本發(fā)明涉及無(wú)線通信、特種通信，特別涉及一種基于混沌序列的地聲信號(hào)遠(yuǎn)距離通信方法和系統(tǒng)，用于地下淺層應(yīng)用場(chǎng)景下。

背景技術(shù)：

1、礦產(chǎn)資源是國(guó)家工業(yè)發(fā)展的基石，隨著需求的不斷增長(zhǎng)，地下礦井作為礦產(chǎn)資源的主要開(kāi)采地，其安全性問(wèn)題日益凸顯。地下礦井作業(yè)環(huán)境復(fù)雜且多變，地質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，常伴隨斷層、陷落等地質(zhì)隱患，這些因素使得礦山事故頻發(fā)。這些事故不僅帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更嚴(yán)重威脅到礦工的生命安全。在礦山災(zāi)害發(fā)生時(shí)，現(xiàn)有的通信信道往往遭到破壞，導(dǎo)致井下礦工無(wú)法及時(shí)了解事故情況，被困后也難以與地面取得聯(lián)系。因此，確保重要信息的及時(shí)傳輸對(duì)于礦井救援至關(guān)重要。傳統(tǒng)的電磁波傳輸方法由于地下介質(zhì)的復(fù)雜性、多徑效應(yīng)和電磁干擾等問(wèn)題，其適用性受到限制。地聲信號(hào)因其衰減速度慢、傳播距離遠(yuǎn)和透射性好的特點(diǎn)，逐漸被引入到地質(zhì)災(zāi)害的礦難救援過(guò)程中。

2、礦井救援過(guò)程中低誤碼率、低失真的傳輸信息至關(guān)重要。但現(xiàn)有技術(shù)主要存在以下問(wèn)題：

3、(1)誤碼率高。地下復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和多徑傳播效應(yīng)，以及噪聲和干擾的存在，導(dǎo)致通信中的高誤碼率。通信信號(hào)經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離的傳播之后衰減嚴(yán)重,進(jìn)而導(dǎo)致誤碼率提高以至無(wú)法正常通信?，F(xiàn)有解決方案通常采用糾錯(cuò)編碼等技術(shù)來(lái)增加冗余數(shù)據(jù)，以檢測(cè)并修復(fù)部分錯(cuò)誤，但這會(huì)顯著降低傳輸效率。尤其在高誤碼率環(huán)境下，糾錯(cuò)能力有限，難以保證通信的可靠性。

4、(2)傳輸速率低。受限于帶寬，地聲信號(hào)在地下傳播時(shí)的衰減和干擾，以及調(diào)制解調(diào)技術(shù)的瓶頸，傳輸速率較低。為提高傳輸速率，通常會(huì)采用更高效的調(diào)制技術(shù)，如正交幅度調(diào)制或者利用mimo技術(shù)，通過(guò)增加信號(hào)的抗干擾能力和提高信道容量來(lái)實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。然而，其性能在低信噪比環(huán)境下會(huì)下降；mimo技術(shù)需要復(fù)雜的信號(hào)處理和多個(gè)天線，這在地下環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中礦井救援過(guò)程中存在的誤碼率高和傳輸速率低的問(wèn)題，提出了一種基于混沌序列的地聲信號(hào)遠(yuǎn)距離通信方法和系統(tǒng)。

2、本發(fā)明的第一方面在于提供一種基于混沌序列的地聲信號(hào)遠(yuǎn)距離通信方法，包括：

3、s1，進(jìn)行混沌序列編碼從而獲得循環(huán)移位編碼信號(hào)；

4、s2，對(duì)所述循環(huán)移位編碼信號(hào)進(jìn)行解碼后從而獲得原始的信息序列；

5、s3，基于確定獲得所有原始的信息序列，完成所述地聲信號(hào)遠(yuǎn)距離通信。

6、優(yōu)選的，所述s1包括：

7、s11，基于logistic混沌映射方程和初始條件在本地生成具有高度復(fù)雜性和隨機(jī)性的混沌序列并基于概率密度函數(shù)將所述混沌序列的均值調(diào)整為0；

