒng)的一個(gè)OFDM符號(hào)只傳輸一個(gè)CS-DCSK符號(hào)，因此該系統(tǒng)的子載波個(gè)數(shù)必須與擴(kuò)頻因子相同，這嚴(yán)重限制了系統(tǒng)的靈活性。為此，文獻(xiàn)[46]提出了一種適應(yīng)于水聲信道的多載波CS-DCSK(Multi-Carrier CSDCSK, MC-CS-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在OFDM符號(hào)方向上利用循環(huán)移位交織器降低OFDM符號(hào)之間的相關(guān)性，從而提高了系統(tǒng)的PAPR性能。

通過對(duì)通信的時(shí)頻資源進(jìn)行正交劃分可以產(chǎn)生不同的子信道，此時(shí)多個(gè)用戶復(fù)用這些通信資源能夠?qū)崿F(xiàn)多址(Multiple Access, MA)傳輸。例如，文獻(xiàn)[47]提出了一種模擬網(wǎng)絡(luò)編碼的多用戶MC-DCSK(Analog Network Coding Multi-User MC-DCSK,ANC-MU-MC-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在對(duì)某個(gè)用戶傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行解調(diào)前先將總的接收信號(hào)減去該用戶自身傳輸?shù)男盘?hào)，從而降低信號(hào)間干擾。此外，文獻(xiàn)[48]提出了一種多用戶的OFDM-DCSK(MUlti-User OFDM-DCSK, MU-OFDMDCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的每個(gè)用戶擁有一個(gè)專有子載波用于傳輸該用戶自己的參考信號(hào)，系統(tǒng)的其余子載波由所有用戶共享用于傳輸信息承載信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)多用戶以非正交擴(kuò)頻方式共享所有子載波資源，文獻(xiàn)[49]提出了一種稀疏碼擴(kuò)頻的MC-DCSK(Sparse Code Spreading MC-DCSK, SCS-MCDCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用非正交擴(kuò)頻和多維星座增益為用戶提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

近兩年來，研究者主要圍繞如何提高OFDMDCSK系統(tǒng)的安全性開展一系列深入的研究。例如，文獻(xiàn)[50]提出了一種基于OFDM的疊加混沌碼片位置移位鍵控(OFDM based Overlapped Chaotic Chip Position Shift Keying, OFDM-OCCPSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對(duì)混沌碼片進(jìn)行交替置換和疊加來提高系統(tǒng)的安全性。此外，文獻(xiàn)[51]提出了一種頻率跳變的OFDM-DCSK(Frequency-Hopping OFDMDCSK, FH-OFDM-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)發(fā)射機(jī)利用混沌跳變圖案來提高系統(tǒng)的安全性。在實(shí)際的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的基礎(chǔ)時(shí)鐘偏移將導(dǎo)致載波頻率偏移(Carrier Frequency Offset,CFO)。為了解決OFDM-DCSK系統(tǒng)中的CFO問題，文獻(xiàn)[52]提出了一種預(yù)編碼的OFDM-DCSK(Pre-Coding OFDM-DCSK, PC-OFDM-DCSK)系統(tǒng)。但是，該系統(tǒng)接收端需要對(duì)混沌掩蓋矩陣進(jìn)行同步操作，混沌同步實(shí)現(xiàn)硬件復(fù)雜度高且同步質(zhì)量將直接影響系統(tǒng)性能。為此，文獻(xiàn)[53]提出了一種基于OFDM的差分循環(huán)移位的DCSK(OFDM based Differential Cyclic-Shifted DCSK, OFDM-DCSDCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用混沌信號(hào)的循環(huán)移位來傳輸信息比特，這使相鄰子載波傳輸?shù)男盘?hào)彼此不相關(guān)，從而有效地提高了系統(tǒng)的安全性。

4 差分混沌通信性能優(yōu)化

隨著下一代通信數(shù)據(jù)流量的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，傳輸數(shù)據(jù)所需的能量資源和頻譜資源日益緊張。為此，如何在有限的資源下傳輸更多的數(shù)據(jù)信息并兼顧數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允茄芯咳藛T的關(guān)注重點(diǎn)。雖然差分混沌通信的信號(hào)設(shè)計(jì)在一定程度上可以提高系統(tǒng)的性能，但是其改善程度仍十分有限。因此，近幾年來許多研究者圍繞著噪聲抑制輔助性能優(yōu)化、索引調(diào)制(Index Modulation, IM)輔助性能優(yōu)化和混沌成形濾波輔助性能優(yōu)化等方面對(duì)差分混沌通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行深入的研究和優(yōu)化。本節(jié)將概述這些差分混沌通信系統(tǒng)性能優(yōu)化方法的基本思路和優(yōu)化效果。

