CN109361423B - 一种在长延迟多径条件下的水下通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在长延迟多径条件下的水下通信方法，所述方法包括：步骤1)在信号发射端，将需要发送的信息序列进行扩频处理后得到包含U个bit信息的N个扩频符号，串联形成一个数据块，对数据块进行交织得到一个信息交织组；迭代P次后将P个信息交织组按顺序串联得到信息数据；选取一个与扩频符号都不相关的序列作为同步序列，将同步序列与信息数据进行正交调制后发射到水声信道中；步骤2)在信号接收端，对接收信号进行处理后依次截取得到P个数据块对应的信息交织组数据，利用同步序列从每个信息交织组数据中恢复出U个bit信息，将恢复的PU个bit信息作为接收信息。本发明的方法改进了常规扩频算法在长延迟多径信道下的性能。

Description

一种在长延迟多径条件下的水下通信方法

技术领域

本发明涉及水声通信领域，更具体地说，涉及一种在长延迟多径条件下的水下通信方法。

背景技术

水声通信信道复杂时变的多径效应会在接收端引起严重的码间干扰。扩频水声通信体制是对抗多径效应的常用手段，常用的有直接序列扩频、循环移位扩频、M元扩频和并行组合扩频等方式，一般都假设符号时间远大于信道响应时间。但是水声通信信道，特别是低频远程水声信道，多径延迟时间长，有时能达到几秒甚至十几秒，如果扩频符号周期小于信道长度，通信性能会显著下降，如果仍保持扩频符号周期大于信道长度，则会导致数据传输速率大幅降低。另外，由于发射端无法提前判断多径延迟时间长度，也会导致传统扩频通信系统参数设计困难。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，本发明提出一种在长延迟多径条件下进行水下信息传输的方法，对相邻的多个扩频符号采用不同交织的方式予以分割，将长延迟多径引起的符号间干扰转变为非相干干扰，进而大大改进了常规扩频方法在长延迟多径信道下的性能。

为了实现上述目的，本发明提出了一种在长延迟多径条件下的水下通信方法，所述方法包括：

步骤1)在信号发射端，将需要发送的信息序列进行扩频处理后得到包含U个bit信息的N个扩频符号，串联形成一个数据块，对数据块进行交织得到一个信息交织组；迭代P次后将P个信息交织组按顺序串联得到信息数据；选取一个与扩频符号都不相关的序列作为同步序列，将同步序列与信息数据进行正交调制后发射到水声信道中；

步骤2)在信号接收端，对接收信号进行处理后依次截取得到P个数据块对应的信息交织组数据，利用同步序列从每个信息交织组数据中恢复出NU个bit信息，将恢复的PNU个bit信息作为接收信息。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)设置数据块的序号i＝1；

步骤1-2)将需要发送的信息序列进行扩频：先进行串并转换，得到分配U个bit的信息的N个符号：b₁,b₂,…,b_N；分别将这N个符号对应的U个bit信息进行符号映射得到对应的扩频符号，表示为d₁,d₂,…,d_N；

步骤1-3)将N个扩频符号按照先后顺序串联形成一个数据块x_i，包含NU个bit信息；

步骤1-4)对数据块x_i进行交织，得到第i个信息交织组q_i＝Π_i(x_i)，Π_i表示采用第i个交织器进行交织运算；

步骤1-5)如果i＜P，P为一个数据帧中数据块的个数，令i加1，转入步骤1-2)；否则，转入步骤1-6)；

步骤1-6)将P个信息交织组按顺序串联得到信息数据Q＝[q₁,q₂,…,q_p]，共携带PNU个bit信息；

步骤1-7)选择一个与所使用的扩频符号不相关的任意已知序列作为同步序列，同步序列的长度为L；

步骤1-8)将同步序列重复P次扩展为和信息数据Q等长的同步数据I，并和信息数据Q这两路信号形成数据帧，进行正交QPSK调制，复基带信号为C＝I+jQ，其中j表示虚数单位；再将复基带信号调制到载波上得到发射信号，并发射到水声信道中。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1-2)的扩频为直接序列扩频、循环移位扩频、M元扩频或并行组合扩频。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1-4)的交织为：行列交织、伪随机交织或者随机交织。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)对接收信号进行带通滤波，并解调得到复基带接收信号r_c，利用同步序列对复基带信号r_c进行时频二维同步，估计出信号的起始时间τ₀，依次截取P个数据块对应的复基带信号r_c,1,r_c,2,…,r_c,P，称为信息交织组数据，设置信息交织组数据的序号i＝1；

