CN105429711B - 基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法 - Google Patents

基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及水声通信技术领域，特别涉及基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法。本发明包括：通信发射端采用二元准环低密度奇偶校验码编码对二进制信息比特流b进行信道编码；发射信号经过多途扩展信道后到达接收水听器阵中的各个水听器的接收端；把每个接收水听器看做自迭代软均衡器的一个分支均衡器。与传统的水声信道均衡方法相比，本发明可以有效降低多途的干扰,提高了通信性能，其通信性能接近最优的MAP均衡算法，而且复杂程度较低。与传统的水声信道均衡方法相比，本发明的可靠性提高30％以上。

Description

基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法
技术领域
本发明涉及水声通信技术领域，特别涉及基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法。
背景技术
在传统的(非迭代的，即没有均衡器与译码器之间的软信息交换)的通信系统中，判决反馈均衡(DFE)性能优于线性均衡(LE)，即便判决反馈均衡存在着误差传递现象。然而，研究表明当反馈滤波器输出为硬判决时，软入软出判决反馈均衡器(SISO-DFE)性能比软入软出线性均衡器(SISO-LE)差很多，这主要是源于误差传递。在经典的判决反馈体系中，许多技术已经被运用于减小误差传递，最近双向判决反馈思想被引入Turbo均衡中，S.Jeong和J.Moon重新阐述了Turbo均衡体系中的判决反馈均衡器的设计问题。然而，SISO-DFE和SISO–LE均衡技术是次最优均衡技术，其性能与最优的MAP均衡算法存在着较大的性能差距，为此S.Jeong和J.Moon采用组合几个复杂度较低的次最优SISO-DFE和SISO-LE均衡器构造了一种自迭软均衡的迭代均衡技术，在保持较低的复杂度的同时其性能可接近最优的MAP均衡算法。
水声通信信道是迄今为止最为复杂的无线信道之一，S.Jeong和J.Moon提出的自迭代软均衡技术虽然可以应用于水声通信信道均衡中，但该算法在水声信道的应用中存在以下问题：(1)该算法是针对单发射单接收陆地无线通信系统提出的，无法直接应用于接收为水听器阵的系统配置条件下；(2)由于水中声速的不恒定导致声影区的存在，基于单发射单接收的自迭代软均衡技术适应性差。
在水声信道条件下，传统的迭代水声信道均衡技术中单一均衡器存在性能受限的问题及可靠性差的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决水声信道条件下传统的迭代水声信道均衡技术中单一均衡器存在的性能受限的问题及可靠性差的问题的基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)通信发射端采用二元准环低密度奇偶校验码编码对二进制信息比特流b进行信道编码，b＝[b1,b2,…,bl,…bL]，L为二进制信息比特流的长度，其中bl∈{0,1}，l＝1,…,L；对编码后的信息比特流进行交织和符号映射，得到符号流x＝[x1,x2,…,xk,…xK]，K为符号流的长度，k∈[1,K]；将x＝[x1,x2,…,xK]调制到指定载波上并发送出去；
(2)所述步骤(1)的发射信号经过多途扩展信道后到达接收水听器阵中的各个水听器的接收端，接收水听器阵中的第j个接收水听器对接收到信号进行解调处理，对解调后的信号进行抽样，得到抽样后的信号记为rj(k)；其中j＝1,…,J，J为接收水听器阵总的接收水听器个数，k为离散时间索引且样本抽样为符号间隔；
(3)把每个接收水听器看做自迭代软均衡器的一个分支均衡器，分支均衡器包括一个主均衡器和多个从均衡器；则J个接收水听器组成的接收水听器阵就有J个分支均衡器，从J个分支均衡器中选取任意一路作为主均衡器，将其余J-1个分支均衡器设为从均衡器，基于J个分支均衡器的软入软出自迭代软均衡器对信号rj(k)进行处理，判决输出发射信息比特流
所述步骤(2)的分支均衡器中的信道均衡算法采用判决反馈均衡算法、线性均衡算法或者两种算法的混合结构算法。
所述步骤(2)的分支均衡器的信道估计部分采用经典的自适应RLS算法。
所述步骤(3)具体步骤包括：
(3.1)设置最大外部循环迭代次数；