4.1 噪聲抑制輔助性能優(yōu)化

早期的研究表明，通過評(píng)估接收信號(hào)和發(fā)射端的混沌信號(hào)之間的似然信息可以實(shí)現(xiàn)噪聲抑制[54]。一般來說，混沌通信系統(tǒng)的噪聲抑制效果與混沌通信的信號(hào)設(shè)計(jì)和混沌信號(hào)的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)密切相關(guān)。因此，當(dāng)混沌信號(hào)的動(dòng)力學(xué)特征在接收端已知時(shí)，通過利用代價(jià)函數(shù)優(yōu)化方法可以同時(shí)抑制噪聲對(duì)差分混沌通信系統(tǒng)參考信號(hào)和信息承載信號(hào)的影響[55]。此外，文獻(xiàn)[56]的研究結(jié)果表明，利用降噪技術(shù)實(shí)現(xiàn)低誤碼率傳輸需要滿足觀察信號(hào)具有較小方差。文獻(xiàn)[57]論證了分段線性混沌系統(tǒng)的無限個(gè)有限長(zhǎng)度軌跡可以劃分為可數(shù)個(gè)具有相同統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的軌跡集，并且這種劃分方式可以利用最大似然性準(zhǔn)則來實(shí)現(xiàn)不同混沌序列的降噪方案，該文獻(xiàn)還針對(duì)不同類型的1維分段線性馬爾可夫映射進(jìn)行了性能驗(yàn)證。為了改善差分混沌通信系統(tǒng)在低信噪比區(qū)域的誤碼率性能，文獻(xiàn)[58]利用參考信號(hào)和信息承載信號(hào)的相關(guān)性提出了一種噪聲抑制方案。

利用差分混沌通信系統(tǒng)傳輸?shù)娜哂嘈畔⒖梢詫?shí)現(xiàn)噪聲降低，文獻(xiàn)[59]提出了一種噪聲降低的DCSK(Noise Reduction aided DCSK, NR-DCSK)系統(tǒng)。NR-DCSK系統(tǒng)在接收端對(duì)接收的參考信號(hào)和信息承載信號(hào)進(jìn)行分段疊加平均，降低了接收信號(hào)中噪聲的功率，從而改善了系統(tǒng)的誤碼率性能。此外，文獻(xiàn)[60]提出了一種子載波分配的MC-DCSK(Subcarrier Allocation aided MC-DCSK, SA-MCDCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用冗余子載波傳輸更多的參考信號(hào)，該系統(tǒng)以犧牲能量效率為代價(jià)換取誤碼率性能的提升。從混沌信號(hào)發(fā)生器角度出發(fā)，文獻(xiàn)[61]提出了一種噪聲抑制輔助的DCSK(Noise Suppression aided DCSK, NS-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用緩存器存儲(chǔ)多個(gè)DCSK傳輸符號(hào)的參考信號(hào)，隨后對(duì)這些參考信號(hào)進(jìn)行疊加從而實(shí)現(xiàn)噪聲抑制。針對(duì)基于希爾伯特變換的多元DCSK系統(tǒng)的噪聲抑制問題，文獻(xiàn)[62]首先設(shè)計(jì)了一種噪聲凈化的離散哈特利變換的MDCSK(Noise Decontamination aided MDCSK with Discrete Hartley Transform,ND-MDCSK-DHT)系統(tǒng)，進(jìn)而以該系統(tǒng)為例提出了一種分而治之的噪聲抑制策略。該噪聲抑制方法首先利用多元DCSK接收端解調(diào)得到的信息比特產(chǎn)生再調(diào)制信號(hào)波形，從而估計(jì)出信道噪聲的強(qiáng)度，隨后利用迭代算法抑制多元DCSK系統(tǒng)參考信號(hào)的噪聲。

