[論文レビュー] Chaos-based spread-spectrum communication system

Christian Nwachioma|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2019

Chaos control and synchronization参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、安全で耐障害性の高い伝送を実現するため、適応制御を用いてマスタースレーブ型のカオス的送信機受信機ペアを同期させる、カオスベースの拡スペクトル通信システムを提案する。指数平滑化などの適応同期および信号回復技術を活用することで、ノイズの多いAWGNチャネルにおいても信頼性の高いビット回復が達成され、CFHSSは高ノイズ電力レベル下でも耐障害性を示す。

ABSTRACT

Adaptive control is a control method that has an adaptation mechanism that reacts to model uncertainties. The control method is used to realized synchronization of a new chaotic system in a unidirectional master-slave topology. The master chaotic system and the slave system are adopted as transmitter and receiver, respectively for the purpose of secure communications. Both analog and digital designs are realized. The digital system is a cycle and bit accurate design having a system rate of $450MHz$. The design is targeted at an Artix-7 Nexys 4 FPGA. The transmitters are accordingly modulated by analog signals and fixed-point signals of different resolutions, sampling and frequencies. Although the adaptive controller tends to react on introduction of a modulating signal, we show that with a special detection mechanism or filtering including exponential smoothing, the choice of which depends on the nature of the modulating signal, it is possible to recover the modulating signal at the receiver. Moreover, chaos-based spectrum-spectrum communication systems are realized based on adaptive synchronization of the new chaotic system. Furthermore, in order to ascertain the robustness of the adaptive controller, the modulated signal is transmitted via an awgn channel and the probability of error and bit-error-rate (BER) computed by sweeping across sets of SNR and noise power values in a Monte Carlo simulation. It turns out that the probabilities of error or error rates are reasonably low for effective communication through mediums with certain noise conditions. Hence, the adaptive controlled communication system can be robust.

研究の動機と目的

• 適応制御を用いてカオス的送信機と受信機システム間で安全かつ同期された通信を可能にすること。
• 適応制御が変調信号に反応することで生じる信号歪みの課題に対処すること。
• FPGA上に450MHzのカオスベースの拡スペクトルシステムのアナログおよびデジタル実装を設計・実装すること。
• さまざまなSNRおよびノイズ電力条件下でのモンテカルロシミュレーションを用いて、システムの耐障害性を評価すること。
• 現実のノイズ環境下において、カオスベース周波数ホッピング（CFHSS）および直接拡スペクトル拡散（CDSSS）の実現可能性を示すこと。

提案手法

• 適応制御が一方向のマスタースレーブ構成における新しいカオス的システムの同期に適用され、マスターが送信機、スレーブが受信機として機能する。
• システムは、固定小数点信号処理を用いた、450MHzのサイクル正確なデジタル設計をArtix-7 Nexys 4 FPGAに実装している。
• CFHSSでは、量子化されたカオス的信号に基づいて周波数合成器がホッピングキャリア周波数を生成し、modulo-m除算を用いて101の事前定義済み周波数チャンネル（58.6–200.0 MHz）にマッピングする。
• 帯域通過FM変調器および復調器のペアにより周波数ホッピング拡スペクトル伝送が実現され、ホッピングレートは45kHz（システムクロックの10,000分の1）に設定されている。
• 受信機では、同期されたカオス的信号を用いて復調器を同じホッピング周波数にロックすることで、整合性を確保する。
• ノイズの多い信号に対して指数平滑化（忘却係数を用いる）を適用することで、検出性能が向上し、特に高ノイズ条件下でもしきい値ベースの2値再生成が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 適応制御が変調信号に反応する傾向があるにもかかわらず、カオス的通信システムにおいて効果的に使用可能かどうか。
• RQ2 適応制御が変調信号に反応する場合、カオス的拡スペクトルシステムで信号回復をどのように達成できるか。
• RQ3 高電力AWGNチャネル条件下におけるカオスベース周波数ホッピング拡スペクトル（CFHSS）の性能はいかほどか。
• RQ4 指数平滑化がカオス的DSSSにおいて、ノイズ環境下での信号回復にどの程度寄与するか。
• RQ5 提案されたカオス的拡スペクトルシステムで信頼性の高い通信を確保するためのSNRおよびノイズ電力のしきい値は何か。

主な発見

• 適応制御はマスタースレーブ型カオス的システムの同期を成功裏に実現し、変調信号に反応する傾向があるにもかかわらず、信頼性の高い通信を可能にした。
• CFHSSは正しく周波数ホッピングを実行し、同期が確立された後、受信機で一致するチャンネルを達成した。
• 指数平滑化により、50 dB SNRおよび10 dBmのノイズ電力下でも、信号の特徴がノイズに埋もれても、変調信号の回復に成功した。
• システムはAWGNチャネルにおいて耐障害性を示し、SNRが一定のしきい値を超えると、低誤りビットレート（BER）および誤り確率が達成された。
• CDSSSの性能は、200 dB SNRおよび-130 dBmのノイズ電力下でも著しく低下し、ノイズに非常に敏感で、さらなる最適化なしでは実用的でないことが示された。
• パワー・スペクトル密度解析により、白色ガウスノイズの中でも明確に分離されたホッピング周波数が確認され、カイザー窓を用いた場合150 dBのサイド lob 削減が達成され、スペクトル拡散の妥当性が裏付けられた。