CN110138461B - 自适应多入多出与正交频分复用相结合的水声通信方法 - Google Patents

自适应多入多出与正交频分复用相结合的水声通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种自适应多入多出与正交频分复用相结合的水声通信方法。在SFBC自适应MIMO‑OFDM水声通信系统中使用MMP‑DCD‑CV信道估计和空频软均衡，在频域MIMO‑OFDM水声通信中，利用SFBC减少双扩水声信道带来的载波间干扰，利用自适应信道估计完成时变信道追踪，利用MMP‑DCD‑CV完成单OFDM块信道估计并通过空频软均衡进行频域均衡减少码间干扰。本发明提高了双扩时变水声信道的传输速率和准确性问题。本发明适用于水声通信技术领域。

Description

自适应多入多出与正交频分复用相结合的水声通信方法
技术领域
本发明涉及的是一种通信方法，具体地说是一种MIMO-OFDM水声通信方法。
背景技术
为提高带宽利用率将正交频分复用(OFDM)技术与多入多出(MIMO)相结合，同时也有效的降低了由于带宽有限和严重的多途效应引起的码间干扰。但水声信道严重的多普勒效应和快时变性破坏MIMO-OFDM系统中子载波的正交性，产生载波间干扰，影响MIMO-OFDM系统的通信性能。近年来，利用分集增益提高系统传输性能的空频分组编码逐步引入水声通信。由于水声信道为快时变信道，基本OFDM的设计准则满足频率一致性假设，即子载波在空间上足够紧密，以保证子载波传递函数的平滑性，因此OFDM系统更易满足SFBC的实现要求。并且，在快衰落的水声信道中，当归一化多普勒频率大时，SFBC显示出更好的传输分集。
水声信道稀疏性的证实，使得以压缩感知为基础的信道估计技术在水声通信中迅猛发展，压缩感知理论对有效信号进行采样压缩，将信道估计变为重建稀疏信号，有效提高了频带利用率。为了减少由于时延扩展所造成的符号间干扰和深衰落引起的误码率的增加，利用MAP均衡基本思想基础上形成的空频软均衡算法进行均衡。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效追踪时变信道及提高传输准确性的自适应多入多出与正交频分复用相结合的水声通信方法。
本发明的目的是这样实现的：
步骤1、信源发送每块长度为K的二进制比特数据包a(n)，进行卷积码编码生成二进制比特数据包b(n)，进行交织得到二进制比特数据包c(n)，根据星座符号s＝{s0,s1,…,sM}进行Q＝log2M阶调制，sm∈C,m＝1,…,M，得到复数数据包d(n)＝[d0(n),d1(n),…,dK-1(n)]T，进行类Alamouti空频编码，定义复数数据包dk'(n)＝[d2k'(n),d2k'+1(n)]T,其中，k'＝0,1,…,K/2-1，得两个发射机的发射信号：
Figure BDA0002048249650000011
Figure BDA0002048249650000012
对所述发射信号分别进行OFDM调制后发射；
步骤2、在接收系统中，首先同步接收到的信号R，利用FFT对OFDM符号解调得到接收信号y，利用IFFT/FFT进行OFDM调制解调；
步骤3、利用自适应信道估计跟踪时变信道，稀疏信道估计某时刻信道；
步骤4、某时刻的接收部分同步、解调之后，进行信道估计和初始化符号估计，初始均衡利用初始符号估计结果
Figure BDA0002048249650000029
计算外部对数似然比Le，再利用MAP译码得到后验对数似然比L和首次均衡得到的信源信息估计值
Figure BDA00020482496500000210
利用均衡后得到的
Figure BDA00020482496500000211
重新编码调制，进行空频编码并重新进行信道估计，得到信道估计结果
Figure BDA00020482496500000212
利用接收后多通道处理得到的接收信号y，MAP译码得到后验对数似然比L和新的信道估计
Figure BDA00020482496500000213
重新进行频域均衡，实现频域均衡迭代。
本发明还可以包括：
1.步骤2具体包括：
将第t发射机到第r接收机第n个OFDM块、第k个载波的信道传递函数定义为
Figure BDA0002048249650000021
第r接收机第n个OFDM块、第k'个载波对上的接收信号，进行FFT解调之后表示为：
Figure BDA0002048249650000022
其中，
Figure BDA0002048249650000023
Figure BDA0002048249650000024
为零均值加性噪声分量，同样若使用MR个接收元素，整体用向量标识为：