在多載波差分混沌通信系統(tǒng)中，多個(gè)信息承載信號(hào)通過與參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算從而實(shí)現(xiàn)非相干解調(diào)，此時(shí)參考信號(hào)中的噪聲將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的誤碼率性能。針對(duì)這一問題，文獻(xiàn)[63]提出了一般化迭代接收機(jī)的MC-DCSK(MC-DCSK with General Iterative, MC-DCSK-IR)系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用參考信號(hào)和信息承載信號(hào)之間的似然信息，通過將這些信息作為反饋系數(shù)不斷迭代更新參考信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)噪聲抑制。當(dāng)同時(shí)對(duì)參考信號(hào)和信息承載信號(hào)中的噪聲進(jìn)行抑制時(shí)，MC-DCSK系統(tǒng)的誤碼率性能將獲得大幅度的提升。因此，文獻(xiàn)[64]提出了一種噪聲抑制的多載波多元DCSK(Noise Suppression aided MC-MDCSK, NS-MC-MDCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠抑制參考信號(hào)和信息承載信號(hào)中的噪聲，還能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量效率的提升。此外，文獻(xiàn)[65]提出了一種矩陣低秩估計(jì)輔助的MC-DCSK (Low-Rank Approximation of Matrices aided MC-DCSK, LRAM-MC-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用MCDCSK參考信號(hào)和信息承載信號(hào)所構(gòu)成矩陣的低秩特點(diǎn)，采用奇異值分解(Singular Value Decomposition, SVD)和一般化的矩陣低秩估計(jì)(Low-Rank Approximation of Matrices, LRAM)方法來降低傳輸信號(hào)中的噪聲。針對(duì)OFDM-DCSK系統(tǒng)的誤碼率性能較差問題，文獻(xiàn)[66]提出了一種改進(jìn)型的OFDM-DCSK(Improved OFDM-DCSK, I-OFDM-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對(duì)接收到的時(shí)域數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行降維處理來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的噪聲降低。表2對(duì)比了不同噪聲抑制方案的基本原理、優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

表2 不同噪聲抑制方案的對(duì)比

4.2 索引調(diào)制輔助性能優(yōu)化

索引調(diào)制技術(shù)通過控制不同傳輸載體的狀態(tài)為數(shù)據(jù)傳輸提供額外的新維度，附加的信息比特利用信息傳輸載體的狀態(tài)索引隱式地傳輸，因此有效地提高了通信系統(tǒng)的能量效率[67]。圖4展示了不同域索引調(diào)制輔助差分混沌通信系統(tǒng)的性能優(yōu)化。在擴(kuò)頻系統(tǒng)選擇不同擴(kuò)頻碼的過程中，附加的信息比特可以由擴(kuò)頻碼索引傳輸，從而實(shí)現(xiàn)碼索引調(diào)制(Code Index Modulation, CIM)[68]。受此啟發(fā)，文獻(xiàn)[69]提出了一種碼索引調(diào)制輔助的CS-DCSK(CIM aided CS-DCSK, CIM-CS-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅通過CS-DCSK符號(hào)傳輸物理調(diào)制的信息比特，還利用Walsh碼索引來傳輸額外的信息比特，從而有效地提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，文獻(xiàn)[70]提出了一種基于碼索引調(diào)制的正交多級(jí)多元DCSK(CIM based Orthogonal Multilevel M-ary DCSK, CIM-OM-MDCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多元DCSK系統(tǒng)的碼索引調(diào)制，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率，文獻(xiàn)[71]提出了一種碼索引調(diào)制的MC-MDCSK (CIM aided MC-MDCSK, CIM-MC-MDCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用碼索引調(diào)制為多個(gè)參考信號(hào)選擇極化系數(shù)，此時(shí)附加的信息比特通過碼索引傳輸。隨后，文獻(xiàn)[72]研究了CIM-MC-MDCSK系統(tǒng)在電子醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的應(yīng)用。