将外部迭代进行初始化：将所有时刻译码器输出给主均衡器的初始先验对数似然比La(xk)设置为0，即La(xk)＝0，其中k＝1,…,K，式中的下标a表示先验；
(3.2)进行一次外部迭代，输出最终新息Le,M(xk)；
(3.3)将Le,M(xk)进行解交织后得到La(bl)；
(3.4)将La(bl)送入信道译码器译码输出Le(bl)；
(3.5)如迭代循环未达到最大的外部迭代次数，则将Le(bl)进行交织得到La(xk)，执行步骤(3.2)；如迭代循环达到最大外部循环迭代次数，则根据Le(bl)判决输出发射信息比特流
步骤(3.1)所述的最大外部循环迭代次数根据实际需要设定。
步骤(3.2)具体实现步骤如下：
(3.2.1)进行内部迭代初始化：设定主均衡器先验对数似然比的初始值La,M(xk)＝0，设定J-1个从均衡器的先验对数似然比的初始值除之外的所有参数下标M表示主均衡器；
(3.2.2)设置最大内部循环迭代次数；
(3.2.3)利用主均衡器q≠k时刻的先验对数似然比La,M(xq)计算主均衡器在k时刻的新息对数似然比Le,M(xk)，其中下标e表示新息；
(3.2.4)计算Le,M(xk)和之间的噪声相关系数
计算第i个从均衡器的先验对数似然比
(3.2.5)在k时刻，利用k≠q时所计算得到的先验对数似然比计算每个从均衡器的新息对数似然比其中下标B表示从均衡器；
(3.2.6)计算和之间的噪声相关系数
计算
(3.2.7)利用计算主均衡器的先验对数似然比La,M(xk)；
其中，ξ是从均衡器之间的噪声互相关系数；
(3.2.8)如迭代循环未达到最大内部循环迭代次数，执行步骤3.2.3；如迭代循环达到最大内部循环迭代次数，输出最终新息Le,M(xk)。
步骤(3.2.7)所述的从均衡器之间的噪声互相关系数ξ利用时间统计平均求解。
本发明的有益效果在于：
本发明所述的基于接收水听器阵的自迭代软均衡水声通信信道均衡技术，是专门针对水听器阵的水声通信信道均衡技术；而且相比基于单发射单接收的自迭代软均衡技术，本发明适应性有很大程度的提高；同时本发明提高了通信系统的抗水声信道的多途衰落的能力，通过组合不同接收水听器的不同均衡器的输出进行自迭代软均衡进而达到抑制多途干扰提高系统的性能目的，很大程度上解决了性能受限的问题。与传统的水声信道均衡方法相比，本发明可以有效降低多途的干扰,提高了通信性能，其通信性能接近最优的MAP均衡算法，而且复杂程度较低。与传统的水声信道均衡方法相比，本发明的可靠性提高30％以上。
附图说明
图1为本发明的基于接收水听器阵的自迭代软均衡水声通信流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法，涉及水声通信技术领域，特别涉及基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法。本发明为了解决水声信道条件下传统的迭代水声信道均衡技术中单一均衡器存在的性能受限的问题及可靠性差的问题。本发明首先采用二元QC-LDPC编码对二进制信息比特流b进行信道编码并发送，接收信号后进行解调处理；然后，将每个接收水听器看做自迭代软均衡器的一个分支均衡器，并从J个分支均衡器中选取任意一路作为主均衡器，将其余J-1个分支均衡器设为从均衡器，基于J个分支均衡器的软入软出自迭代软均衡器对信号进行处理，最后判决输出发射信息比特流。本发明适用于水声通信技术领域。
基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法，包括下述步骤：
步骤1、通信发射端采用二元QC-LDPC编码将二进制信息比特流b进行信道编码，b＝[b1,b2,…,bl,…bL]，L为二进制信息比特流的长度，其中bl∈{0,1}，l＝1,…,L；对编码后的信息比特流进行交织和符号映射，得到符号流x＝[x1,x2,…,xk,…xK]，K为符号流的长度，k∈[1,K]；将x＝[x1,x2,…,xK]调制到指定载波上并发送出去；
步骤2、步骤1的发射信号经过多途扩展信道后到达接收水听器阵中的各个水听器的接收端，接收水听器阵中的第j个接收水听器对接收到信号进行解调处理，对解调后的信号进行抽样，得到抽样后的信号记为rj(k)；其中j＝1,…,J，J为接收水听器阵总的接收水听器个数，k为离散时间索引且样本抽样为符号间隔；
步骤3、把每个接收水听器看作自迭代软均衡器的一个分支均衡器，分支均衡器包括一个主均衡器和多个从均衡器；则J个接收水听器组成的接收水听器阵就有J个分支均衡器，从J个分支均衡器中选取任意一路作为主均衡器，将其余J-1个分支均衡器设为从均衡器，基于J个分支均衡器的软入软出自迭代软均衡器对信号rj(k)进行处理，判决输出发射信息比特流