Figure BDA0002048249650000025
2.步骤3具体包括：水声信道模型为
Figure BDA0002048249650000026
其中，
Figure BDA0002048249650000027
和
Figure BDA0002048249650000028
分别代表第i路的增益和时延，fk＝f0+kΔf代表第k个子载波的频率，设路径增益在相邻的OFDM块之间是慢变的，延迟模型表示为：
Figure BDA0002048249650000031
其中，at,r＝vt,r/c为多普勒比例因子，T'为符号传输时间，设接收设备都被固定在一点，而移动来自于发射机，at,r便简化为at，利用延迟模型将传递函数分解为相位增量
Figure BDA0002048249650000032
和幅度增益
Figure BDA0002048249650000033
的函数用于实现有效的信道追踪。
3.步骤4中所述的信道估计是采用自适应信道估计算法，具体包括：
步骤1.1、判决，
设前一个块结束时，根据估计
Figure BDA0002048249650000034
和
Figure BDA0002048249650000035
预测的
Figure BDA0002048249650000036
和
Figure BDA0002048249650000037
在当前块n开始时是可用的，SFBC系统中，预测用于形成信道矩阵
Figure BDA0002048249650000038
进行符号判决；
步骤1.2、稀疏信道估计；
步骤1.3、相位追踪，
测量当前块估计值和上一个块过时估计之间的相位偏差并用角度表示为：
Figure BDA0002048249650000039
由上式获得的相位偏差进行当前块多普勒因子的估计为：
Figure BDA00020482496500000310
相位迭代更新为：
Figure BDA00020482496500000311
步骤1.4、信道追踪，
更新
Figure BDA00020482496500000312
被用于补偿
Figure BDA00020482496500000313
的时变相位，信道增益被更新：
Figure BDA00020482496500000314
其中，波长λ∈(0,1)；
步骤1.5、进行下一块的预测，
增益简单预测为：
Figure BDA00020482496500000315
相位预测为：
Figure BDA0002048249650000041
对自适应信道估计进行初始化，相位和多普勒因子初始值设为零。
4.所述的稀疏信道估计采用MMP-DCD-CV算法。
5.所述的计算外部对数似然比的方法如下：
Figure BDA0002048249650000042
其中，
Figure BDA0002048249650000043
Figure BDA0002048249650000044
设噪声是均值为0，方差为
Figure BDA0002048249650000045
独立高斯分布，对于任意载波对d(k')有M2种可能的符号取值表示为SS，c(k',i)表示第k'个子载波对，即2k'和2k'+1中某子载波上第i个传输比特，i＝1,…,Q,Q表示调制阶数，其中，d(k')＝[d(2k'),d(2k'+1)]T，d(2k')和d(2k'+1)分别表示c(2k')和c(2k'+1)对应编码后的传输符号，
Figure BDA0002048249650000046
MR表示接收阵元个数，第mr个阵元对应的接收向量为
Figure BDA0002048249650000047
本发明是为了解决基于传统算法的MIMO-OFDM通信方法无法有效追踪时变信道及提高传输准确性的问题而提出的。
本发明使用自适应信道估计、稀疏信道估计及频域均衡技术，有效的提高了通信系统的通信效率。和传统的MIMO-OFDM系统相比，本发明可以有效追踪是信道，准确进行稀疏信道估计及均衡，提高了通信性能。
附图说明
图1为SFBC-MIMO-OFDM发射系统框图；
图2为SFBC-MIMO-OFDM接收系统框图；
图3为空频软均衡算法结构。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
具体实施方式一：一种基于SFBC利用MMP-DCD-CV信道估计和空频软均衡的自适应MIMO-OFDM水声通信方法，包括下述步骤：
步骤1、信源发送每块长度为K的二进制比特数据包a(n),代表第n个OFDM数据块，对a进行卷积码编码，生成二进制比特数据包b(n),对生成序列进行交织得到二进制比特数据包c(n)，对c根据星座符号s＝{s0,s1,…,sM}进行Q＝log2M阶调制，sm∈C,m＝1,…,M，得到复数数据包d(n)＝[d0(n),d1(n),…,dK-1(n)]T，对d进行类Alamouti空频编码，定义复数数据包dk'(n)＝[d2k'(n),d2k'+1(n)]T,其中，k'＝0,1,…,K/2-1,两个发射机的发射信号可得：
