CN109462443A - 一种5g多载波水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种5G多载波(广义频分复用)水声通信方法，属于水声通信领域，涉及广义频分复用(GFDM，Generalized Frequency Division Multiplexing)水声通信技术。本发明提出了一种适用于水声领域的GFDM通信系统，包括系统整体实现及发射端和接收端结构，实现了在带宽资源有限的水声信道中，子块和子载波数目的灵活选择，提高了频谱利用率。并且GFDM技术具有更低的峰均比，使其更适用于多为电池供电的水声系统中，能够更为有效的利用能量。本发明的目的是针对信道带宽资源有限的水声通信领域，提供一种有效利用信道资源和零散频谱资源的方法，可促进未来水下组网技术的发展。

Description

一种5G多载波水声通信方法

技术领域

本发明涉及一种5G多载波(广义频分复用)水声通信方法，属于水声通信领域，涉及 广义频分复用(GFDM，Generalized Frequency Division Multiplexing)水声通信技术。

背景技术

5G通信是无线电领域中提出的一种尚处于探索阶段的移动通信技术，该技术能够发展更 高的数据传输速率和更高的频谱利用效率并且能够与其他先进技术完美结合，是一种可根据 实际需要分配资源的智能通信技术。新一代通信技术要求其可根据实际通信需求进行感知和 调整，符合未来移动通信中变化快速、多样的需求。在未来5G系统中，主要需求为高数据 传输速率，这种对高数据传输速率的需求对带宽资源有限的水声通信系统更为重要。因此， 多载波通信技术再一次引起了研究人员的关注。在水声通信中，频谱资源极为有限，因此， 如何充分利用频谱资源，乃至一些空白频谱成为了未来的研究重点。通常，一些空白频谱所 处频段不同并且往往具有非连续性，传统多载波技术中的常用技术-(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术较难实现对这些频谱资源的利用，并且技术要求各个子载 波必须严格正交，使得系统对频偏敏感，另外，多个子载波的叠加也会产生较高的峰均比， 且该值会随着子载波数目的增多而变大，而水声信道带宽资源有限，为了在通信频带内尽可 能多的传输信息，多载波水声通信系统的子载波数目往往较大，故OFDM水声通信系统有可 能具有更高的峰值平均功率比，这就对水声通信系统的功率放大器提出了更高的要求，犹如 前文所说，即使功率放大器达到了发射信号的要求，较高的峰均比也会使功放长时间工作在 大信号区，造成能量的浪费。

发明内容

本发明的目的是针对信道带宽资源有限的水声通信领域，提供一种有效利用信道资源和 零散频谱资源的方法。

本发明提出了一种适用于水声领域的GFDM通信系统，包括系统整体实现及发射端和接 收端结构，实现了在带宽资源有限的水声信道中，子块和子载波数目的灵活选择，提高了频 谱利用率。并且GFDM技术具有更低的峰均比，使其更适用于多为电池供电的水声系统中， 能够更为有效的利用能量。本发明的目的是针对信道带宽资源有限的水声通信领域，提供一 种有效利用信道资源和零散频谱资源的方法，可促进未来水下组网技术的发展。

因此，本发明一种5G多载波水声通信方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：在发射端，对源数据进行编码，对编码后的数据进行GFDM调制，代表GFDM调制后的信号；

步骤二：对GFDM调制后的信号添加循环前缀；

若T₀代表子符号周期，T_cp代表循环前缀长度，则一个GFDM的符号周期为：

T_GFDM＝T_cp+M·T₀

其较OFDM技术使用更少的循环前缀，因此，具有更高的频谱效率；

步骤三：调制后的信号经过水声信道后，在接收端，对数据进行同步、水声信道估计与 均衡后，进行GFDM解调；

步骤四：对GFDM解调后的信号进行解映射和解码。

优选地，本发明还包括选自如下1-4中的特征：

1.步骤一中GFDM调制过程为：

经过调制后的数据向量可表示为其中，且d_k,m代表传输在第k个子载波和第m个子符号上的数据，该数据对应的冲击响应为：

其中,n代表采样点，从上式中可以看出，每一个g_k,m[n]都是原型滤波器经过不同时间和频率 的变换获得的，

发射数据可表示为：

令上等式可写为

GFDM中调制矩阵A的维度为KM×KM(K个子载波，M个子符号)，可表示为：

是经过时域频域移位生成的，类比和是的循环移 位。

2.步骤一中GFDM调制矩阵A的维度中参数K的选取方法分为两大类，其中第一类为：

当信道条件良好时，根据水声信道可用带宽，首先设置参数K的值，依据子载波数目参 数K将可用带宽资源平均分配、另从数据长度N及关系式K×M＝N，推算出子块数目参数M 的值。

