CN105490978B - 一种水声正交频分复用异步多用户接入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水声通信领域，具体涉及一种水声正交频分复用异步多用户接入方法。本发明包括：重叠截断；干扰消除；频域过采样；多用户信道估计与解码；干扰重构。本发明基于滑动迭代结构，利用重叠截断方法建立异步干扰模型，在相邻两个符号间进行迭代干扰消除和干扰重建，然后将干扰消除后的接收信号等效为准同步的多输入多输出(MIMO)系统实现多用户数据解码；可以较好的兼顾处理延迟和解码性能，具有实际应用价值。
Description
技术领域
本发明属于水声通信领域，具体涉及一种水声正交频分复用异步多用户接入方法。
背景技术
随着海洋开发的不断深入，应用于水声传感器网络的物理层通信技术正不断受到关注。水声传感器网络希望在有限的频谱资源中提高带宽利用率，增大网络吞吐量。空分多址接入 (space-division multiple access，SDMA)技术允许多个用户在相同的时隙共享相同的频谱资源，是有效提高系统容量的方法之一。多用户正交频分复用(orthogonalfrequency division multiplexing，OFDM)系统就是一个典型的空分多址接入系统，所有用户共享相同时隙和子载波。考虑一个包含多个分布式用户和单个网关节点的上行水声通信系统，网关节点上安装多个接收阵元，如图1所示。多个用户的发送信号交叠达到同一接收端，接收端需要利用各用户多径信道的独立性将各个信号分离开来。若在理想同步条件下，即同步多用户 OFDM系统中，接收信号的各个子载波之间是独立的，可以利用传统的多输入多输出 (multiple-input，multiple-output，MIMO)系统进行多用户数据解码。然而同步接入系统通常要求网关节点和用户、以及各用户之间的协作，保证严格的时隙分配，而这种协作往往需要反馈信道来实现。考虑到水声信道的大传播时延特点，该种协作反馈无疑极大增加了网络负担。因此实际水下应用中更希望网关节点具备支持异步多用户接入的能力。
公开号为CN201510175542的专利文件中公开了一种水声OFDMA上行通信稀疏信道估计与导频优化方法。在发送端建立基于梳状导频的多用户压缩感知稀疏信道估计模型，得到测量矩阵互相关表达式；根据测量矩阵互相关表达式，在发送端进行导频图案和导频功率联合优化，减少压缩感知信道估计模型下的测量矩阵互相关；在接收端利用多用户压缩感知稀疏信道估计模型，并结合导频图案和导频功率联合优化的导频信息，采用压缩感知框架下的匹配追踪算法实现多用户稀疏信道估计，具有能够减小估计误差的优点。而本发明针对水声OFDM 系统异步多用户接入引起严重的OFDM符号间干扰问题，提出一种基于滑动迭代的异步多用户接入系统。首先利用重叠截断方法建立异步干扰模型，在相邻两个符号间进行迭代干扰消除和干扰重建，然后将干扰消除后的接收信号等效为准同步的MIMO系统实现多用户数据解码。该发明可以较好的兼顾处理延迟和解码性能，具有实际应用价值。
发明内容
本发明的目的在于针对水声OFDM系统异步多用户接入引起严重的OFDM符号间干扰问题，提出一种水声正交频分复用异步多用户接入方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)重叠截断：首先将接收的时域波形截断为独立处理单元进行解码，每个截断单元包括前向干扰、期望信号和后向干扰三部分；
(2)干扰消除：利用上次迭代中得到的干扰估计对当前截断单元进行干扰消除；
(3)频域过采样：对干扰消除后的截断单元进行频域过采样处理；
(4)多用户信道估计与解码；对频域过采样后的多用户叠加的频域信息，采用匹配追踪信道估计算法对每个用户进行信道估计与解码；
(5)干扰重构；利用信道估计及解码数据，通过逆傅里叶变换重构相邻单元的前向干扰与后向干扰的时域波形；
(6)处理当前截断单元时，额外存储相邻的下一个截断单元信号，在当前截断单元和下一截断单元之间共解调3次。