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法，包括下述步骤：
步骤1、通信发射端采用二元QC-LDPC编码将二进制信息比特流b进行信道编码，b＝[b1,b2,…,bl,…bL]，L为二进制信息比特流的长度，其中bl∈{0,1}，l＝1,…,L；对编码后的信息比特流进行交织和符号映射，得到符号流x＝[x1,x2,…,xk,…xK]，K为符号流的长度，k∈[1,K]；xk可以是任何相位调制符号(如BPSK或QPSK等等)，本发明以BPSK调制为例；将x＝[x1,x2,…,xK]调制到指定载波上并发送出去；
步骤2、步骤1的发射信号经过多途扩展信道后到达接收水听器阵中的各个水听器的接收端，接收水听器阵中的第j个接收水听器对接收到信号进行解调处理，对解调后的信号进行抽样，得到抽样后的信号记为rj(k)；其中j＝1,…,J，J为接收水听器阵总的接收水听器个数，k为离散时间索引且样本抽样为符号间隔；
步骤3、把每个接收水听器看作自迭代软均衡器的一个分支均衡器，分支均衡器包括一个主均衡器和多个从均衡器；则J个接收水听器组成的接收水听器阵就有J个分支均衡器，从J个分支均衡器中选取任意一路作为主均衡器，将其余J-1个分支均衡器设为从均衡器，基于J个分支均衡器的软入软出自迭代软均衡器对信号rj(k)进行处理，判决输出发射信息比特流
具体实施方式二：分支均衡器包括信道估计和信道均衡两大部分，本实施方式中的步骤2所述的分支均衡器中的信道均衡算法采用判决反馈均衡算法、线性均衡算法或者判决反馈均衡算法和线性均衡算法的组合算法。
其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式中的步骤2所述的分支均衡器的信道估计部分采用经典的自适应RLS算法。
其它步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式所述步骤3具体实现步骤如下：
步骤3.1、设置最大外部循环迭代次数；
进行外部迭代进行初始化：将所有时刻译码器输出给主均衡器的初始先验对数似然比La(xk)设置为0，即La(xk)＝0，其中k＝1,…,K，式中的下标a表示先验；
步骤3.2、进行一次外部迭代，输出最终新息Le,M(xk)，其中一次外部迭代包含多次内部迭代；
步骤3.3、将Le,M(xk)进行解交织后得到La(bl)；
步骤3.4、将La(bl)送入信道译码器译码输出Le(bl)；
步骤3.5、如迭代循环未达到最大的外部迭代次数，则将Le(bl)进行交织得到La(xk)，执行步骤3.2；如迭代循环达到最大外部循环迭代次数，则根据Le(bl)判决输出发射信息比特流
其它步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式所述步骤3.1所述的最大外部循环迭代次数根据实际需要设定。
其它步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式所述步骤3.2具体实现步骤如下：
步骤3.2.1、进行内部迭代初始化：设定主均衡器先验对数似然比的初始值La,M(xk)＝0，设定J-1个从均衡器的先验对数似然比的初始值除之外的所有参数下标M表示主均衡器；
步骤3.2.2、设置最大内部循环迭代次数；
步骤3.2.3、利用主均衡器q≠k时刻的先验对数似然比La,M(xq)计算主均衡器在k时刻的新息对数似然比Le,M(xk)，其中下标e表示新息；
步骤3.2.4、计算Le,M(xk)和之间的噪声相关系数
根据公式(1)计算第i个从均衡器的先验对数似然比
步骤3.2.5、在k时刻，利用k≠q时所计算得到的先验对数似然比计算每个从均衡器的新息对数似然比其中下标B表示从均衡器；
步骤3.2.6、计算和之间的噪声相关系数
根据公式(2)计算
步骤3.2.7、根据公式(3)，利用计算主均衡器的先验对数似然比La,M(xk)；
其中，ξ是从均衡器之间的噪声互相关系数；
步骤3.2.8、如迭代循环未达到最大内部循环迭代次数，执行步骤3.2.3；如迭代循环达到最大内部循环迭代次数，输出最终新息Le,M(xk)。
其它步骤与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式所述步骤3.2.2所述的最大内部循环迭代次数根据实际需要设定。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式所述步骤3.2.7所述的从均衡器之间的噪声互相关系数ξ利用时间统计平均求解。
其它步骤与具体实施方式七相同。

