CN106487738A - 一种基于正交导频序列的水声ofdm通信系统选择性映射峰均比抑制算法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于正交导频序列的水声OFDM通信系统选择性映射峰均比抑制算法，具体涉及在发送端添加不同正交导频序列并利用其自相关特性来解决OFDM信号高峰值平均值功率比以及需要传输边带信息(SI)的问题，通过将发送数据乘以加扰相位序列并添加不同正交导频序列的方式降低OFDM符号的峰均功率比，利用不同正交梳状导频标记加扰相位序列，在接收端利用正交导频序列的自相关特性实现加扰相位序列的自主识别，实现了无需边带信息传输的选择性映射峰均比抑制。本发明中所设计的峰均比抑制算法表现出了优于传统算法的PAPR抑制性能以及完美的边带信息检测性能，实现无边带信息传输的可靠水声通信，有效地提高了通信系统的效率和可靠性。

Description

一种基于正交导频序列的水声OFDM通信系统选择性映射峰均 比抑制算法

技术领域

本发明涉及一种基于正交导频序列的水声OFDM通信系统选择性映射峰均比抑制算法，属于正交频分复用(OFDM)水声通信系统。

背景技术

水声通信中可用的带宽资源十分有限，严重限制了水声通信的质量和速率，影响OFDM在水声通信中广泛应用的一个重要障碍是其存在高PAPR的缺陷。这一缺陷不仅会限制发射系统效率，降低接收信号的信噪比，也会引起信号畸变、造成非线性失真、破坏子载波正交性，降低系统性能。国内外关于研究无线电OFDM通信技术中峰均比抑制算法的文献丰富，但是由于水声信道通信带宽资源有限，低信噪比、缓慢时变特性，简单采用传统峰均比抑制算法会明显降低系统通信速率。

SLM技术是在1996年R.w.Bauml提出的，其基本原理是利用M个加扰相位序列与输入信号X＝[X(0),X(1),...X(N-1)]相乘，其中n＝0,1,...N-1,m＝1,2,...M，加扰后数据为X^m＝[X^m(0),X^m(1),...X^m(N-1)]。对{X^m(n)}的M个不同OFDM符号进行独立的快速傅里叶逆变换(IFFT)变换得到x^m＝[x^m(0),x^m(1),...x^m(N-1)]，选择其中峰均比最小的OFDM符号作为传输序列。其中argmin(·)表示取使·最小的m值，max(·)表示取最大值。

SLM方法相比于简单的限幅方法会损失一些PAPR抑制效果，但没有误比特率性能损失。其不足之处在于需要进行多次的IFFT变换，计算复杂度较高，且为了准确的恢复原始数据，需要将发射机所采用的辅助信息准确无误的传递到接收机。为保证辅助信息的正确率，避免整符号误码灾难，需要采用多次重复发送的方式，或者对该信息进行特殊的编码，这将引入大量的边带信息，导致系统通信效率的降低以及频带的浪费。

本专利针对上述方案，进行了更深入的研究和创新。发明了一种适合水声OFDM通信系统的无边带信息的选择性映射算法，该方法以传统SLM算法为基础，结合水声信道的稀疏特点对算法进行改进。改进的算法利用不同的正交梳状导频序列携带相位旋转序列信息，在接收端利用正交导频的自相关特性实现了加扰相位序列的高可靠性自主区分，实现了无边带信息的选择性映射峰均比抑制，不仅改善了传统SLM算法中的峰均比抑制性能，还有效地提高了频带利用率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于正交导频序列的水声OFDM通信系统选择性映射峰均比抑制算法。

本发明的目的是这样实现的：包括数据发送端和数据接收端两个部分，

一、在数据发送端：

第一：加扰相位序列的产生：产生随机相位序列P^m＝[P^m(0),P^m(1),…,P^m(N-1)],0≤m≤M，其中M为加扰序列数目；

第二：数据加扰：将待发送数据S_D＝[S_D(0),S_D(1),…,S_D(N-1)]与所有M组加扰相位序列P^m＝[P^m(0),P^m(1),…,P^m(N-1)]相乘，m为其序号值，0≤m≤M，得到加扰后的全部数据序列