3.步骤一中GFDM调制矩阵A的维度中参数K的选取方法分为两大类，其中第二类为：

当信道条件不好或想利用零散频谱信息时，依据信道带宽频率的限制范围，采用自适应 方法灵活设置子载波数目参数K，依据数据长度N及关系式K×M＝N，推算出子块数目参数 M的值。

4.步骤三中GFDM解调后经水声信道传输过程为：

经过水声信道后，接收信号为：

其中，代表接收信号，代表发射信号，水声信道传输函数用H表示，假设考虑高斯白噪 声存在的情况，高斯白噪声用表示；在接收端，时频同步后，去循环前缀，

经过信道估计和均衡后，接收信号为可表示为：

5.步骤三中GFDM解调过程为：

解调所用的矩阵B的维数和调制矩阵A相同，当接收端采用不同的均衡方式时，矩阵B 的形式不同，以匹配滤波、迫零均衡和最小均方误差准则这三种方式为例，在这几种均衡方 式下矩阵B的形式分别用B_MF,B_ZF和B_MMSE来表示，可分别表示为：

B_MF＝A^H

B_ZF＝A^-1

其中，噪声和信号的方差分别为和最终解调后获得估计的发射数据

GFDM技术的这种可灵活选择子载波数目和子块数目的优点，使其在广义上涵盖单载波 技术和OFDM技术。一个GFDM符号则在时域和频域分别被分割，时域上被分割成M个子符号，频域上被分割成K个子载波。当GFDM系统子符号数M＝1且滤波器组(F_N为N×N的傅里叶变换矩阵，F^H是F的Hermitian变换矩阵)时，GFDM技术就相当于OFDM 技术。当子载波数目K＝1且是Dirichlet脉冲时，GFDM技术就相当于单载波频域均衡 (SC-FDE,SingleCarrier Frequency Domain Equalization)技术。并且GFDM技术具有更多可 选择的滤波器组。因此，GFDM以牺牲一些额外的实现复杂度为代价来保留OFDM技术的一 些主要优点。GFDM技术的块状结构可以根据要求进行设计，特别是对带宽有限的系统。在 子块和子载波数量上的选择的灵活性使得GFDM可以充分利用分散的频谱，大大提高了频谱 效率，并且可以更为方便的应用到多用户水声通信中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在水声通信领域中利用GFDM技术， 实现了在带宽资源有限的水声信道中子块和子载波数目的灵活选择，提高了频谱利用率，并 且GFDM技术更低的峰均比使其更适用于多为电池供电的水声系统中，能够更有效的利用能 量。