本发明的有益效果在于：基于滑动迭代结构，利用重叠截断方法建立异步干扰模型，在相邻两个符号间进行迭代干扰消除和干扰重建，然后将干扰消除后的接收信号等效为准同步的多输入多输出(MIMO)系统实现多用户数据解码；可以较好的兼顾处理延迟和解码性能，具有实际应用价值。
附图说明
图1为水声通信网络示意图；
图2为异步接收机解调算法流程图；
图3为异步接收信号重叠截断示意图；
图4为异步接收机滑动迭代处理结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的描述。
本发明解决其技术问题所采用的系统包括以下两部分：
1.OFDM异步多用户接收机解调算法，包括重叠截断、干扰消除、频域过采样、多用户信道估计与解码、以及干扰重构五个处理模块：
(1)重叠截断。首先将接收的时域波形截断为独立处理单元进行解码，每个截断单元包括前向干扰、期望信号和后向干扰三部分。
(2)干扰消除。利用上次迭代中得到的干扰估计对当前截断单元进行干扰消除。
(3)频域过采样。对干扰消除后的截断单元进行频域过采样处理，以保证傅里叶变换不会丢失信息。
(4)多用户信道估计与解码。对频域过采样后的多用户叠加的频域信息，采用匹配追踪信道估计算法对每个用户进行信道估计与解码。
(5)干扰重构。利用信道估计及解码数据，通过逆傅里叶变换重构相邻单元的前向干扰与后向干扰的时域波形。
2.OFDM异步多用户接收机滑动迭代处理结构，即结合1中的解调算法，处理当前截断单元时，额外存储相邻的下一个截断单元信号，在当前截断单元和下一截断单元之间共解调 3次，即可消除当前截断单元的前向干扰和后向干扰。
1、OFDM异步多用户接收机解调算法
异步接收机解调算法，流程如图2所示。异步多用户接入信号经过重叠截断、干扰消除、频域过采样、多用户信道估计与解码、以及干扰重构五个处理模块，下面分别进行详细介绍。
(1)重叠截断
对于一个发送端有Nu个异步用户，接收端有Nr个水听器阵的水声通信系统，如图1所示，并且满足Nu≤Nr，其中所有用户均采用具有循环前缀(Cyclic Prefix，CP)的OFDM调制方式。OFDM子载波总数为K，符号周期为T，子载波间隔为1/T。CP长度为Tcp，则CP-OFDM 块周期为Tb1＝Tcp+T。系统载波频率为fc，则第k个子载波频率 fk＝fc+k/T，k＝-K/2，...，K/2-1。大小为K的子载波集合中包含数据子载波集SD，梳状导频集SP，及空载波集SN三个独立子集，且满足SD∪SP∪SN＝{-K/2，...，K/2-1}。同时各用户仅数据子载波集交叠，导频集不交叠：即对于任一用户的导频集，其余用户将其视为空载波集。su[k；n]为用户u在第n个OFDM块中的第k个子载波上发送的编码信息符号，其符号映射方式可以为QPSK或16QAM等。当用户u一帧传输Nb1个CP-OFDM块时，用户u的发送信号可表示为
式中用户u第n个发送CP-OFDM块为
对于在一个CP-OFDM块内线性时不变的水声多径信道模型，用户u与水听器v之间的信道冲激响应可表示为
其中为用户u与水听器v之间信道的多径数目；与分别为一个CP-OFDM块内恒定的第p条路径的衰减系数和对应的时延。水听器v接收的用户u的信号为
式中
εu为用户u到达接收端的时延。不失一般性，令用户1的到达时延ε1＝0，且其中令则水听器v接收到的Nu个具有不同达到时延的用户信号的叠加可表示为
其中为叠加的背景噪声。一个OFDM符号周期T内将受到用户的相邻CP-OFDM块的干扰，严重影响解码性能。
接收端为了便于解码，通常需将接收的时域波形截断为独立处理单元进行解码。为此本发明采用重叠截断方法，如图3所示。定义每个截断单元的长度为OFDM符号周期T加上最大到达时延εmax，即图3中第n个截断单元由三部分组成：①前向干扰：用户2～Nu的第n-1个CP-OFDM块的部分信号；②期望信号：Nu个用户的第n个CP-OFDM块的完整信号(用户1的CP部分除外)；③后向干扰：用户1～Nu-1第n+1个CP-OFDM块的部分信号。则水听器v得到的长度为的第n个截断单元的接收信号可以表示为
(2)干扰消除
由式(7)可知，经重叠截断后异步接入带来的干扰包括前向干扰和后向干扰两部分。为便于分析，本发明将第n个截断单元的干扰建模为一个分段函数，即
