[논문 리뷰] Chaos-based spread-spectrum communication system

Christian Nwachioma|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 24.

Chaos control and synchronization참고 문헌 2인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 안정적인 전송을 위해 적응형 제어를 사용하여 마스터-슬레이브 혼돈 전송기-수신기 쌍을 동기화하는 혼돈 기반 확산 스펙트럼 통신 시스템을 제안한다. 적응형 동기화 및 지수 평활화와 같은 신호 복구 기법을 활용함으로써, 노이즈가 많은 AWGN 채널에서도 신뢰할 수 있는 비트 복구를 달성하며, CFHSS는 고노이즈 전력 수준에서도 강건성을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 적응형 제어를 통해 혼돈 전송기 및 수신기 시스템 간에 안전하고 동기화된 통신을 가능하게 하기.
• 적응형 제어가 변조 정보 신호에 반응함으로써 발생하는 신호 왜곡 문제를 해결하기.
• 450MHz 혼돈 기반 확산 스펙트럼 시스템의 아날로그 및 디지털 실현을 FPGA에 설계 및 구현하기.
• 다양한 SNR 및 노이즈 전력 수준을 가진 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 노이즈 조건 하에서의 시스템 강건성 평가하기.
• 실세계 노이즈 환경에서 혼돈 기반 주파수 허프링(CFHSS) 및 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(CDSSS)의 실현 가능성 입증하기.

제안 방법

• 단방향 마스터-슬레이브 구성에서 새로운 혼돈 시스템을 동기화하기 위해 적응형 제어를 적용하며, 마스터는 전송기로, 슬레이브는 수신기로 기능한다.
• 고정점 신호 처리를 사용한 450MHz 사이클 정밀도 디지털 설계를 Artix-7 Nexys 4 FPGA에 구현한다.
• CFHSS의 경우, 양자화된 혼돈 신호를 기반으로 주파수 합성기가 정의된 101개의 주파수 채널(58.6–200.0 MHz)에 매핑하기 위해 모듈로-m 나눗셈을 사용하여 주파수 이동 신호를 생성한다.
• 패스밴드 FM 변조기 및 복조기 조합을 통해 주파수 허프링 확산 스펙트럼 전송을 구현하며, 주파수 이동 속도는 45kHz로 시스템 클록보다 10,000배 느리다.
• 수신기에서 신호 복구는 동기화된 혼돈 신호를 사용해 복조기를 동일한 주파수로 잠그어 일관성을 확보한다.
• 노이즈가 많은 신호에서 탐지 성능을 향상시키고, 특히 고노이즈 조건에서 임계값 기반 이진 재생을 가능하게 하기 위해, 잊혀짐 요소를 적용한 지수 평활화를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적응형 제어가 변조 신호에 반응함으로써 전송 신호의 왜곡을 유발할 수 있는 혼돈 통신 시스템에서 효과적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 적응형 제어가 변조 신호에 반응함으로써 혼돈 기반 확산 스펙트럼 시스템에서 신호 복구는 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 고전력 AWGN 채널 조건에서 혼돈 기반 주파수 허프링 확산 스펙트럼(CFHSS)의 성능은 어떠한가?
• RQ4 혼돈 기반 DSSS에서 지수 평활화는 노이즈 환경에서 신호 복구에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 제안된 혼돈 기반 확산 스펙트럼 시스템에서 신뢰할 수 있는 통신을 보장하기 위한 SNR 및 노이즈 전력 임계값은 무엇인가?

주요 결과

• 적응형 제어기가 마스터-슬레이브 혼돈 시스템을 성공적으로 동기화하여, 변조 신호에 대한 반응성에도 불구하고 신뢰할 수 있는 통신을 가능하게 했다.
• CFHSS는 정확한 주파수 이동과 신호 복구를 달성했으며, 동기화가 확립된 후 수신기에서 채널이 일치함을 확인했다.
• 지수 평활화 덕분에, 50 dB SNR 및 10 dBm 노이즈 전력 조건에서도 신호 무결성이 소실된 상태에서도 변조 신호를 성공적으로 복구할 수 있었다.
• 시스템은 AWGN 채널에서 강건성을 보였으며, 일정 임계값을 초과한 SNR 조건에서 낮은 비트 오류율(BER)과 오류 확률을 기록했다.
• CDSSS 성능은 200 dB SNR 및 -130 dBm 노이즈 전력 조건에서도 심각하게 악화되어 노이즈에 매우 민감하고 추가 최적화 없이선 실용성이 떨어짐을 시사했다.
• 전력 스펙트럼 밀도 분석을 통해 흰색 가우시안 노이즈 속에서도 명확한 주파수 이동 주파수를 확인했으며, 카이저 윈도우를 사용해 150 dB의 사이브로드 감쇄를 달성하여 스펙트럼 확산의 타당성을 입증했다.