第三：添加梳状导频：对应M组加扰相位序列P^m存在M组正交梳状导频将加扰后数据序列分别与梳状导频序列组成候选OFDM符号S^m；

第四：快速傅里叶逆变换(IFFT)：正交频分复用调制得到时域信号s^m；

第五：选择传输OFDM符号：选择其中PAPR值最小的符号作为传输符号；

二、在数据接收端：

第一：快速傅里叶变换，得到的频域数据R(k)，k为子载波频域位置序号；

第二：提取梳状导频位置的频域接收信息R_P(k)，分别与M组已知导频序列相除后获得信道部分频域响应估计信息通过线性插值或匹配追踪等信道恢复算法，恢复出M组信道频域响应

第三：逐条上一步中所得到的M组信道频域响应的自相关系数，选取自相关系数最大者作为信道的频域响应估计值其对应的m值即为发送端所选取的加扰相位序列序号；

第四：利用得到的加扰相位序列对接收频域信号解扰码，并对其解映射、信道解码，完成恢复发送数据，实现无边带信息传输的SLM算法。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.在数据发送端的第三步中的导频序列应选用对PAPR抑制效果无负面影响的正交序列。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)针对OFDM符号高峰值平均值功率比的特点，采用数据子载波点乘多个加扰相位序列并添加正交梳状导频构成OFDM候选符号，并从中选择PAPR值最小的OFDM符号进行传输的方式避免高峰值的出现，降低通信系统的峰均功率比，提高发射换能器的效率，以期在相同声源级的条件下获得最大接收信噪比。2)本发明提出的改进算法利用正交的梳状导频携带加扰相位序列选择信息，避免了发送边带信息而占用水声通信中本不宽裕的频带资源，提高系统的频带利用率，同时也保证了通信系统的实时性。3)本发明所提出的基于正交导频序列的SLM算法利用正交导频序列的自相关特性，通过计算不同导频匹配得到的信道自相关系数的方式，寻找加扰相位序列选择信息，节约了传统SLM算法所必须的边带信息、降低了因边带信息解读错误而造成的误码灾难风险，降低了系统发送端能量消耗、提高了系统频带利用效率。

附图说明

图1是水声OFDM通信系统中基于正交导频的SLM算法发送端原理框图；

图2是水声OFDM通信系统中基于正交导频的SLM算法接收端原理框图；

图3是仿真信道冲激响应；

图4是本发明与传统SLM算法以及未加扰信号互补累积分布函数(CCDF)曲线对比图；

图5是高斯白噪声下本发明与传统SLM算法以及边带信息已知的SLM算法的系统误比特率(BER)性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明是一种基于正交导频序列的水声正交频分复用(OFDM)通信系统的选择性映射(SLM)峰均功率比(PAPR)抑制技术，具体涉及在发送端添加不同正交导频序列并利用其自相关特性来解决OFDM信号高峰值平均值功率比以及需要传输边带信息(SI)的问题。本发明设计了一种无边带信息的选择性映射峰均比抑制算法，通过将发送数据乘以加扰相位序列并添加不同正交导频序列的方式降低OFDM符号的峰均功率比，利用不同正交梳状导频标记加扰相位序列，在接收端利用正交导频序列的自相关特性实现加扰相位序列的自主识别，实现了无需边带信息传输的选择性映射峰均比抑制。本发明中所设计的峰均比抑制算法表现出了优于传统算法的PAPR抑制性能以及完美的边带信息检测性能，实现无边带信息传输的可靠水声通信，有效地提高了通信系统的效率和可靠性。

具体的说本发明包括如下步骤：

在数据发送端：

1.加扰相位序列的产生：产生随机相位序列P^m＝[P^m(0),P^m(1),…,P^m(N-1)],0≤m≤M，其中M为加扰序列数目。

2.数据加扰：在数据发送端，将待发送数据S_D＝[S_D(0),S_D(1),…,S_D(N-1)]与所有M组加扰相位序列P^m＝[P^m(0),P^m(1),…,P^m(N-1)],0≤m≤M相乘，得到加扰后的全部数据序列

3.添加梳状导频：对应M组加扰相位序列P^m存在M组正交梳状导频将加扰后数据序列分别与梳状导频序列组成候选OFDM符号S^m。此时每个候选OFDM符号的梳状导频已携带对应的加扰相位序列序号信息，即传统SLM方法中的边带信息。