8、s12，基于相位調(diào)制的方式對(duì)所述混沌序列進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生具有顯著自相關(guān)峰且對(duì)初始值極為敏感的地聲混沌序列，以適應(yīng)地聲信號(hào)的傳播特性；

9、s13，將所述地聲混沌序列進(jìn)行二值化；

10、s14，基于所述數(shù)字二進(jìn)制混沌序列的循環(huán)移位特性對(duì)信息碼進(jìn)行循環(huán)移位擴(kuò)頻編碼后獲得循環(huán)移位編碼信號(hào)；其中，所述循環(huán)移位擴(kuò)頻編碼為利用偽隨機(jī)序列進(jìn)行信息碼循環(huán)移位映射的編碼方式。

11、優(yōu)選的，所述s11包括：

12、(1)生成原始混沌序列：

13、一維logistic混沌映射方程如式(1)所示：

14、xn+1＝μxn(1-xn)(1)

15、其中，μ為分形參數(shù)且μ∈[1,4]，隨著μ的不同，logistic映射的動(dòng)態(tài)行為呈現(xiàn)出明顯的周期性和混沌性；根據(jù)序列的lyapunov指數(shù)變化規(guī)律，知當(dāng)3.5699456＜μ≤4時(shí)，具有混沌特性；

16、根據(jù)式(1)生成原始混沌序列{x(n)}，設(shè)定μ為4，以確保混沌特性；

17、(2)根據(jù)原始混沌序列的概率密度函數(shù)計(jì)算得其均值為1/2，調(diào)整序列以使其均值為0，得到混沌序列{x(n)}。

18、優(yōu)選的，所述s12包括：

19、設(shè)混沌序列{x(n)}由n個(gè)碼片chip構(gòu)成，直接對(duì)并對(duì)每個(gè)碼片的中心頻率進(jìn)行調(diào)制，不需要對(duì)混沌序列進(jìn)行量化處理；第i個(gè)chip的中心頻率表示為式(2)：

20、fi＝f0+bxi(2)；

21、其中，f0為中心頻率，b為系統(tǒng)帶寬；

22、通過(guò)對(duì)chip頻率的調(diào)制，使每一個(gè)碼元的中心頻率fi都具有混沌特性；將碼片chip首尾相連，形成連續(xù)的混沌信號(hào)，相位滿足式(3)：

23、

24、其中，2≤i≤n，為chip的初始相位且τ為每個(gè)chip的脈寬；

25、每個(gè)chip的波形表示為式(4)：

26、

27、從而將n個(gè)chip波形首尾相連構(gòu)成調(diào)制后的混沌序列作為地聲混沌序列。

28、優(yōu)選的，所述s13包括：

29、將混沌序列{xk,k＝0,1,…,n}取絕對(duì)值，然后使用m比特二進(jìn)制來(lái)進(jìn)行表示，如式(5)所示：

30、x＝0.b1(x)b2(x)b3(x)…bi(x)…bm(x)bi(x)∈(0,1)(5)；

31、將混沌序列全部使用m比特二進(jìn)制表示后，抽取m比特二進(jìn)制中的n比特組成數(shù)字二進(jìn)制混沌序列。

32、優(yōu)選的，所述s14包括：

33、采用(n,k)編碼方式，用一條長(zhǎng)度為2k的混沌序列去攜帶kbit的信息；一條logistic序列進(jìn)行2k次循環(huán)移位，其中k為logistic序列的階數(shù)；在發(fā)射端，發(fā)送的信息序列a[n]首先進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，采用迭代128次的logistic序列，允許進(jìn)行128次循環(huán)移位，發(fā)送序列a[n]將以每7bit為一組進(jìn)行轉(zhuǎn)換；根據(jù)編碼映射的完備性，將二進(jìn)制數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)流n[n]；利用十進(jìn)制數(shù)據(jù)流n[n]控制混沌序列，進(jìn)行循環(huán)移位編碼；發(fā)送端將信息編碼到混沌序列的循環(huán)移位版本中；每個(gè)信息比特對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的循環(huán)移位版本；對(duì)混沌序列進(jìn)行循環(huán)移位通過(guò)循環(huán)移位矩陣p實(shí)現(xiàn)，矩陣p與混沌序列相乘一次，混沌序列循環(huán)移位一次，循環(huán)移位矩陣p如式(6)所示：