Claims (5)

1.基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)通信发射端采用二元准环低密度奇偶校验码编码对二进制信息比特流b进行信道编码，b＝[b1,b2,…,bl,…bL]，L为二进制信息比特流的长度，其中bl∈{0,1}，l＝1,…,L；对编码后的信息比特流进行交织和符号映射，得到符号流x＝[x1,x2,…,xk,…xK]，K为符号流的长度，k∈[1,K]；将x＝[x1,x2,…,xK]调制到指定载波上并发送出去；
(2)所述步骤(1)的发射信号经过多途扩展信道后到达接收水听器阵中的各个水听器的接收端，接收水听器阵中的第j个接收水听器对接收到信号进行解调处理，对解调后的信号进行抽样，得到抽样后的信号记为rj(k)；其中j＝1,…,J，J为接收水听器阵总的接收水听器个数，k为离散时间索引且样本抽样为符号间隔；
(3)把每个接收水听器看做自迭代软均衡器的一个分支均衡器，分支均衡器包括一个主均衡器和多个从均衡器；则J个接收水听器组成的接收水听器阵就有J个分支均衡器，从J个分支均衡器中选取任意一路作为主均衡器，将其余J-1个分支均衡器设为从均衡器，基于J个分支均衡器的软入软出自迭代软均衡器对信号rj(k)进行处理，判决输出发射信息比特流具体步骤包括：
(3.1)设置最大外部循环迭代次数；
将外部迭代进行初始化：将所有时刻译码器输出给主均衡器的初始先验对数似然比La(xk)设置为0，即La(xk)＝0，其中k＝1,…,K，式中的下标a表示先验；
(3.2)进行一次外部迭代，输出最终新息Le,M(xk)；
步骤(3.2)具体实现步骤如下：
(3.2.1)进行内部迭代初始化：设定主均衡器先验对数似然比的初始值La,M(xk)＝0，设定J-1个从均衡器的先验对数似然比的初始值除之外的所有参数下标M表示主均衡器；
(3.2.2)设置最大内部循环迭代次数；
(3.2.3)利用主均衡器q≠k时刻的先验对数似然比La,M(xq)计算主均衡器在k时刻的新息对数似然比Le,M(xk)，其中下标e表示新息；
(3.2.4)计算Le,M(xk)和之间的噪声相关系数
计算第i个从均衡器的先验对数似然比
(3.2.5)在k时刻，利用k≠q时所计算得到的先验对数似然比计算每个从均衡器的新息对数似然比其中下标B表示从均衡器；
(3.2.6)计算和之间的噪声相关系数
计算
(3.2.7)利用计算主均衡器的先验对数似然比La,M(xk)；
其中，ξ是从均衡器之间的噪声互相关系数；
(3.2.8)如迭代循环未达到最大内部循环迭代次数，执行步骤3.2.3；如迭代循环达到最大内部循环迭代次数，输出最终新息Le,M(xk)；
(3.3)将Le,M(xk)进行解交织后得到La(bl)；
(3.4)将La(bl)送入信道译码器译码输出Le(bl)；
(3.5)如迭代循环未达到最大的外部迭代次数，则将Le(bl)进行交织得到La(xk)，执行步骤(3.2)；如迭代循环达到最大外部循环迭代次数，则根据Le(bl)判决输出发射信息比特流
2.根据权利要求1所述的基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法，其特征在于：所述步骤(2)的分支均衡器中的信道均衡算法采用判决反馈均衡算法、线性均衡算法或者两种算法的混合结构算法。
3.根据权利要求1或2所述的基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法，其特征在于：所述步骤(2)的分支均衡器的信道估计部分采用经典的自适应RLS算法。
4.根据权利要求1所述的基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法，其特征在于：步骤(3.1)所述的最大外部循环迭代次数根据实际需要设定。
5.根据权利要求1所述的基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法，其特征在于：步骤(3.2.7)所述的从均衡器之间的噪声互相关系数ξ利用时间统计平均求解。
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水声通信中的迭代同步和均衡技术;刘丹;《中国优秀硕士学位论文全文数据库(信息科技辑)》;20140415(第04期);全文 *
水声通信迭代接收机算法研究;段卫民;《中国优秀硕士学位论文全文数据库(信息科技辑)》;20140415(第04期);全文 *

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