步骤2-2)利用同步序列和第i个信息交织组数据r_c,i之间的相关运算结果，给出对应的信道结构估计，并选出其中能量最大的L个多径，记录下其分别对应的位置τ₁,τ₂,…,τ_L和幅度A₁,A₂,…,A_L；

步骤2-3)对第i个信息交织组数据r_c,i按照L个多径的起始位置进行多途合并，得到

上标符号“*”表示取复数共轭，r_c,i(τ_l)表示将序列r_c,i延迟τ_l；

步骤2-4)对多途合并后的信号进行去交织运算，得到

符号

表示采用第i个交织器进行去交织运算；

步骤2-5)对去交织后的数据进行符号解映射，得到每个扩频符号对应的数字信息估计

经过并串转换恢复出所传输的NU个bit信息；

步骤2-6)如果i＜P，令i加1，转入步骤2-2)，否则，转入步骤2-7)；

步骤2-7)恢复共计PNU个bit信息作为接收信息。

与已有技术相比，本发明的方法具有以下的有益效果：

1、本发明的方法通过对相邻的多个扩频符号采用不同交织的方式予以分割，将长延迟多径引起的符号间干扰转变为非相干干扰，打破了“扩频符号长度远大于信道长度”的限制，大大改进了常规扩频算法在长延迟多径信道下的性能；

2、本发明的方法采用不同交织区分不同的数据块，可以通过设计数量足够多的交织器去除通信数据的周期性，进而提高了传统扩频数据传输的隐蔽性。

附图说明

图1是本发明的水声信号发射方法的一个实施例中发射信号的一个数据块结构；

图2是本发明的水声信号发射方法的一个实施例中的发射数据帧结构；

图3是本发明的水声信号发射方法的一个实施例中的信号发射流程；

图4是本发明的水声信号接收方法中的信号解码流程；

图5是实例中海上水声通信试验中利用同步序列信号进行信道估计；

图6是实例中海上水声通信试验中多途合并去交织处理后时域信号；

图7是实例中多途合并去交织处理后多路相关器输出结果。

具体实施方式

为了改善和提高常规扩频算法在长延迟多径信道下的性能，本发明提出一种在长延迟多径条件下进行水下信息传输的方法，对相邻的多个扩频符号采用不同交织的方式予以分割，将长延迟多径引起的符号间干扰转变为非相干干扰，进而大大改进了常规扩频方法在长延迟多径信道下的性能。

该水下信息传输方法由信号发送处理和信号接收处理两部分组成。

本发明的水下信号发射方法包括以下步骤：

1)参数设计

本发明涉及的参数包括数据帧长度Z、同步序列长度L、数据块长度为K，一个数据块由N个扩频符号组成，每个扩频符号长度为M，因此满足K＝NM，同步序列长度可设计为数据块长度相同；每个数据帧包含P个数据块，即Z＝PK，P为正整数。同步序列可以选择为与所使用的扩频符号不相关的任意已知序列。

2)信息-符号映射

首先根据每个扩频符号所传递的信息bit数U和每个数据块的扩频符号数N这两个参数，将需要发送的信息序列进行串并转换，为N个扩频符号分别分配U个bit的信息，表示为b₁,b₂,…,b_N。分别对N个扩频符号对应的U个bit信息映射成对应的扩频符号，对应表示为d₁,d₂,…,d_N，所使用的扩频方式可以但不限于是直接序列扩频、循环移位扩频、M元扩频和并行组合扩频等。

3)数据块形成

将N个扩频符号按照先后顺序串联形成一个数据块x_i(i是初值为1的正整数)，其中包含NU个bit信息。

4)交织

对步骤3)中生成的数据块x_i进行交织，可以但不限于使用行列交织、伪随机交织或者随机交织等，得到第i个信息交织组q_i＝Π_i(x_i)，表示用交织器Π_i对数组x_i进行交织。

5)更新i＝i+1，重复步骤2)3)4)P次，形成P个信息交织组，注意每个数据块使用不同的交织器，分别设为Π₁,Π₂,…,Π_P，将每个数据块按顺序串联起来得到信息数据Q＝[q₁,q₂,…,q_p]，共携带PNU个bit信息；