Figure BDA0002048249650000051
Figure BDA0002048249650000052
对发送信号x分别进行OFDM调制后发射，利用IFFT/FFT进行OFDM调制解调。
步骤2、在接收系统中，首先需要同步接收到的信号R，利用FFT对OFDM符号解调得到接收信号y将t发射机到r接收机第n个OFDM块、第k个载波的信道传递函数定义为
Figure BDA0002048249650000053
由于SFBC采用Alamouti的基本思想，以频率为基础进行分组，r接收机第n个OFDM块、第k'个载波对上的接收信号，在进行FFT解调之后表示：
Figure BDA0002048249650000054
其中，
Figure BDA0002048249650000055
Figure BDA0002048249650000056
为零均值加性噪声分量，同样若使用MR个接收元素，整体用向量标识为：
Figure BDA0002048249650000057
步骤3、利用自适应信道估计跟踪时变信道，稀疏信道估计某时刻信道。水声信道模型为：
Figure BDA0002048249650000058
其中，
Figure BDA0002048249650000059
和
Figure BDA00020482496500000510
分别代表第i路的增益和时延，fk＝f0+kΔf代表第k个子载波的频率。假设路径增益在相邻的OFDM块之间是慢变的，延迟模型可表示为：
Figure BDA0002048249650000061
其中，at,r＝vt,r/c为多普勒比例因子，T'为符号传输时间，假设接收设备都被固定在一点，而主要的移动来自于发射机，at,r便可简化为at。在频域上被看做是额外线性相位成分的时延差足够小，导致传递函数
Figure BDA0002048249650000062
的相位在载波间是慢变的。利用延迟模型将传递函数分解为相位增量
Figure BDA0002048249650000063
和幅度增益
Figure BDA0002048249650000064
的函数，并用分别利用这些参数集实现有效的信道追踪。
步骤4、某时刻的接收部分同步、解调之后，进行信道估计和初始化符号估计，初始均衡利用初始符号估计结果
Figure BDA0002048249650000065
计算外部对数似然比Le，再利用MAP译码得到后验对数似然比L和首次均衡得到的信源信息估计值
Figure BDA0002048249650000066
利用均衡后得到的
Figure BDA0002048249650000067
重新编码调制，进行空频编码并重新进行信道估计，得到信道估计结果
Figure BDA0002048249650000068
利用接收后多通道处理得到的接收信号y，MAP译码得到后验对数似然比L和新的信道估计
Figure BDA0002048249650000069
重新进行频域均衡，实现频域均衡迭代。
具体实施方式二：在具体实施方式一的基础上，步骤4中采用自适应信道估计算法，具体如下：
步骤1.1、判决。假设前一个块结束时，根据估计
Figure BDA00020482496500000610
和
Figure BDA00020482496500000611
预测的
Figure BDA00020482496500000612
和
Figure BDA00020482496500000613
在当前块n开始时是可用的。SFBC系统中，预测用于形成信道矩阵
Figure BDA00020482496500000614
进行符号判决。
步骤1.2、稀疏信道估计。
步骤1.3、相位追踪。为了更新相位，测量当前块估计值和上一个块过时估计之间的相位偏差并用角度表示为：
Figure BDA00020482496500000615
由上式获得的相位偏差进行当前块多普勒因子的估计为：
Figure BDA00020482496500000616
相位迭代更新为：
Figure BDA00020482496500000617
步骤1.4、信道追踪。更新
Figure BDA00020482496500000618
被用于补偿
Figure BDA00020482496500000619
的时变相位，信道增益被更新：
Figure BDA0002048249650000071
其中，波长λ∈(0,1)。
步骤1.5、进行下一块的预测。增益简单预测为：