4.快速傅里叶逆变换：正交频分复用调制得到时域信号s^m。

5.选择传输OFDM符号：选择其中PAPR值最小的符号作为传输符号。

所述步骤3的导频序列应选用正交序列，如Walsh序列，且应对PAPR抑制效果无负面影响，避免添加导频后的峰值再生。

在数据接收端：

1.快速傅里叶变换，得到的频域数据R(k)。

2.提取梳状导频位置的频域接收信息R_P(k)，分别与M组已知导频序列相除后获得信道部分频域响应估计信息通过线性插值或匹配追踪等信道恢复算法，恢复出M组信道频域响应

3.逐条计算步骤(2)中所得到的M组信道频域响应的自相关系数，选取自相关系数最大者作为信道的频域响应估计值其对应的m值即为发送端所选取的加扰相位序列序号。

4.利用得到的加扰相位序列对接收频域信号解扰码，并对其解映射、信道解码，即可恢复发送数据，实现无边带信息传输的SLM算法。

在数据发送端，将待发送数据S_D＝[S_D(0),S_D(1),…,S_D(N-1)]与所有M组加扰相位序列P^m＝[P^m(0),P^m(1),…,P^m(N-1)],0≤m≤M相乘，得到加扰后的全部数据序列对应M组加扰相位序列P^m＝[P^m(0),P^m(1),…,P^m(N-1)]存在M组正交的梳状导频序列(如Walsh序列)其上标m为序号值，0≤m≤M

添加正交梳状导频后的OFDM符号可表示为：

其中a、b为常数，当k∈Po时，a＝0,b＝1；当时，a＝1,b＝0。为OFDM符号中梳状导频子载波位置，下标中N_P代表梳状导频序列长度。

对M组OFDM符号进行快速傅里叶逆变换，得到对应时域信号s^m

根据峰均功率比的定义公式：

分别计算时域信号s^m的PAPR值，选择峰均比最小的序列作为传输序列。式(2)中，E(·)表示取期望。

利用正交导频的自相关特性自主识别选择性映射算法中所选加扰相位序列序号的盲检测器，是本发明中的峰均功率比抑制算法的核心部分。

在接收端经过快速傅里叶变换的频域数据可以表示为如下形式：

R(k)＝S(k)H(k)+W(k) (3)

其中S(k)为第k个子载波位置的发送数据，H(k)为频域第k个子信道响应，W(k)为频域第k个子信道上的噪声。

提取梳状导频位置的频域接收信息R_P(k)，分别与M组已知的正交导频序列相除后获得信道部分频域响应估计信息

通过线性插值或匹配追踪等信道恢复算法，恢复出M组信道频域响应

其中f(·)表示信道恢复算法。

逐个计算M组信道频域响应的自相关系数，选取自相关系数最大者作为信道的频域响应估计值其对应的m值即为发送端所选取的加扰相位序列序号。

式(6)中corr(·)为计算自相关值。利用得到的加扰相位序列对接收频域信号解扰码，并对其解映射、信道解码，即可恢复发送数据，实现无边带信息传输的SLM算法。

水声OFDM通信系统中基于正交导频的选择性映射抑制峰均比算法发送端和接收端的原理框图如图1、2所示。

下面的仿真实验是本发明的一个具体实例，通过此例可以对本发明的性能进行验证。

仿真条件：

在Matlab仿真平台中，构建OFDM水声通信系统，FFT长度8192，子载波数目1025，通信频带6～12kHz，随机生成10⁴个OFDM符号，正交相移键控(QPSK)映射，采用卷积码编码，仿真信道冲激响应如图3所示，4倍过采样。

首先对比本发明中所述基于正交导频的改进SLM方法与传统SLM方法的PAPR抑制性能，图4给出了本发明与传统SLM方式抑制PAPR后的OFDM符号的互补累积函数曲线对比图。从图中可以看出，引入正交导频后的OFDM符号在PAPR抑制性能上相较于传统SLM方法有约0.5dB的提升，这是因为不同的正交导频序列为OFDM符号带入了一定的随机性，致使PAPR相比于单一导频的SLM方法有了小幅度的降低。因此可以说明，本发明方法能够有效地降低峰值出现的概率，有更好的PAPR抑制效果。