傳統(tǒng)DCSK系統(tǒng)需要傳輸參考信號(hào)來實(shí)現(xiàn)接收端的非相干解調(diào)，這將導(dǎo)致系統(tǒng)的安全性減弱。為此，文獻(xiàn)[73]提出了一種置換索引的DCSK(Permutation Index aided DCSK, PI-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用混沌碼索引調(diào)制來同時(shí)提高系統(tǒng)的安全性和數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，文獻(xiàn)[74]進(jìn)一步提出了一種具有差分信息傳輸結(jié)構(gòu)的PI-DCSK(Differential PI-DCSK, DPI-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有更優(yōu)異的抗多徑衰落性能。為了避免DCSK系統(tǒng)傳輸參考信號(hào)而導(dǎo)致能量效率不高，文獻(xiàn)[75]提出了一種3維碼移的DCSK(Trinal-Code Shifted DCSK, TCSDCSK )系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用3維的碼索引調(diào)制來傳輸索引比特，從而避免了系統(tǒng)傳輸參考信號(hào)。文獻(xiàn)[76]提出了一種基于離散W變換鍵控的MDCSK(Discrete W Transform based Index-Keying MDCSK,DWT-IK-MDCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用碼域的索引調(diào)制來選擇離散W碼，從而提高信息傳輸速率。

載波索引的DCSK(Carrier Index DCSK, CIDCSK)系統(tǒng)利用信息承載信號(hào)的子載波索引來傳輸額外的信息比特[77]。載波索引傳輸?shù)男畔⒈忍厥峭ㄟ^子載波的激活與靜默狀態(tài)來傳輸?shù)模浔旧聿⒉幌哪芰?，因此CI-DCSK系統(tǒng)的能量效率較高。隨后，文獻(xiàn)[78]將CI-DCSK系統(tǒng)擴(kuò)展到一般化的多元星座并提出了一種多元CI-DCSK(Carrier Index MDCSK, CI-MDCSK)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的能量效率。但是，CI-DCSK和CI-MDCSK系統(tǒng)僅有一部分子載波被激活，大量子載波處于閑置狀態(tài)，導(dǎo)致該系統(tǒng)的頻譜效率不高。為此，文獻(xiàn)[79]提出了一種高數(shù)據(jù)傳輸速率的CI-DCSK(High-Data-Rate CI-DCSK, HDR-CI-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Walsh碼的正交性實(shí)現(xiàn)頻譜資源的復(fù)用，從而大幅地提高了系統(tǒng)的頻譜效率。此外，文獻(xiàn)[80]提出了全映射的一般化載波索引的雙模DCSK(General Carrier Index aided Dual-Mode DCSK with Full Mapping, GCI-DM-DCSK-FM)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用一般化索引調(diào)制實(shí)現(xiàn)不同載波傳輸不同模式的信號(hào)，從而提高了系統(tǒng)的頻譜效率。GCIDM-DCSK系統(tǒng)還利用全映射方法解決了索引調(diào)制中部分載波激活模式未被利用的問題，有效地提高了系統(tǒng)的誤碼率性能。此外，文獻(xiàn)[81]提出了一種混合索引調(diào)制的MC-DCSK(Hybrid Index Modulation aided MC-DCSK, HIM-MC-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用子載波數(shù)目索引調(diào)制和子載波索引調(diào)制的優(yōu)勢(shì)有效地提升了系統(tǒng)的頻譜效率和誤碼率性能。

雖然頻域的載波索引調(diào)制可以提高系統(tǒng)的誤碼率性能，但是僅有部分子載波處于激活狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)不能充分利用頻域資源。為此，文獻(xiàn)[82]提出了一種索引調(diào)制的多載波多元正交矢量移位鍵控(Multicarrier M-ary Orthogonal Chaotic Vector Shift Keying with IM, MC-MOCVSK-IM)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用全新的參考域索引，因此系統(tǒng)的所有子載波都被用于傳輸信息比特，大幅度地提升了系統(tǒng)的頻譜效率。為滿足不同用戶的服務(wù)質(zhì)量需求，文獻(xiàn)[83]提出了一種高能量效率的并行級(jí)聯(lián)索引調(diào)制的多元OFDM-DCSK(Parallel Concatenated Index Modulation aided OFDM-MDCSK, PC-IMOFDM-MDCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用載波干涉碼矩陣的索引來傳輸額外的信息比特。通過利用傳輸信號(hào)的空時(shí)碼塊索引來傳輸附加信息比特，文獻(xiàn)[84]提出了一種傳輸分集的DCSK(Transmit Diversity aided DCSK, TD-DCSK)系統(tǒng)。不同于序列形式的索引，TD-DCSK系統(tǒng)是利用空時(shí)碼矩陣的索引來傳輸額外的信息比特。此外，該系統(tǒng)的每個(gè)傳輸時(shí)隙僅有一個(gè)天線激活，此時(shí)發(fā)射端僅需要一個(gè)射頻鏈路，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

