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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».