6)正交调制

将同步序列重复P次扩展为和信息数据Q等长的同步数据I，并和信息数据Q这两路信号形成数据帧，进行正交QPSK调制，复基带信号为C＝I+jQ，其中j表示虚数单位。再将复基带信号调制到载波上得到最终发射信号，并发射到水声信道中。

本发明的接收方法包括如下步骤：

1)对接收信号r进行带通滤波，并解调得到复基带接收信号r_c，利用同步序列对复基带信号r_c进行时频二维同步，估计出信号的起始时间τ₀，依次截取P个数据块对应的复基带信号r_c,1,r_c,2,…,r_c,P，称为信息交织组数据，分别执行步骤2)至5)的处理，共P次；

2)利用同步序列和第i个(i是初值为1的正整数)信息交织组数据r_c,i之间的相关运算结果，给出对应的信道结构估计，并选出其中能量最大的L个多径，记录下其分别对应的位置τ₁,τ₂,…,τ_L和幅度A₁,A₂,…,A_L；

3)对第i个信息交织组数据r_c,i按照L个多径的起始位置进行多途合并，得

上标符号“*”表示取复数共轭，r_c,i(τ_l)表示将序列r_c,i延迟τ_l；

4)对多途合并后的信号进行去交织运算，得到

符号

表示采用第i个交织器进行去交织运算；

5)对去交织后的数据进行符号解映射，得到每个扩频符号对应的数字信息估计

经过并串转换恢复出所传输的NU个bit信息；

6)恢复共计PNU个bit信息作为接收信息。

以下将结合附图详细说明本发明的实施方式。

在本发明的实施方式中，讨论利用本发明中的方法进行深海远程水下信息传输的应用。

所用水声换能器匹配功率放大器后的信号发射系统带宽为4-8kHz，中心频率为6kHz，设定正交QPSK调制时码元周期为0.5ms。

发射端流程参考图2，首先进行参数设计，采用12阶m序列的前4064个作为同步序列，长度为4064×0.5ms＝2032ms。采用7阶Gold序列M元扩频作为信息传输方式，即在128个Gold序列族中选择1个作为扩频信息码发射，每个扩频信息码含有7bit，扩频符号长度为127，一个数据块由32个扩频符号组成，参考图1中一个数据块含有N＝32个扩频符号，长度为127×32＝4064，传递信息为224bit，一个数据帧由10个数据块组成，总时间20.3s，传递信息2240bit，数据传输率为110bps。发射数据帧格式参考图2所示。

发射端流程参考图3，首先将要发射的2240bit信息分成10个数据块，每个数据块传输224bit，再将各个数据块要传输的224bit信息转换成32个7bit。首先处理第1个数据块，通过符号映射将这32个7bit信息映射成32个扩频符号，按照先后顺序串联成数据块，表示为x ₁＝d₁,d₂,…,d₃₂，然后用交织器Π₁对该数据块进行伪随机交织，得到第一个信息交织组q₁＝Π₁(x₁)，长度为127×32＝4064；按照相同的方法分别处理剩余的9个数据块，得到q_i＝Π_i(x_i)，i＝2,3,…,10；将所生成的10个数据块串联合并为信息数据Q＝[q₁,q₂,…,q₁₀]，总长度为4064×10＝40640；将前面生成的同步序列重复10次得到同步数据，和信息数据Q组成两路信号进行正交QPSK调制，调制到6kHz载波上得到最终发射信号，并发射到水声信道中。

接收端流程参考图4，对接收信号进行带通滤波，并解调得到复基带接收信号，利用同步序列对复基带接收信号进行时频二维同步，估计出信号的起始时间为第83个采样点处，参考图5，自该点起依次截取10个长度为4060的复基带接收信号，称之为信息交织组数据，分别对应所发射的10个数据块；依次按照下面的步骤进行处理，首先对第1个信息交织组数据r_c,1进行处理；并利用同步序列和该信息交织组数据之间的相关运算结果，给出当前的信道结构估计，参考图5，选出其中能量最大的3个多径，记录下其分别对应的位置为τ₁＝83,τ₂＝142,τ₃＝249和幅度A₁＝0.42-0.03j,A₂＝0.29+0.01j,A₃＝0.12-0.01j，其中j表示虚数单位。对该信息交织组数据r_c,1按照3个多径的起始位置进行多途合并，得到