本发明方法是一种无边带信息的SLM峰均比抑制算法，在提高频带利用率，降低发射功率损耗，以及降低由于通信系统受噪声等因素影响未能正确解读边带信息而造成误码灾难的风险等方面具有较大优势。传统的SLM算法需要在发送信号中增加相位序列选择信息，每个数据符号需要比特的边带信息，用来确定所选择的加扰相位序列的序号，其中表示的是向下取整，M为所采用的加扰序列的总数。并需要添加大量冗余(通常是编码冗余)以保证系统接收端能够正确解读这一信息，以避免由于边带信息解调错误而导致的整个符号信息解调错误灾难。相比于传统SLM算法，本发明算法无需将所选加扰相位序列的序号作为边带信息传输给接收端，利用正交梳状导频携带加扰序列选择信息，接收端可利用正交导频的自相关特性完成加扰相位序列的自主识别，实现对加扰相位序列选择信息有效解读。本发明方法节约了数据量，提高了数据传输效率和频带利用率，减少了因边带辅助信息错误而导致整个符号全部错误的概率，同时也提高了系统的通信效率，保证了通信的实时性。

图5给出了本发明与传统SLM方法以及边带信息已知的SLM方法在高斯白噪声环境下系统BER性能对比，从图中可以看出本发明方法要优于传统的SLM方法，且与边带信息已知的方法误比特率性能基本相当。充分说明本发明方法能够正确判断所选相位序列的序号，为接收机提供可靠的边带信息。本发明方法在6～7dB时即可保证水声通信的正常、可靠进行，优于传统SLM方法。通过对比可以看出，本发明方法能够准确的判断所选择相位序列的序号信息，为接收机提供完整、可靠的边带信息，避免了由于边带信息解调错误而导致的整个符号信息解调错误灾难，提高了系统通信效率，保证了通信的实时进行。

综上所述，本发明方法是一种适合浅海水声通信的无边带信息的选择性映射峰均比抑制算法。本发明方法免去了边带信息的传输，改进了边带信息的判别方式，克服了传统的SLM方法对边带信息的依赖，在改善PAPR抑制性能的同时，提高了系统的BER性能，提高了系统的通信效率和频带利用率，保证了水声OFDM通信系统的实时性和可靠性。

可以理解的是，以上实例仅为本发明应用的一个例子，本发明内容该例中所呈现的内容，任何基于本发明构思的替换和改进，均受到本发明专利的保护。

Claims (2)

1.一种基于正交导频序列的水声OFDM通信系统选择性映射峰均比抑制算法，其特征在于：包括数据发送端和数据接收端两个部分，

一、在数据发送端：

第一：加扰相位序列的产生：产生随机相位序列P^m＝[P^m(0),P^m(1),…,P^m(N-1)],0≤m≤M，其中M为加扰序列数目；

第二：数据加扰：将待发送数据S_D＝[S_D(0),S_D(1),…,S_D(N-1)]与所有M组加扰相位序列P^m＝[P^m(0),P^m(1),…,P^m(N-1)]相乘，m为其序号值，0≤m≤M，得到加扰后的全部数据序列

第三：添加梳状导频：对应M组加扰相位序列P^m存在M组正交梳状导频将加扰后数据序列分别与梳状导频序列组成候选OFDM符号S^m；

第四：快速傅里叶逆变换(IFFT)：正交频分复用调制得到时域信号s^m；

第五：选择传输OFDM符号：选择其中PAPR值最小的符号作为传输符号；

二、在数据接收端：

第一：快速傅里叶变换，得到的频域数据R(k)，k为子载波频域位置序号；

第二：提取梳状导频位置的频域接收信息R_P(k)，分别与M组已知导频序列相除后获得信道部分频域响应估计信息通过线性插值或匹配追踪等信道恢复算法，恢复出M组信道频域响应

第三：逐条上一步中所得到的M组信道频域响应的自相关系数，选取自相关系数最大者作为信道的频域响应估计值其对应的m值即为发送端所选取的加扰相位序列序号；

第四：利用得到的加扰相位序列对接收频域信号解扰码，并对其解映射、信道解码，完成恢复发送数据，实现无边带信息传输的SLM算法。

2.根据权利要求1所述的一种基于正交导频序列的水声OFDM通信系统选择性映射峰均比抑制算法，其特征在于：在数据发送端的第三步中的导频序列应选用对PAPR抑制效果无负面影响的正交序列。