[00646491]延迟系统分析及其在无线通信中的应用研究

该项目自2008年起得到国家自然科学基金、霍英东基金和博士后基金特别资助等项目的支持，属于物理、信息和控制等交叉领域的前沿课题。 延迟是自然界中普遍存在一种物理现象，如管道入口和出口之间传输流体的延迟，通信信号经过信道后的延迟等，延迟对系统动力学特性产生重要影响。混沌作为动力学系统表现出的一种现象，其发现被认为是二十世纪的物理学三大重要发现之一，对气象、生物和控制工程等很多领域有着重要影响。一维离散动力学系统就可以产生混沌，如著名的Logitic映射，但对于连续系统，已证明产生混沌的最小维数是3维，而带有延迟的一维连续系统便可以产生混沌，如著名Mackey-Glass系统。更加有趣的是1991年人们发现利用线性延迟反馈可以消除混沌现象，2000年陈关荣发现非线性延迟反馈可以产生混沌。线性延迟是否能够产生混沌？成为需要回答的科学问题。此外，延迟和混沌的联系有待深入研究。具有延迟的混沌系统理论上具有无穷维，其特性更加复杂，在扩频、保密和振动压实等领域有着非常重要的应用前景。因此，深入研究线性延迟反馈控制系统中混沌的产生机理，阐明延迟参数与系统动力学分岔和混沌的关系，成为更好应用具有延迟的混沌系统需要解决的问题。无线通信信道的典型特征是多径传输，信号通过多径传输后，多个不同延时和衰减的信号相叠加，对动力学系统的特性有何影响，是应用动力学系统产生信号到应用于通信需要解决的基础科学问题。围绕这些科学问题，该项目经过10年多的潜心研究，取得一批关键基础研究成果。主要创新点如下： (1)系统地分析了线性延迟系统的动力学特性，包括系统分叉分析和稳定性分析。给出了线性延迟反馈控制参数的分岔分析和分岔图，为利用该方法灵活产生和消除混沌提供了理论指导；阐明了线性延迟反馈在稳定系统中产生混沌的机理；给出了延迟混沌系统的简单电路实现，应用于保密通信、用户认证，提高了信息安全性。 (2)分析了多径信道延迟特性对信号的影响，发现混沌信号通过无线多径信道后Lyapunov指数谱保持不变，即混沌信号通过无线信道后其中的信息没有丢失，为混沌应用于无线通信奠定了基础；创新性地提出混纯无线通信系统容量理论，为完善混沌无线通信基础理论作出贡献。 (3)阐明了多径和带宽对于混沌特性的影响机理，提出基于混沌波形特性的抗多径干扰接收算法和丢失码元恢复算法，提升了系统误码率性能。 (4)创新性地提出利用混沌信号作为通信基带信号的新思路，采用脉冲控制和有限冲激响应滤波器两种方法进行信息编码，由此建立混沌通信系统基本框架，能够与传统通信系统软硬件平台兼容，大大提升混沌通信的实用化进程。 项目主要研究内容包括： 1、该项目分析了线性延迟系统中的动力学行为，包括分岔和混沌，利用改进的拓扑马蹄和改进的什尔尼科夫轨道阐明线性延迟反饿在稳定系统中产生混沌的机理。 2、该项目首次通过严格解析的方式证明了混沌信号通过无线信道后，其Lyapunov指数谱保持不变，提出了混沌无线通信信道容量理论，为混沌应用于无线多径信道通信奠定了理论基础。 3、利用上述理论成果，提出了一个混沌系统产生混沌信号，进行符号通信，理论上可以克服多径影响，提高可靠性，同时，提出了基于脉冲控制的信息编码算法，通过对波形初值进行微调来编码不同的源信息序列，进一步设计了简单的数字滤波器来实现脉冲控制的过程，降低了混沌编码的实现复杂度。 4、提出混沌成型滤波器和混沌基带信号产生理论，使得混沌无线通信方法与传统无线通信系统硬件兼容，为混沌无线通信取代传统通信方法奠定了基础；利用混沌信号的特性设计优化解码阈值，理论上可以解决多径干扰问题，工程上获得了比传统复杂均衡方案更加更加优越的性能和更简单算法。 5、通过设计电路验证混沌产生方法，并进行混沌无线通信的电路模拟，采用软件无线电平台和短波电台对混沌通信方案进行了验证，结果表明获得了更好的效果。 该项目获得授权国家发明专利11件，软件著作权2件；培养博士研究生3名，硕士研究生10名；撰写专著1章，发表高水平论文23篇，其中SCI收录15篇，EI收录8篇。其中8篇代表性论文SCI总被引频次124次，他引91次，单篇最高他引50次，成果得到了著名混沌通信专家加拿大高等技术学院Georges Kaddoum教授、混沌通信最早开创者之一美国海军实验室著名专家Thomas L.Carroll教授，美国陆军技术专家Ned.J.Corron，著名OGY方法提出者，巴西科学院院士英国阿伯丁大学GrebogiCelso教授、英国物理网站Phys.org等国际媒体很高的学术性评价。