Figure BDA0002048249650000072
相位预测为：
Figure BDA0002048249650000073
对自适应信道估计进行初始化，相位和多普勒因子初始值设为零。
其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：在具体实施方式而的基础上，步骤3的具体操作步骤如下：
多径匹配追踪(MMP)算法是一种在多个候选中选择最优解，并利用测量矩阵得到最优恢复信号的算法。MMP将树搜索与贪婪搜索相结合，迭代过程中每次选择若干个候补再以此为父节点扩展多个子节点共同构成新的候选集，并在此基础上进行后续迭代，这样可以有效降低排除最优解得可能性。MMP算法有效的解决了OMP算法候补集单一，可能遗漏最优解的问题，有效改善信道估计性能，因此为解决先验信息未知，避免过拟合，同时减少计算复杂度，使算法更适用于硬件，将CV与DCD算法应用于MMP算法中得到MMP-DCD-CV算法应用于SFBC的自适应MIMO-OFDM水声通信系统。
其它步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：在具体实施方式三的基础上，步骤4中的反馈均衡器的均衡器系数向量均采用空频软均衡算法进行更新，具体操作步骤如下：
外信息LLR计算方法如下：
Figure BDA0002048249650000074
其中，
Figure BDA0002048249650000075
Figure BDA0002048249650000076
其中，假设噪声是均值为0，方差为
Figure BDA0002048249650000077
独立高斯分布，对于任意载波对d(k')有M2种可能的符号取值表示为SS，c(k',i)表示第k'个子载波对，即2k'和2k'+1中某子载波上第i个传输比特，i＝1,…,Q,Q表示调制阶数，其中，d(k')＝[d(2k'),d(2k'+1)]T，d(2k')和d(2k'+1)分别表示c(2k')和c(2k'+1)对应编码后的传输符号。，
Figure BDA0002048249650000081
MR表示接收阵元个数，第mr个阵元对应的接收向量为
Figure BDA0002048249650000082
为了提高双扩时变水声信道的传输速率和准确性问题。本发明在SFBC自适应MIMO-OFDM水声通信系统中使用MMP-DCD-CV信道估计和空频软均衡，在频域MIMO-OFDM水声通信中，利用SFBC减少双扩水声信道带来的载波间干扰，利用自适应信道估计完成时变信道追踪，利用MMP-DCD-CV完成单OFDM块信道估计并通过空频软均衡进行频域均衡减少码间干扰。本发明适用于水声通信技术领域。

Claims (6)

1.一种自适应多入多出与正交频分复用相结合的水声通信方法，其特征是包括如下步骤：
步骤1、信源发送每块长度为K的二进制比特数据包a(n)，进行卷积码编码生成二进制比特数据包b(n)，进行交织得到二进制比特数据包c(n)，根据星座符号s＝{s0,s1,…,sM}进行Q＝log2M阶调制，sm∈C,m＝1,…,M，得到复数数据包d(n)＝[d0(n),d1(n),…,dK-1(n)[T，进行类Alamouti空频编码，定义复数数据包dk'(n)＝[d2k'(n),d2k'+1(n)]T,其中，k'＝0,1,…,K/2-1，得两个发射机的发射信号：
Figure FDA0002048249640000011
Figure FDA0002048249640000012
对所述发射信号分别进行OFDM调制后发射；
步骤2、在接收系统中，首先同步接收到的信号R，利用FFT对OFDM符号解调得到接收信号y，利用IFFT/FFT进行OFDM调制解调；
步骤3、利用自适应信道估计跟踪时变信道，稀疏信道估计某时刻信道；
步骤4、某时刻的接收部分同步、解调之后，进行信道估计和初始化符号估计，初始均衡利用初始符号估计结果
Figure FDA0002048249640000013
计算外部对数似然比Le，再利用MAP译码得到后验对数似然比L和首次均衡得到的信源信息估计值
Figure FDA0002048249640000014
利用均衡后得到的
Figure FDA0002048249640000015
重新编码调制，进行空频编码并重新进行信道估计，得到信道估计结果
Figure FDA0002048249640000016
利用接收后多通道处理得到的接收信号y，MAP译码得到后验对数似然比L和新的信道估计
Figure FDA0002048249640000017
重新进行频域均衡，实现频域均衡迭代。
2.根据权利要求1所述的自适应多入多出与正交频分复用相结合的水声通信方法，其特征是步骤2具体包括：
