Introduction to the statistical theory of differential communication based on chaotic signals

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The purpose of this paper is to analyse the statistical characteristics of a Direct Chaotic Differentially Coherent communication scheme based on chaotic radio pulses in a communication channel with additive white Gaussian noise, where the chaotic signal is given by different instantaneous distributions. Methods. To achieve this goal, numerical modelling of the noise immunity of Direct Chaotic Differentially Coherent communication is conducted and compared with the results of analytical research. Results. The regularities associated with the use of chaotic signals with various statistical distributions of instantaneous values were studied. The minimum values of energy per bit to white Gaussian noise power spectral density ratio were obtained, providing the required error probabilities. Conclusion. It is shown that the proposed system works efficiently at high values of processing gain, and as the processing gain increases, the dependence of noise immunity on the specific statistical distribution of the chaotic signal is levelled out.

About the authors

Aleksandr Sergeevich Dmitriev

Kotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0000-0003-2079-3020
Scopus Author ID: 7202389661
ResearcherId: J-7732-2014
Mokhovaya 11-7, Moscow, 125009, Russia

Anton Igorevich Ryzhov

Kotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0000-0001-6725-7984
Mokhovaya 11-7, Moscow, 125009, Russia

C.  M. Sierra-Teran

Moscow Institute of Physics and Technology

9 Institutskiy per., Dolgoprudny, Moscow Region, 141700, Russian Federation

References

  1. Kocarev L., Halle K. S., Eckert K., Chua L. O., Parlitz U. Experimental demonstration of secure communications via chaotic synchronization // Int. J. Bifurc. Chaos. 1992. Vol. 2, no. 3. P. 709–713. doi: 10.1142/S0218127492000823.
  2. Parlitz U., Chua L. O., Kocarev L., Halle K. S., Shang A. Transmission of digital signals by chaotic synchronization // Int. J. Bifurc. Chaos. 1992. Vol. 2, no. 4. P. 973–977. doi: 10.1142/S0218127 492000562.
  3. Cuomo K. M., Oppenheim A. V. Circuit implementation of synchronized chaos with applications to communications // Phys. Rev. Lett. 1993. Vol. 71, no. 1. P. 65–68. doi: 10.1103/PhysRevLett.71.65.
  4. Бельский Ю. Л., Дмитриев А. С. Передача информации с использованием детерминированного хаоса // Радиотехника и электроника. 1993. Т. 38, № 7. С. 1310–1315.
  5. Волковский А. Р., Рульков Н. В. Синхронный хаотический отклик нелинейной системы передачи информации с хаотической несущей // Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19, № 3. С. 71–75.
  6. Dedieu H., Kennedy M. P., Hasler M. Chaos shift keying: modulation and demodulation of a chaotic carrier using self-synchronizing Chua’s circuits // IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing. 1993. Vol. 40, no. 10. P. 634–642. doi: 10.1109/82.246164.
  7. Halle K. S., Wu C. W., Itoh M., Chua L. O. Spread spectrum communications through modulation of chaos // Int. J. Bifurc. Chaos. 1993. Vol. 3, no. 2. P. 469–477. doi: 10.1142/S0218127493000374.
  8. Dmitriev A. S., Panas A., Starkov S. O. Transmission of complex analog signals by means of dynamical chaos // In: Proceedings of the 3rd International Specialist Workshop on Nonlinear Dynamics of Electronic Systems. Dublin, Ireland, 28-29 July 1995. Dublin: NDES, 1995. P. 241–244.
  9. Dmitriev A. S., Panas A. I., Starkov S. O. Experiments on speech and music signals transmission using chaos // Int. J. Bifurc. Chaos. 1995. Vol. 5, no. 4. P. 1249–1254. doi: 10.1142/S0218127495 000910.
  10. Дмитриев А. С., Панас А. И. Динамический хаос: Новые носители информации для систем связи. М.: Физматлит, 2002. 252 с.
  11. Lau F. C. M., Tse C. K. Chaos-Based Digital Communication Systems: Operating Principles, Analysis Methods, and Performance Evaluation. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2003. 228 p. doi: 10.1007/978-3-662-05183-2.
  12. Kaddoum G. Wireless chaos-based communication systems: A comprehensive survey // IEEE Access. 2016. Vol. 4. P. 2621–2648. doi: 10.1109/ACCESS.2016.2572730.
  13. Дмитриев А. С., Панас А. И., Старков С. О., Андреев Ю. В., Кузьмин Л. В., Кяргинский Б. Е., Макисмов Н. А. Способ передачи информации с помощью хаотических сигналов // Патент № 2185032 C2 Российская Федерация, МПК H04K 1/00, H04B 1/02, H04J 13/00: заявл. 06.10.2000: опубл. 10.07.2002. 20 с.