上标符号“*”表示取复数共轭，r_c,1(τ_l)表示将序列r_c,1延迟τ_l；对多途合并后的信号进行去交织运算，得到

符号

表示采用第1个交织器进行去交织运算，其时域波形参考图6；对去交织后的数据进行符号解映射，如第1个扩频符号对应的多路相关器输出结果参考图7，图中扩频信息序列序号为52，这样可以得到每个扩频符号对应的数字信息估计

经过并串转换恢复出所传输的U个bit信息；对后续的9个数据块重复进行上述解调过程，得到完整的发射信息数据共计10U个bit，完成整个通信过程。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种在长延迟多径条件下的水下通信方法，所述方法对相邻的多个扩频符号采用不同交织的方式予以分割，将长延迟多径引起的符号间干扰转变为非相干干扰；所述方法包括：

步骤1)在信号发射端，将需要发送的信息序列进行扩频处理后得到包含U个bit信息的N个扩频符号，串联形成一个数据块，对数据块进行交织得到一个信息交织组；迭代P次后将P个信息交织组按顺序串联得到信息数据；选取一个与扩频符号都不相关的序列作为同步序列，将同步序列与信息数据进行正交调制后发射到水声信道中；

步骤2)在信号接收端，对接收信号进行处理后依次截取得到P个数据块对应的信息交织组数据，利用同步序列从每个信息交织组数据中恢复出NU个bit信息，将恢复的PNU个bit信息作为接收信息。

2.根据权利要求1所述的在长延迟多径条件下的水下通信方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)设置数据块的序号i＝1；

步骤1-2)将需要发送的信息序列进行扩频：先进行串并转换，得到分配U个bit的信息的N个符号：b₁,b₂,…,b_N；分别将这N个符号对应的U个bit信息进行符号映射得到对应的扩频符号，表示为d₁,d₂,…,d_N；

步骤1-3)将N个扩频符号按照先后顺序串联形成一个数据块x_i，包含NU个bit信息；

步骤1-4)对数据块x_i进行交织，得到第i个信息交织组q_i＝Π_i(x_i)，Π_i表示采用第i个交织器进行交织运算；

步骤1-5)如果i＜P，P为一个数据帧中数据块的个数，令i加1，转入步骤1-2)；否则，转入步骤1-6)；

步骤1-6)将P个信息交织组按顺序串联得到信息数据Q＝[q₁,q₂,…,q_p]，共携带PNU个bit信息；

步骤1-7)选择一个与所使用的扩频符号不相关的任意已知序列作为同步序列，同步序列的长度为L；

步骤1-8)将同步序列重复P次扩展为和信息数据Q等长的同步数据I，并和信息数据Q这两路信号形成数据帧，进行正交QPSK调制，复基带信号为C＝I+jQ，其中j表示虚数单位；再将复基带信号调制到载波上得到发射信号，并发射到水声信道中。

3.根据权利要求2所述的在长延迟多径条件下的水下通信方法，其特征在于，所述步骤1-2)的扩频为直接序列扩频、循环移位扩频、M元扩频或并行组合扩频。

4.根据权利要求2所述的在长延迟多径条件下的水下通信方法，其特征在于，所述步骤1-4)的交织为：行列交织、伪随机交织或者随机交织。

5.根据权利要求2-4之一所述的在长延迟多径条件下的水下通信方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)对接收信号进行带通滤波，并解调得到复基带接收信号r_c，利用同步序列对复基带信号r_c进行时频二维同步，估计出信号的起始时间τ₀，依次截取P个数据块对应的复基带信号r_c,1,r_c,2,…,r_c,P，称为信息交织组数据，设置信息交织组数据的序号i＝1；

步骤2-2)利用同步序列和第i个信息交织组数据r_c,i之间的相关运算结果，给出对应的信道结构估计，并选出其中能量最大的L个多径，记录下其分别对应的位置τ₁,τ₂,…,τ_L和幅度A₁,A₂,…,A_L；

步骤2-3)对第i个信息交织组数据r_c,i按照L个多径的起始位置进行多途合并，得到上标符号“*”表示取复数共轭，r_c,i(τ_l)表示将序列r_c,i延迟τ_l；

步骤2-4)对多途合并后的信号进行去交织运算，得到

符号

表示采用第i个交织器进行去交织运算；

步骤2-5)对去交织后的数据进行符号解映射，得到每个扩频符号对应的数字信息估计

经过并串转换恢复出所传输的NU个bit信息；

步骤2-6)如果i＜P，令i加1，转入步骤2-2)，否则，转入步骤2-7)；

步骤2-7)恢复共计PNU个bit信息作为接收信息。

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