傳統(tǒng)差分混沌通信系統(tǒng)的星座優(yōu)化使系統(tǒng)誤碼率性能隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的增大而惡化，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸速率越大時(shí)信號(hào)星座點(diǎn)越密集，因此接收端信號(hào)解調(diào)的判決錯(cuò)誤概率增大。針對(duì)這個(gè)問題，文獻(xiàn)[85]提出了一種脈沖位置調(diào)制的DCSK(Pulse Position Modulation aided DCSK, PPM-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)本質(zhì)上是利用時(shí)隙索引來傳輸附加的索引比特，從而避免了數(shù)據(jù)傳輸速率增大而導(dǎo)致誤碼率性能的惡化。此外，文獻(xiàn)[86]提出了索引調(diào)制的MDCSK(IM aided MDCSK, IM-MDCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以選擇多個(gè)激活時(shí)隙來傳輸多元信息承載信號(hào)，因此進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于PPM-DCSK和IM-MDCSK系統(tǒng)的每個(gè)信息承載信號(hào)中只有一個(gè)或若干個(gè)激活時(shí)隙用于傳輸信息比特，其余時(shí)隙保持靜默而不傳輸任何的信息比特，因此系統(tǒng)的頻譜效率不高。為此，文獻(xiàn)[87]提出了一種索引調(diào)制的雙模DCSK(Dual-Mode DCSK with IM, DM-DCSK-IM)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的所有信息承載信號(hào)時(shí)隙都用于傳輸物理調(diào)制比特，附加的索引比特利用不同模式信號(hào)的索引來傳輸。

聯(lián)合不同域的索引調(diào)制能夠進(jìn)一步提高差分混沌通信系統(tǒng)的性能，文獻(xiàn)[88]提出了一種聯(lián)合載波和擴(kuò)頻碼索引調(diào)制的多元DCSK(Joint Carrier-Code Index Modulation aided MDCSK, JCCIMMDCSK)系統(tǒng)。針對(duì)系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)傳輸速率需求，文獻(xiàn)[89]提出了一種聯(lián)合時(shí)頻索引調(diào)制的多模DCSK(Joint Time-Frequency IM aided Multiple-Mode DCSK, JTFIM-MM-DCSK)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的相干OFDM系統(tǒng)在水聲信道下需要發(fā)送導(dǎo)頻序列用于信道估計(jì)，時(shí)變水聲信道將導(dǎo)致系統(tǒng)的信道估計(jì)和導(dǎo)頻開銷過大。為此，文獻(xiàn)[90]提出了一種適應(yīng)水聲信道的聯(lián)合能量和相關(guān)檢測(cè)輔助的OFDM-DCSK(Joint Energy and Correlation Detection aided OFDM-DCSK, JECD-OFDM-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)參考信號(hào)和信息承載信號(hào)疊加在相同時(shí)隙中傳輸，從而表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗多普勒頻偏能力。此外，JECD-OFDM-DCSK系統(tǒng)利用載波索引和碼索引兩個(gè)維度來傳輸附加的信息比特，有效地提高了系統(tǒng)的信息傳輸速率。