34、

35、采用pjc表示混沌序列循環(huán)移位j次的結(jié)果，其中c為混沌序列；

36、混沌序列c經(jīng)過(guò)n[n]次循環(huán)移位后得到編碼后的擴(kuò)頻序列，表示為式(7)：

37、cn[i][n]＝pn[i]c?(7)；

38、其中，cn[i]表示混沌序列c進(jìn)行了n[i]次循環(huán)移位后得到的擴(kuò)頻序列。

39、優(yōu)選的，所述s2包括：

40、s21，經(jīng)過(guò)地聲信道后，重構(gòu)與所述混沌序列編碼同步的混沌序列；其中，所述同步的混沌序列通過(guò)相同的所述logistic混沌映射和相同的所述初始條件生成以確保所述解碼的準(zhǔn)確性；

41、s22，接收信號(hào)，將所述信號(hào)與本地生成的與所述混沌序列編碼同步的混沌序列進(jìn)行一系列的循環(huán)移位操作，每個(gè)移位操作對(duì)應(yīng)于一個(gè)潛在的信號(hào)狀態(tài)，并進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算比較以衡量所述混沌序列和與所述混沌序列編碼同步的混沌序列的相似度；基于混沌序列的循環(huán)自相關(guān)性，當(dāng)循環(huán)移位操作后的混沌序列與所述混沌序列編碼實(shí)際使用的所述混沌序列完全對(duì)齊時(shí)，自相關(guān)結(jié)果將達(dá)到最大值；

42、s23，檢測(cè)所述自相關(guān)的峰值確定所述混沌序列編碼使用的循環(huán)移位量，從而解碼出原始的信息序列。

43、本發(fā)明的第二方面在于提供一種基于混沌序列的地聲信號(hào)遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)，包括：

44、混沌序列編碼模塊(101)，用于進(jìn)行混沌序列編碼；

45、混沌序列解碼模塊(102)，用于對(duì)所述循環(huán)移位編碼信號(hào)進(jìn)行解碼后從而獲得原始的信息序列；

46、地聲信號(hào)遠(yuǎn)距離通信模塊(103)，用于基于確定獲得所有原始的信息序列，完成所述地聲信號(hào)遠(yuǎn)距離通信。

47、本發(fā)明的第三方面提供一種電子設(shè)備，包括處理器和存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有多條指令，所述處理器用于讀取所述指令并執(zhí)行如第一方面所述的方法。

48、本發(fā)明的第四方面提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有多條指令，所述多條指令可被處理器讀取并執(zhí)行如第一方面所述的方法。

49、本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的有益效果：

50、(1)本發(fā)明采用混沌實(shí)值序列作為擴(kuò)頻碼，通過(guò)其抗干擾特性和優(yōu)異的自相關(guān)性，有效減少了多用戶環(huán)境中的多址干擾。混沌序列的隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)噪聲和干擾的抵抗能力，與現(xiàn)有技術(shù)相比，顯著降低了誤碼率。在接收端，利用混沌序列的自相關(guān)特性進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，確保了信號(hào)的精確解碼，即使在惡劣的通信環(huán)境中也能保證信息的完整性和準(zhǔn)確性。

51、(2)本發(fā)明使用循環(huán)移位擴(kuò)頻編碼技術(shù)，混沌序列的循環(huán)移位表示信息位，可以在不增加額外帶寬的情況下，增加每個(gè)序列攜帶的信息量。在相同的頻帶寬度內(nèi)可以傳輸更多的信息，從而提高傳輸效率。