将第t发射机到第r接收机第n个OFDM块、第k个载波的信道传递函数定义为
Figure FDA0002048249640000018
第r接收机第n个OFDM块、第k'个载波对上的接收信号，进行FFT解调之后表示为：
Figure FDA0002048249640000019
其中，
Figure FDA00020482496400000110
Figure FDA0002048249640000021
为零均值加性噪声分量，同样若使用MR个接收元素，整体用向量标识为：
Figure FDA0002048249640000022
3.根据权利要求2所述的自适应多入多出与正交频分复用相结合的水声通信方法，其特征是步骤3具体包括：水声信道模型为
Figure FDA0002048249640000023
其中，
Figure FDA0002048249640000024
和
Figure FDA0002048249640000025
分别代表第i路的增益和时延，fk＝f0+kΔf代表第k个子载波的频率，设路径增益在相邻的OFDM块之间是慢变的，延迟模型表示为：
Figure FDA0002048249640000026
其中，at,r＝vt,r/c为多普勒比例因子，T'为符号传输时间，设接收设备都被固定在一点，而移动来自于发射机，at,r便简化为at，利用延迟模型将传递函数分解为相位增量
Figure FDA0002048249640000027
和幅度增益
Figure FDA0002048249640000028
的函数用于实现有效的信道追踪。
4.根据权利要求3所述的自适应多入多出与正交频分复用相结合的水声通信方法，其特征是步骤4中所述的信道估计是采用自适应信道估计算法，具体包括：
步骤1.1、判决，
设前一个块结束时，根据估计
Figure FDA0002048249640000029
和
Figure FDA00020482496400000210
预测的
Figure FDA00020482496400000211
和
Figure FDA00020482496400000212
在当前块n开始时是可用的，SFBC系统中，预测用于形成信道矩阵
Figure FDA00020482496400000213
进行符号判决；
步骤1.2、稀疏信道估计；
步骤1.3、相位追踪，
测量当前块估计值和上一个块过时估计之间的相位偏差并用角度表示为：
Figure FDA00020482496400000214
由上式获得的相位偏差进行当前块多普勒因子的估计为：
Figure FDA00020482496400000215
相位迭代更新为：
Figure FDA0002048249640000031
步骤1.4、信道追踪，
更新
Figure FDA0002048249640000032
被用于补偿
Figure FDA0002048249640000033
的时变相位，信道增益被更新：
Figure FDA0002048249640000034
其中，波长λ∈(0,1)；
步骤1.5、进行下一块的预测，
增益简单预测为：
Figure FDA0002048249640000035
相位预测为：
Figure FDA0002048249640000036
对自适应信道估计进行初始化，相位和多普勒因子初始值设为零。
5.根据权利要求4所述的自适应多入多出与正交频分复用相结合的水声通信方法，其特征是所述的稀疏信道估计采用MMP-DCD-CV算法。
6.根据权利要求5所述的自适应多入多出与正交频分复用相结合的水声通信方法，其特征是所述的计算外部对数似然比的方法如下：
Figure FDA0002048249640000037
其中，
Figure FDA0002048249640000038
Figure FDA0002048249640000039
设噪声是均值为0，方差为
Figure FDA00020482496400000310
独立高斯分布，对于任意载波对d(k')有M2种可能的符号取值表示为SS，c(k',i)表示第k'个子载波对，即2k'和2k'+1中某子载波上第i个传输比特，i＝1,…,Q,Q表示调制阶数，其中，d(k')＝[d(2k'),d(2k'+1)]T，d(2k')和d(2k'+1)分别表示c(2k')和c(2k'+1)对应编码后的传输符号，
Figure FDA00020482496400000311
MR表示接收阵元个数，第mr个阵元对应的接收向量为
Figure FDA0002048249640000041
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