4.3 混沌成形濾波輔助性能優(yōu)化

混沌信號(hào)具有非周期性和類噪聲特性，因此簡(jiǎn)單的匹配濾波器并不適用于混沌通信系統(tǒng)。為此，文獻(xiàn)[91]首先定義了一個(gè)混合動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)并給出其基礎(chǔ)解析表達(dá)式，隨后利用所獲得的表達(dá)式提出了一種混沌匹配濾波器。文獻(xiàn)[92]提出了一種新的混沌無線通信系統(tǒng)(Chaos-based Wireless Communication System, CWCS)，該系統(tǒng)利用混沌成型濾波器(Chaotic Shaping-forming Filter, CSF)對(duì)混沌波形進(jìn)行信息編碼并在接收端進(jìn)行相應(yīng)的混沌匹配濾波，從而實(shí)現(xiàn)適應(yīng)于窄帶信道的混沌通信。隨后，文獻(xiàn)[93]采用射頻無線通信硬件測(cè)試平臺(tái)進(jìn)一步驗(yàn)證了CWCS系統(tǒng)在實(shí)際通信場(chǎng)景中的性能?；煦绯尚蜑V波器和相應(yīng)的匹配濾波器雖然能夠?qū)崿F(xiàn)信息傳輸和最大化信噪比，但是該方案在衰落信道下的誤碼率性能取決于最佳判決門限[94]。最佳判決門限與信道參數(shù)和未來傳輸?shù)男畔⒎?hào)密切相關(guān)，因此需要信道均衡來估計(jì)接收端的判決門限。為了進(jìn)一步提高CWCS的誤碼率性能，文獻(xiàn)[95]提出了一種回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)(Echo State Network, ESN)來估計(jì)CWCS接收端匹配濾波后下一時(shí)刻的符號(hào)間干擾，從而獲得接收信號(hào)檢測(cè)的最佳判決門限。此外，文獻(xiàn)[96]提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的CWCS，該系統(tǒng)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來獲得接收信號(hào)的最佳判決門限，從而有效地提高了系統(tǒng)的誤碼率性能。

為了避免CWCS中信道均衡所帶來的復(fù)雜度開銷，文獻(xiàn)[97]提出了一種基于混沌成型濾波器的PS-DCSK(CSF-based PS-DCSK, CSF-PS-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先利用低優(yōu)先級(jí)的信息比特來調(diào)控參考混沌信號(hào)的波形，隨后將所獲得的混沌波形作為參考信號(hào)并用于調(diào)制高優(yōu)先級(jí)的信息比特，從而獲得信息承載信號(hào)。該系統(tǒng)解調(diào)時(shí)采用的混沌匹配濾波器能夠最大化接收信號(hào)的信噪比，從而提高系統(tǒng)的誤碼率性能。針對(duì)CSF-PS-DCSK系統(tǒng)的誤碼率性能較差問題，文獻(xiàn)[98]提出了一種新型混沌成形濾波的多元DCSK(CSF aided M-ary DCSK, CSFM-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅利用混沌成型濾波器傳輸?shù)蛢?yōu)先度的信息比特，還利用Walsh碼索引傳輸高優(yōu)先度的信息比特。為了進(jìn)一步提高混沌濾波輔助的差分混沌通信系統(tǒng)的誤碼率性能和數(shù)據(jù)傳輸速率，文獻(xiàn)[99]提出了一種基于互相校驗(yàn)和混沌成型濾波的正交多載波DCSK(Cross Correction and CSF aided Quadrature MC-DCSK, CC-CSFQMC-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅通過QMC-DCSK的信息承載信號(hào)傳輸信息比特，還通過對(duì)混沌信號(hào)本身進(jìn)行編碼來傳輸額外的信息比特。CC-CSFQMC-DCSK系統(tǒng)通過利用互相校驗(yàn)技術(shù)來降低參考信號(hào)中的噪聲，從而提高系統(tǒng)的誤碼率性能。此外，文獻(xiàn)[100]提出了一種基于混沌成型濾波器和序列映射器的DCSK(Chaotic Shape-Forming and Sequence Mapping DCSK, CSF-SM-DCSK)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過序列映射來實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)中冗余信息的再利用，從而實(shí)現(xiàn)噪聲的抑制和誤碼率性能的提高。

5 結(jié)束語

差分混沌通信系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且在多徑信道下具有良好的誤碼率性能而吸引國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。但是，傳統(tǒng)差分混沌通信系統(tǒng)的傳輸參考結(jié)構(gòu)導(dǎo)致系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率、能量效率、頻譜效率和誤碼率性能降低等問題。為此，研究者針對(duì)這些問題提出了一系列差分混沌通信系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)方案并利用噪聲抑制、索引調(diào)制和混沌成形濾波等方法來優(yōu)化系統(tǒng)的性能。本文詳細(xì)總結(jié)和綜述了差分混沌通信信號(hào)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化的研究進(jìn)展。相信通過本文的研究綜述能夠吸引學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)差分混沌通信的研究興趣，從而推動(dòng)差分混沌通信的發(fā)展。