将式(8)代入式(7)，则水听器v长度为的第n个截断单元的接收信号可重新表示为
由式(9)可知，对于已知接收端干扰分段函数并将其从式(9)中减掉，则可将第n个截断单元转化为准同步接入信号进行解调。设干扰分段函数估计值为则水听器v经过干扰消除的第n个截断单元的接收信号为
式中ηv(t；n)表示干扰消除后的残留干扰。
(3)频域过采样
由前可知重叠截断单元长度为大于OFDM符号周期T。为避免傅里叶变换后信息的损失，本发明采用频域过采样方法，即傅里叶变换积分长度为其中α为过采样因子，选取α＝2即可满足要求。经过傅里叶变换后第k个频率成分为
式中k＝α(-K/2，...，K/2-1)。同理可得到残留干扰和噪声的第k个频率成分ηv[k；n]和 wv[k；n]。
将频率成分zv[k；n]，ηv[k；n]和wv[k；n]分别表示为大小为K×1的向量zv[n]，ηv[n]及 wv[n]。式(10)的频域表达式为
式中su[n]表示用户u的第n个CP-OFDM块中的信息符号组成的K×1维向量，Hv，u[n]表示用户u与水听器v之间K×K维信道频域响应对角矩阵，定义为包含用户时延信息的 K×K维对角矩阵，其对角线元素满足
(4)多用户信道估计与解码
异步接入信号经过以上三个处理模块后，可等效的转化为MIMO系统进行多用户信道估计与解码。本发明采用匹配追踪信道估计算法，利用每个CP-OFDM块中各用户不交叠的梳状导频信息估计出第u个用户与第v个水听器之间的信道频响在第n个截断单元的第k个子载波上，来自Nr个水听器接收的数据组成的向量定义为来自Nu个用户的发送数据组成的向量定义为估计的信道频域矩阵维数是Nr×Nu，其第(v，u)个元素为则可得到准同步系统下第n个截断单元的第k个子载波上接收数据与发送数据之间的关系为
式中为Nu×Nu维对角阵，其对角线上第u个元素为η[k；n]与w[k；n]分别为Nr×1维残留干扰向量和噪声向量，二者之和可以近似为功率谱密度为常数的噪声干扰。定义为等效的信道频响矩阵。采用最小均方误差均衡得到的第n个截断单元的第k个子载波上Nu个用户的发送数据向量的估计为
式中I为Nu×Nu维单位阵；为等效的噪声干扰方差，可由当前CP-OFDM块中的空载波估计得到。接收机可以进一步对进行信道解码得到用户发送的比特信息的估计。
(5)干扰重构
完成以上处理模块后，可利用信道频响矩阵估计及发送数据估计通过逆傅里叶变换重构 CP-OFDM基带时域波形。则第v个水听器接收到的用户u的第n个CP-OFDM块的时域波形估计为
其中t∈[-Tcp，T]。则基于式(8)，将yv，u(t；n)用估计值替代后，可分别重构第n-1 个截断单元的后向干扰和第n+1个截断单元的前向干扰。
由以上五个处理模块可知，异步接收处理算法需要利用相邻截断单元信息实现干扰重构和干扰消除，进而转化为准同步系统完成解调。因此对如何重构、消除干扰起决定作用的异步接收机处理结构成为接收机设计的关键。
2、OFDM异步多用户接收机滑动迭代处理结构
结合以上OFDM异步多用户接收机解调算法，提出基于滑动迭代结构的异步多用户接入算法，详细过程如下。
由于初始迭代过程中，接收机只能利用第n-1个截断单元的解码结果和信道估计结果重构第n个截断单元的前向干扰，而将其后向干扰置零。则将式(8)中的干扰分段函数估计简化为
以图4滑动迭代结构中第n个截断单元为例，处理过程包含三个步骤：
①由第n-1个截断单元的解码结果和信道估计结果重构第n个截断单元的前向干扰，将其后向干扰置零，如式(17)；并按照图2中的五个模块解调第n个截断单元。
②由第n个截断单元的解码结果和信道估计结果重构第n+1个截断单元的前向干扰，将其后向干扰置零，如式(17)；并按照图2中的五个模块解调第n+1个截断单元。
③分别由第n-1和n+1个截断单元的解码结果和信道估计结果重构第n个截断单元的前向干扰和后向干扰，如式(8)；并按照图2中的五个模块再次解调第n个截断单元，完成后输出解码结果，则第n个截断单元处理完毕。