附图说明

图1是GFDM多载波水声通信系统框图；

图2是GFDM多载波水声通信系统调制器结构图；

图3是不同通信系统时频分割示意图：OFDM,SC-FDE,GFDM；

图4是GFDM多载波水声通信系统数据块结构；

图5是滚降因子0.9，K＝5，M＝9的调制矩阵；

图6是滚降因子0.1，K＝8，M＝9的调制矩阵；

图7是滚降因子0.9，K＝8，M＝9的调制矩阵；

图8是滚降因子0.9，K＝10，M＝9的调制矩阵。

具体实施方式

无线电5G通信多载波技术包括广义多载波技术(GMC，Generalized Multi-Carrier)技术、 滤波器组多载波技术(FBMC，Filter Bank Multi Carrier)技术、广义频分复用(GFDM， Generalized Frequency Division Multiplexing)技术和双正交频分复用技术(BFDM，Biorthogonal Frequency Division Multiplexing)技术等。本发明针对GFDM技术展开研究，与OFDM技术 的不同之处在于，其可以根据实际需要对原型滤波器的冲击响应和频率响应进行设计，各个 子载波之间无需正交；可灵活的实现子载波带宽和子载波的交叠程度等方面的设计，进而可 以降低相邻子载波间的干扰；GFDM可灵活设置子载波数目和子块数目的优势使得其可以充 分利用零散的频谱资源实现通信；各个子载波间的同步、信道估计、检测等均可在各子载波 上单独进行，因此，更适合于难以实现各用户间严格同步的上行链路中。以上优势使得这种 多载波技术更亦适用于频谱资源有限的水声通信领域中。目前，GFDM技术在无线电领域中 尚处于起步阶段，Gerhard Fettweis和N.Michailow等人在2014年开始对GFDM技术进行了 初步的研究，对包括滤波器组对系统误码率性能的影响、调制器和系统结构等方面展开的研 究。GFDM技术的以上优势，使得其更适用于未来水声通信及水下组网技术中。因此，本发 明研究基于新兴5G多载波技术-GFDM技术的水声通信系统。

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。

本发明包括如下步骤：

步骤一：在发射端，对二进制源数据进行编码，对编码后的数据进行GFDM调制，代表GFDM调制后的信号；其中调制器的详细结构如图2所示。首先，在发射端将N个数 据进行串并转换，之后将数据进行分组，分为K组(即前文所说的K个子载波)，每组传输 M个子符号(即前文所说的M个子符号)，并满足M×K＝N。每一组对应一个子载波进行 传输，最后将调制好的数据合并传输。其中，d_k,m代表传输在第k个子载波，第n个子符号

上的数据；g_k,m是该数据对应的滤波器的冲击响应；

步骤二：对GFDM调制后的信号添加循环前缀；

GFDM技术的这种可灵活选择子载波数目和子块数目的优点，使其在广义上涵盖单载波 技术和OFDM技术，三种通信方式的时频分割方式如图3所示，从图中可以看出，OFDM的符号结构为一个OFDM符号在其频域内被分为N个子载波，对于单载波符号来说，将其所在时域部分分成N个子符号，而一个GFDM符号则在时域和频域分别被分割，时域上被分割成 M个子符号，频域上被分割成K个子载波。图4详细的给出了GFDM的数据块内部结构。

若T₀代表子符号周期，T_cp代表循环前缀长度，则一个GFDM的符号周期为 T_GFDM＝T_cp+M·T₀，其较OFDM技术使用更少的循环前缀，因此，具有更高的频谱效率；

步骤三：调制后的信号经过水声信道后，在接收端，对数据进行同步、水声信道估计与 均衡后，进行GFDM解调；

步骤四：对GFDM解调后的信号进行解映射和解码。

本发明一种5G多载波水声通信技术，更为详尽的对本法进行描述：

1.步骤一中GFDM调制过程为：

GFDM通信系统框图如图1所示，经过调制后的数据向量可表示为其中，且d_k,m代表传输在第k个子载波和第m个子符号上的数据，该数 据对应的冲击响应为：

其中,n代表采样点。从上式中可以看出，每一个g_k,m[n]都是原型滤波器经过不同时间和频率 的变换获得的。

发射数据可表示为：

令上式可写为

GFDM中调制矩阵A的维度为KM×KM(K个子载波，M个子符号)，可表示为：

是经过时域频域移位生成的，类比和是的循环移 位。

GFDM通信系统具有较多的可供选择的滤波器频域响应。

2.步骤一中GFDM调制矩阵A的维度中参数K的选取方法分为两大类，其中第一类为：

当信道条件良好时，根据水声信道可用带宽，首先设置参数K的值，依据子载波数目参 数K将可用带宽资源平均分配、另从数据长度N及关系式K×M＝N，推算出子块数目参数M 的值。

3.步骤一中GFDM调制矩阵A的维度中参数K的选取方法分为两大类，其中第二类为：

当信道条件不好或想利用零散频谱信息时，依据信道带宽频率的限制范围，采用自适应 方法灵活设置子载波数目参数K，依据数据长度N及关系式K×M＝N，推算出子块数目参数 M的值。