  14. Дмитриев А. С., Кяргинский Б. Е., Панас А. И., Старков С. О. Прямохаотические схемы передачи информации в сверхвысокочастотном диапазоне // Радиотехника и электроника. 2001. Т. 46, № 2. С. 224–233.
  15. Dmitriev A. S., Kyarginsky B. Y., Panas A. I., Starkov S. O. Experiments on direct chaotic communications in microwave band // Int. J. Bifurc. Chaos. 2003. Vol. 13, no. 6. P. 1495–1507. DOI: 10.1142/ S0218127403007345.
  16. VanWiggeren G. D., Roy R. Optical communication with chaotic waveforms // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 81, no. 16. P. 3547–3550. doi: 10.1103/PhysRevLett.81.3547.
  17. Ke J., Yi L., Hou T., Hu W. Key technologies in chaotic optical communications // Front. Optoelectron. 2016. Vol 9, no. 3. P. 508–517. doi: 10.1007/s12200-016-0570-y.
  18. Kingni S. T., Ainamon C., Tamba V. K., Chabi Orou J. B. Directly modulated semiconductor ring lasers: Chaos synchronization and applications to cryptography communications // Chaos. Theory and Applications. 2020. Vol. 2, no. 1. P. 31–39.
  19. Bai C., Ren H.-P., Grebogi C., Baptista M. S. Chaos-based underwater communication with arbitrary transducers and bandwidth // Appl. Sci. 2018. Vol. 8, no. 2. P. 162–172. DOI: 10.3390/ app8020162.
  20. Chen M., Xu W., Wang D., Wang L. Multi-carrier chaotic communication scheme for underwater acoustic communications // IET Communications. 2019. Vol. 13, no. 14. P. 2097–2105. doi: 10.1049/iet-com.2018.5524.
  21. Дмитриев А. С., Ефремова Е. В., Герасимов М.Ю., Ицков В. В. Радиоосвещение на основе сверхширокополосных генераторов динамического хаоса // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61, № 11. C. 1073–1083. doi: 10.7868/S0033849416110024.
  22. Dmitriev A. S., Efremova E. V., Ryzhov A. I., Petrosyan M. M., Itskov V. V. Artificial radio lighting with sources of microwave dynamic chaos // Chaos. 2021. Vol. 31, no. 6. P. 063135. DOI: 10.1063/ 5.0053504.
  23. Петрович Н. Т., Размахнин М. К. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Советское радио, 1969. 233 с.
  24. Варакин Л. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 с.
  25. Dixon R. C. Spread Spectrum Systems with Commercial Applications. 3rd Edition. New York: Wiley, 1994. 592 p.
  26. Almuhaya M. A. M., Jabbar W. A., Sulaiman N., Abdulmalek S. A survey on LoRaWAN technology: Recent trends, opportunities, simulation tools and future directions // Electronics. 2022. Vol. 11, no. 1. P. 164–195. doi: 10.3390/electronics11010164.
  27. Дмитриев А. С., Мохсени Т. И., Сьерра-Теран К. М. Относительная передача информации на основе хаотических радиоимпульсов // Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63, № 10. С. 1074–1082. doi: 10.1134/S0033849418100078.
  28. Дмитриев А. С., Мохсени Т. И., Сьерра-Теран К. М. Сверх- и гиперширокополосная относительная передача информации на основе хаотических радиоимпульсов // Известия вузов. ПНД. 2018. Т. 26, № 4. С. 59–74. doi: 10.18500/0869-6632-2018-26-4-59-74.
  29. Dmitriev A. S., Mokhseni T. I., Sierra-Terant C. M. Differentially coherent communication scheme based on chaotic radio pulses // Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 2018. Vol. 21, no. 3. P. 237–246.
  30. Дмитриев А. С., Мохсени Т. И., Сьерра-Теран К. М. Моделирование системы относительной передачи информации на основе хаотических радиоимпульсов в среде ADS // Известия вузов. ПНД. 2019. Т. 27, № 5. С. 72–86. doi: 10.18500/0869-6632-2019-27-5-72-86.
  31. Kolumban G., Kennedy M. P., Chua L. O. The role of synchronization in digital communications using chaos. I. Fundamentals of digital communications // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications. 1997. Vol. 44, no. 10. P. 927–936. doi: 10.1109/81.633882.
  32. Kolumban G., Vizvari В., Schwarz W., Abel A. Differential chaos shift keying: A robust coding for chaos communication // In: Proceedings of the 4th International Specialist Workshop on Nonlinear Dynamics of Electronic Systems. Seville, Spain, 27-28 June 1996. Seville: NDES, 1996. P. 87–92.
  33. Sushchik M., Tsimring L. S., Volkovskii A. R. Performance analysis of correlation-based communication schemes utilizing chaos // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications. 2000. Vol. 47, no. 12. P. 1684–1691. doi: 10.1109/81.899920.
  34. Клюев В. Ф., Самарин В. П., Клюев А. В. Нелинейные алгоритмы измерения мощности шумового сигнала на фоне помех // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2013. Т. 56, № 6. С. 48–55.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies