CN110324116A - 一种扩大水下通信节点吞吐量的方法 - Google Patents

一种扩大水下通信节点吞吐量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种扩大水下通信节点吞吐量的方法，属于水下通信技术领域。本发明首先在发射端预设六种调制编码方案，编码方式选择卷积交织编码；然后发射端向接收端发送一段经过OFDM调制的数据帧信号；接收端接收并对该数据帧信号进行确认，确认信息无误后，接收端向发射端反馈ACK信号，该ACK信号中包含下一次发射端发射数据时每个子载波所携带数据的调制编码方案；发射端根据接收端反馈的调制编码方案对下一次的发射数据进行调制编码。本发明解决了现有水下通信技术没有考虑信道时变给通信性能带来的影响，导致通信节点吞吐量小的问题。本发明可用于水声通讯。

Description

一种扩大水下通信节点吞吐量的方法
技术领域
本发明属于水下通信技术领域，具体涉及一种扩大水下通信节点吞吐量的方法。
背景技术
随着科技的进步，海洋资源开发、海底石油勘探、环境监测、灾难预警等水声通信技术得以迅速发展起来。水声组网通信逐渐成为水声通信的一个重要发展方向。水声通信网络的设计目标是高吞吐量、低能量消耗。因此，为了满足水声通信网络在吞吐量和能量消耗方面的要求，水声链路自适应技术成为研究热点。
链路自适应技术是指系统根据当前获取的信道信息，自适应地调整系统传输参数的行为，用以克服或者适应当前信道变化带来的影响。从链路自适应技术的基本原理可以看出，链路自适应技术主要包含两方面的内容：一方面是信道信息的获取，准确和有效地获得当前信道环境参数，以及采用什么样的信道指示参数能够更为有效和准确地反映信道的状况；另一方面是传输参数的调整，其中包含调制方式、编码方式、冗余信息、发射功率以及时频资源等参数的调整。链路自适应技术主要包括：自适应功率控制技术，混合自动重传技术、自适应调制编码技术和信道选择性调度技术。正交频分复用(OFDM)拥有频谱利用率高、抗多径能力强和每个载波上的编码方式与调制方式可独立选择等优点。将OFDM和自适应链路技术相结合能够充分发挥各自的技术优势。
在传统的OFDM水下通信系统中，所有的子载波都采用同样一种调制编码方案，没有考虑信道时变给通信性能带来的影响，这样不仅通信节点吞吐量小，无法保证通信系统的性能，也大大地浪费了水声信道带宽资源。
发明内容
本发明为了克服现有水下通信技术没有考虑信道时变给通信性能带来的影响，导致通信节点吞吐量小的问题，提供了一种扩大水下通信节点吞吐量的方法。
本发明所述一种扩大水下通信节点吞吐量的方法，通过以下技术方案实现：
步骤一、发射端预设六种调制编码方案，编码方式选择卷积交织编码；
步骤二、发射端向接收端发送一段经过OFDM调制的数据帧信号；OFDM即正交频分复用技术；
步骤三、接收端接收并对该经过OFDM调制的数据帧信号进行确认，确认所发的信息无误后，接收端向发射端反馈ACK信号，该ACK信号中包含下一次发射端发射数据时每个子载波所携带数据的调制编码方案；ACK是确认字符；
步骤四、发射端根据接收端反馈的调制编码方案对下一次的发射数据进行调制编码。
本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：
本发明所涉及的一种扩大水下通信节点吞吐量的方法，将自适应链路技术中自适应调制编码技术(AMC)应用于OFDM通信中，给出一种能有效反映信道的指示参数。发射端根据接收端反馈的MCS对每个子载波上携带的数据进行分配、调制和编码，以此来适应变化的信道。本发明充分有效地利用了信道资源，扩大了水下通信节点吞吐量，提高了通信节点频带利用率的，使得常规OFDM通信系统的通信性能有了较大的提高。
附图说明
图1为OFDM自适应调制编码水声通信系统示意图；其中I FFT为快速傅立叶逆变换，FFT为快速傅立叶变换；AMC表示自适应调制、dAMC表示解调编码技术；为载波；DATA表示数据；
图2为自适应调制示意图；f表示频率；
图3为OFDM调制后的子载波频谱示意图；
图4为利用ACK作为反馈链路示意图；Tx为发送端，Rx为接收端。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种扩大水下通信节点吞吐量的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、发射端预设六种调制编码方案，调制的星座图尺寸M分别为2，4，8，16，编码方式选择卷积交织编码；所述卷积交织编码将具有不同编码速率的卷积码和调制阶数的调制方式结合在一起，形成一套通信速率不同和切换门限不同的发射模式，为实现自适应通信奠定基础；
步骤二、系统初始阶段，发射端向接收端发送一段经过常规OFDM调制的数据帧信号；OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术；
步骤三、接收端接收并对该经过OFDM调制的数据帧信号进行确认，确认所发的信息无误后，接收端向发射端反馈ACK信号，该ACK信号中包含下一次发射端发射数据时每个子载波所携带数据的调制编码方案(MCS)；ACK(Acknowledgement)是确认字符；本实施方式中采用SBLA(Simple Bits Loading Algorithm简单分块加载算法)技术，将子载波成组的捆绑在一起，同一组子载波采用相同的调制编码方案，使反馈开销进一步减少，运算量也相应的减小了。图4给出了利用ACK作为反馈链路示意图。
步骤四、发射端根据接收端反馈的调制编码方案对下一次的发射数据进行调制编码。
图1给出了OFDM自适应调制编码水声通信系统框图。发射端是由比特分配器和子自适应调制编码器组成。发射端根据接收端反馈的MCS对每个子载波所能携带的有效数据进行分配，分配之后再进行编码、星座映射和OFDM调制等操作。图2给出了自适应调制的示意图。图3给出了OFDM调制后的子载波频谱示意图。
发射信号经过水下信道到达接收端。发射端主要有OFDM解调器、子自适应解调译码器和合并比特数据器组成。接收端对接收信号进行多普勒补偿、载波初始相位补偿、去载波、去循环前缀、FFT、信道估计与均衡等操作之后得到发射端基带信号。然后利用信道估计结果预测下一次的信道信息、计算ESNR和确定下一次的传输方案。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤三中所述下一次发射端发射数据时每个子载波所携带数据的调制编码方案的确定过程包括：
步骤三一、接收端对接收的经过OFDM调制的数据帧信号进行OFDM解调，利用正交匹配追踪(OMP)算法进行信道估计；接收端分为两个支路，一个支路对接收的信号进行解调译码，另一个支路对信道信息进行估计。
步骤三二、利用当前估计的信道信息和水声时变信道模型进行信道状态信息预测；
步骤三三、根据预测出的信道状态信息计算信道指示参数的值，接收端根据信道指示参数的值确定每种调制编码模式的切换门限，然后利用切换算法确定下一次发射端发射数据时每个子载波的调制编码方案；
步骤三四、将步骤三三中确定的下一次发射端发射数据时每个子载波的调制编码方案进行OFDM调制。
其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，步骤三二中所述水声时变信道模型具体为：
其中，P是传播路径的数目；τ是时延变量；t是信道观测时间；hp(t)代表第p条路径的复增益；τp(t)代表第p条路径的时延，δ(·)表示冲激函数。
假设路径之间有足够的独立的时延，那么h0(t),h1(t),h2(t),…,hP-1(t)可以充分地代表信道的传播路径。
其他步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是，步骤三一中所述利用正交匹配追踪算法进行信道估计具体包括以下过程：
接收信号r(t)的表达式如下：
式中，s(t)是发射信号；n(t)代表均值为零且功率谱密度归一化的加性高斯白噪声；
用等效带宽的基带信号和发射频率fc来描述s(t)与r(t)：
其中，u(t)为发射端基带信号，v(t)为接收端基带信号，e为自然常数，j为虚数单位；
则v(t)与u(t)满足：
其中，w(t)为基带等效噪声；cp(τ,t)是水声时变信道的频率响应；
将第p条路径的时延τp(t)定义为时间的二阶函数，定义如下：
ap(t)为多普勒因子，x为积分变量；固定项τp0描述的是声信号在水中传播的固定时延；而则给出了随着时间的推移，由于运动而造成的影响，其中包括实验仪器的漂浮引起的运动，或者是接收端对接收信号重采样造成的影响；
将公式(6)带入公式(5)得到：
其中，
这里gp(t)为未知的信道幅值系数，假设其在一段持续的时间里是稳定的(几十秒的量级)，接收端通过多普勒补偿的手段可以得到一个可靠的参考信号，用此参考信号可以得到可靠的信道估计结果。θp(t)通过模型可以得到，此模型只是在一段时间间隔内有效，当从一个时间周期调到另一个时间周期，模型中的参数需要重新测量。接收端通过导频对本次的信道进行信道估计，然后利用估计的信道对下次传播信道进行预测。这里选二阶迭代最小二乘算法(RLS)预测下次的信道。
其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是，所述多普勒因子具体为：
其中，(n-1)T<t<nT，T表示一个传播周期，n为传播周期的数目，ap[n]是nT时刻多普勒扩展因子的估计值。
其他步骤及参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三、四或五不同的是，步骤三三中所述计算信道指示参数的过程具体为：
接收端根据步骤三二预测的信道状态信息计算信道指示参数ESNR；假设水听器的数目共有Nr个，定义zν[k]为第v个水听器的第k个子载波上的频域接收信号，定义为第v个水听器的第k个子载波上的频域信道估计值，第k个载波上携带的发射信号为s[k]；因上述假设是多发多收的情况，所以在下面信道指示参数ESNR的推导过程中采用了最大和并比(MRC)的方法，这种方法可以获得更高的信噪比。首先发射与接收的关系如下：
其中，ξν[k]代表噪声干扰，这其中包括环境中的噪声，残留的载波间干扰和信道估计的误差干扰；
接收端采用最大合并得到：
其中，v＝1,…,Nr；zMRC[k]表示采用最大合并得到的第k个子载波上的频域接收信号，为第v个水听器的第k个子载波上的频域信道估计值的共轭；
若定义则公式(10)可写成：
信道指示参数ESNR计算公式如下：
其中，表示期望。
经过大量的仿真选择出适合在水下声信道的、具有不同传输速率的发射模式。表1给出了发射端所预设的发射模式以及以ESNR为信道评价准则时每种模式的切换阈值。
表1自适应OFDM通信系统发射模式
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：
在以单个子带为调制编码的对象时，本发明给出三种切换算法来确定每个子载波中的MCS。分别为基于子带内最低信噪比的调制编码方案切换算法，基于子带内平均信噪比的调制编码方案切换算法，修正的调制编码方案切换算法。
1、基于子带内最低SNR的MCS切换算法的数学形式描述如下：
假设第q＝1,2,…,Q个子带中的第k＝1,2,…Ns个子载波的信噪比用γk,q表示，其中，Q表示子带的数目，Ns表示单个子带中包含的子载波的个数。那么采用基于子带内最低SNR(信噪比)的MCS切换算法时，第q个子带的参考信噪比：
将计算后得到的γq值与信道指示参数做比较，确定MCS
2、基于子带内平均SNR的MCS切换算法的数学形式描述如下：
3、修正均值法的思想是通过对子带的平均SNR做一定的回退，使得系统误码率达到目标误码率要求。回退的量取决于子带内信道衰落的起伏程度。信道衰落的起伏程度可以用子带内子载波SNR的方差来描述。修正均值法的数学形式描述如下：
式中，是子带内子载波SNR的平均值。
根据以上切换算法选择出每个子带的调制编码模式，然后根据表2的编码规则对发射模式进行编码。编码之后在每个3bit信息中加入一位奇偶校验位。当发射端接收到来自接收端的ACK信号时对ACK信号进行解调得到发射模式编码之后的数据流，然后对数据每个四位进行一次奇偶校验。如果有错误，对应子带将不再调制数据以保证通信系统的误码率要求。
表2发射模式信息编码