4.步骤三中GFDM解调后经水声信道传输过程为：

经过水声信道后，接收信号为：

其中，代表接收信号，代表发射信号，水声信道传输函数用H表示，假设考虑高斯白噪 声存在的情况，高斯白噪声用表示。在接收端，时频同步后，去循环前缀。

经过信道估计和均衡后，接收信号为可表示为：

5.步骤三中GFDM解调过程为：

解调所用的矩阵B的维数和调制矩阵A相同，当接收端采用不同的均衡方式时，矩阵B 的形式不同，以匹配滤波、迫零均衡和最小均方误差准则这三种方式为例，在这几种均衡方 式下矩阵B的形式分别用B_MF,B_ZF和B_MMSE来表示，可分别表示为：

B_MF＝A^H

B_ZF＝A^-1

其中，噪声和信号的方差分别为和最终解调后获得估计的发射数据

图6和图7是GFDM调制矩阵A在不同参数条件下的示意图，其中矩阵A选择子载波数目K＝8，子块数目M＝9，图6中调制矩阵A的滚降因子为0.1，图7选择的滚降因子为0.9。从这几幅图中可以看出，随着滚降因子的增大，滤波器组的旁瓣减小。

以上所述具体实例，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡 是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的 保护范围之内。

Claims (6)

1.一种5G多载波水声通信方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤一：在发射端，对源数据进行编码，对编码后的数据进行GFDM调制，代表GFDM调制后的信号；

步骤二：对GFDM调制后的信号添加循环前缀；

若T₀代表子符号周期，T_cp代表循环前缀长度，则一个GFDM的符号周期为：

T_GFDM＝T_cp+M·T₀

其较OFDM技术使用更少的循环前缀，因此，具有更高的频谱效率；

步骤三：调制后的信号经过水声信道后，在接收端，对数据进行同步、水声信道估计与均衡后，进行GFDM解调；

步骤四：对GFDM解调后的信号进行解映射和解码。

2.根据权利要求1所述的一种5G多载波水声通信方法，其特征在于：步骤一中GFDM调制过程为：

经过调制后的数据向量可表示为其中，且d_k,m代表传输在第k个子载波和第m个子符号上的数据，该数据对应的冲击响应为：

其中，n代表采样点，从上式中可以看出，每一个g_k,m[n]都是原型滤波器经过不同时间和频率的变换获得的；

发射数据可表示为：

令上式可写为

GFDM中调制矩阵A的维度为KM×KM(K个子载波，M个子符号)，可表示为：

是经过时域频域移位生成的，类比和是的循环移位。

3.根据权利要求1所述的一种5G多载波水声通信方法，其特征在于：步骤一中GFDM调制矩阵A的维度中参数K的选取方法分为两大类，其中第一类为：

当信道条件良好时，根据水声信道可用带宽，首先设置参数K的值，依据子载波数目参数K将可用带宽资源平均分配、另从数据长度N及关系式K×M＝N，推算出子块数目参数M的值。

4.根据权利要求1所述的一种5G多载波水声通信方法，其特征在于：步骤一中GFDM调制矩阵A的维度中参数K的选取方法分为两大类，其中第二类为：

当信道条件不好或想利用零散频谱信息时，依据信道带宽频率的限制范围，采用自适应方法灵活设置子载波数目参数K，依据数据长度N及关系式K×M＝N，推算出子块数目参数M的值。

5.根据权利要求1所述的一种5G多载波水声通信方法，其特征在于：步骤三中GFDM解调后经水声信道传输过程为：

经过水声信道后，接收信号为：

其中，代表接收信号，代表发射信号，水声信道传输函数用H表示，假设考虑高斯白噪声存在的情况，高斯白噪声用表示；在接收端，时频同步后，去循环前缀；

经过信道估计和均衡后，接收信号为可表示为：

6.根据权利要求1所述的一种5G多载波水声通信方法，其特征在于：步骤三中GFDM解调过程为：

解调所用的矩阵B的维数和调制矩阵A相同，当接收端采用不同的均衡方式时，矩阵B的形式不同，以匹配滤波、迫零均衡和最小均方误差准则这三种方式为例，在这几种均衡方式下矩阵B的形式分别用B_MF,B_ZF和B_MMSE来表示，可分别表示为：

B_MF＝A^H

B_ZF＝A^-1

其中，噪声和信号的方差分别为和最终解调后获得估计的发射数据