由以上三个步骤可知，滑动迭代结构仅需额外存储右侧相邻的截断单元信号，处理延迟大大减少。此外，在每个滑动单元内对第n个截断单元和第n+1个截断单元共解调3次，即可消除第n个截断单元的前向干扰和后向干扰，计算量适中。
Claims (1)
1.一种水声正交频分复用异步多用户接入方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)重叠截断：首先将接收的时域波形截断为独立处理单元进行解码，每个截断单元包括前向干扰、期望信号和后向干扰三部分；
接收端为了便于解码，将接收的时域波形截断为独立处理单元进行解码；采用重叠截断方法，定义每个截断单元的长度为OFDM符号周期T加上最大到达时延εmax，即第n个截断单元由三部分组成：①前向干扰：用户2～Nu的第n-1个CP-OFDM块的部分信号；②期望信号：Nu个用户的第n个CP-OFDM块的完整信号；③后向干扰：用户1～Nu-1第n+1个CP-OFDM块的部分信号；则水听器v得到的长度为的第n个截断单元的接收信号表示为
εu为用户u到达接收端的时延；CP-OFDM块周期为Tbl；
(2)干扰消除：
经重叠截断后异步接入带来的干扰包括前向干扰和后向干扰两部分，将第n个截断单元的干扰建模为一个分段函数，即
CP长度为Tcp；
水听器v长度为的第n个截断单元的接收信号重新表示为
对于已知接收端干扰分段函数并将其减掉，则可将第n个截断单元转化为准同步接入信号进行解调；设干扰分段函数估计值为为第n个截断单元的叠加背景噪声，则水听器v经过干扰消除的第n个截断单元的接收信号为
式中ηv(t；n)表示干扰消除后的残留干扰；
(3)频域过采样：对干扰消除后的截断单元进行频域过采样处理；
(4)多用户信道估计与解码；对频域过采样后的多用户叠加的频域信息，采用匹配追踪信道估计算法对每个用户进行信道估计与解码；
利用每个CP-OFDM块中各用户不交叠的梳状导频信息估计出第u个用户与第v个水听器之间的信道频响大小为K的子载波集合中包含数据子载波集SD；在第n个截断单元的第k个子载波上，来自Nr个水听器接收的数据组成的向量定义为来自Nu个用户的发送数据组成的向量定义为估计的信道频域矩阵维数是Nr×Nu，其第(v,u)个元素为则可得到准同步系统下第n个截断单元的第k个子载波上接收数据与发送数据之间的关系为
式中Λ[k；n]为Nu×Nu维对角阵，其对角线上第u个元素为α为过采样因子；η[k；n]与w[k；n]分别为Nr×1维残留干扰向量和噪声向量，定义为等效的信道频响矩阵；采用最小均方误差均衡得到的第n个截断单元的第k个子载波上Nu个用户的发送数据向量的估计为
式中I为Nu×Nu维单位阵；为等效的噪声干扰方差，由当前CP-OFDM块中的空载波估计得到；接收机进一步对进行信道解码得到用户发送的比特信息的估计；
(5)干扰重构；利用信道估计及解码数据，通过逆傅里叶变换重构相邻单元的前向干扰与后向干扰的时域波形；
利用信道频响矩阵估计及发送数据估计通过逆傅里叶变换重构CP-OFDM基带时域波形；则第v个水听器接收到的用户u的第n个CP-OFDM块的时域波形估计为
其中t∈[-Tcp,T]，将yv,u(t；n)用估计值替代后，分别重构第n-1个截断单元的后向干扰和第n+1个截断单元的前向干扰；
(6)处理当前截断单元时，额外存储相邻的下一个截断单元信号，在当前截断单元和下一截断单元之间共解调3次；
①由第n-1个截断单元的解码结果和信道估计结果重构第n个截断单元的前向干扰，将其后向干扰置零，并解调第n个截断单元；
②由第n个截断单元的解码结果和信道估计结果重构第n+1个截断单元的前向干扰，将其后向干扰置零，并解调第n+1个截断单元；
③分别由第n-1和n+1个截断单元的解码结果和信道估计结果重构第n个截断单元的前向干扰和后向干扰，并再次解调第n个截断单元，完成后输出解码结果，则第n个截断单元处理完毕；
滑动迭代结构仅需额外存储右侧相邻的截断单元信号，在每个滑动单元内对第n个截断单元和第n+1个截断单元共解调3次，即可消除第n个截断单元的前向干扰和后向干扰。
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