其他步骤及参数与具体实施方式三、四或五相同。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种扩大水下通信节点吞吐量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一、发射端预设六种调制编码方案，编码方式选择卷积交织编码；
步骤二、发射端向接收端发送一段经过OFDM调制的数据帧信号；OFDM即正交频分复用技术；
步骤三、接收端接收并对该经过OFDM调制的数据帧信号进行确认，确认所发的信息无误后，接收端向发射端反馈ACK信号，该ACK信号中包含下一次发射端发射数据时每个子载波所携带数据的调制编码方案；ACK是确认字符；
步骤四、发射端根据接收端反馈的调制编码方案对下一次的发射数据进行调制编码。
2.根据权利要求1所述一种扩大水下通信节点吞吐量方法，其特征在于，步骤三中所述下一次发射端发射数据时每个子载波所携带数据的调制编码方案的确定过程包括：
步骤三一、接收端对接收的经过OFDM调制的数据帧信号进行OFDM解调，利用正交匹配追踪算法进行信道估计；
步骤三二、利用当前估计的信道信息和水声时变信道模型进行信道状态信息预测；
步骤三三、根据预测出的信道状态信息计算信道指示参数的值，接收端根据信道指示参数的值确定每种调制编码模式的切换门限，然后利用切换算法确定下一次发射端发射数据时每个子载波的调制编码方案；
步骤三四、将步骤三三中确定的下一次发射端发射数据时每个子载波的调制编码方案进行OFDM调制。
3.根据权利要求2所述一种扩大水下通信节点吞吐量方法，其特征在于，步骤三二中所述水声时变信道模型具体为：
其中，P是传播路径的数目；τ是时延变量；t是信道观测时间；hp(t)代表第p条路径的复增益；τp(t)代表第p条路径的时延，δ(·)表示冲激函数。
4.根据权利要求3所述一种扩大水下通信节点吞吐量方法，其特征在于，步骤三一中所述利用正交匹配追踪算法进行信道估计具体包括以下过程：
接收信号r(t)的表达式如下：
式中，s(t)是发射信号；n(t)代表均值为零且功率谱密度归一化的加性高斯白噪声；
用等效带宽的基带信号和发射频率fc来描述s(t)与r(t)：
其中，u(t)为发射端基带信号，v(t)为接收端基带信号，e为自然常数，j为虚数单位；则v(t)与u(t)满足：
其中，w(t)为基带等效噪声；cp(τ,t)是水声时变信道的频率响应；
将第p条路径的时延τp(t)定义为时间的二阶函数，定义如下：
ap(t)为多普勒因子，x为积分变量；τp0是声信号在水中传播的固定时延；
将公式(6)带入公式(5)得到：
其中，gp(t)为未知的信道幅值系数，设gp(t)在一段持续的时间里是稳定的，接收端通过多普勒补偿的手段得到一个可靠的参考信号，然后用此参考信号得到信道估计结果。
5.根据权利要求4所述一种扩大水下通信节点吞吐量方法，其特征在于，所述多普勒因子具体为：
其中，(n-1)T<t<nT，T表示一个传播周期，n为传播周期的数目，ap[n]是nT时刻多普勒扩展因子的估计值。
6.根据权利要求3、4或5所述一种扩大水下通信节点吞吐量方法，其特征在于，步骤三三中所述计算信道指示参数的过程具体为：
设水听器的数目共有Nr个，zν[k]为第v个水听器的第k个子载波上的频域接收信号，为第v个水听器的第k个子载波上的频域信道估计值，第k个载波上携带的发射信号为s[k]；首先发射与接收的关系如下：
其中，ξν[k]代表噪声干扰；
接收端采用最大合并得到：
其中，v＝1,…,Nr；zMRC[k]表示采用最大合并得到的第k个子载波上的频域接收信号，为第v个水听器的第k个子载波上的频域信道估计值的共轭；
若定义则公式(10)可写成：
信道指示参数ESNR计算公式如下：
其中，表示期望。
7.根据权利要求6所述一种扩大水下通信节点吞吐量方法，其特征在于，步骤三三中所述切换算法包括基于子带内最低信噪比的调制编码方案切换算法、基于子带内平均信噪比的调制编码方案切换算法、修正的调制编码方案切换算法。
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