CN110784282B - 一种基于软信息传递的水声通信数据再利用方法 - Google Patents

一种基于软信息传递的水声通信数据再利用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于软信息传递的水声通信数据再利用方法，适用于水声通信算法验证与数据处理领域，本发明利用概率似然函数映射的方式，将任意信息比特通过调制星座点映射到现有数据，通过对已有数据进行均衡与译码，得到已有数据比特的似然比信息，通过设计映射形式，将已有数据的似然比即软信息映射到新设计的信息比特，从而通过译码算法，对新的信息比特进行译码。本发明的方法在现有真实水声数据的基础上，不用再次实验，通过软信息映射的方式，即可验证任意编码方案在水声通信物理层应用的性能表现，在理论上具有创新性；本发明的方法还可节约由水声通信海试实验带来的巨大人力物力的消耗。

Description

一种基于软信息传递的水声通信数据再利用方法
技术领域
本发明涉及一种水声数据再利用领域，具体涉及一种基于软信息传递的水声通信数据再利用方法。
背景技术
水声通信物理层算法验证需要海试或湖试的实验数据作为支撑。然而，一次水声通信实验的周期和花费是非常巨大的。此外，一旦通信算法设计开始即出现错误，接收到的实验数据就不能被使用，损失巨大。如何利用现有数据，对新提出的通信算法进行验证就变得非常有意义。水声实验数据再利用的方法，让一次实验的数据，可以被重复利用，这将节省上千万甚至上亿元的水声实验花费，具有非常高的学术和经济研究价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明从软信息传递的角度出发，提出了一种基于软信息传递的水声通信数据再利用方法，能够满足任何编码算法的水声通信实验数据验证的需求。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种基于软信息传递的水声通信数据再利用方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
S1：将信息比特bk经过不同类型的编码器进行编码，再进行交织、异或操作，映射到现有数据信息比特pk；
S2：将S1得到的现有数据信息比特pk进行星座点映射，以适应不同信噪比，得到统一的数据符号格式fk，再将数据符号格式fk经过水声信道输出；
S3：在接收端得到现有的标准的发送数据星座点
Figure BDA0002200217330000011
再经过均衡器，输出现有数据信息比特pk的后验信息概率似然函数LD(pk)；
S4：将后验信息概率似然函数LD(pk)减去初始的先验信息概率似然函数LA(pk)，得到现有数据信息比特pk的外部信息概率似然函数LE(pk)，再将其与校验比特sk进行解异或操作，输出
Figure BDA0002200217330000012
S5：利用待验证编码信息比特外部信息概率似然函数LE(dk)，进行符号估计与迭代更新。
进一步地，所述的S1具体为：
(1)将信息比特bk经过编码器进行编码，得到输出的未交织的编码信息比特ck；
(2)将ck经过交织器，得到交织的编码比特dk；
(3)将所述的dk与一组校验比特sk进行异或操作，将未交织的编码信息比特ck映射到现有数据信息比特pk。
进一步地，所述的S2具体为：
(1)将现有数据信息比特pk进行星座点映射，得到统一的数据符号格式fk，而星座点的映射，则采用统一的格雷码映射的原则；
(2)当信号信噪比小于10dB，对于高阶调制的星座点来说不足以正确均衡和译码，则进行星座点的重新映射，将现有数据符号fk经过符号预编码mk映射成更低阶的星座点符号gk,以此来增大判决边界，然后经过水声信道输出；
当信号信噪比大于或等于10dB，则不用做任何星座点的重新映射，直接将统一的数据符号格式fk经过水声信道输出。
进一步地，所述的S3具体为：
(1)将经过水声信道得到的接收标准数据星座点根据S2的信噪比分类进行识别，当接收信号信噪比小于10dB时，要将接收符号
Figure BDA0002200217330000021
经过解预编码减mk的操作得到现有数据符号fk的估计值
Figure BDA0002200217330000022
当接收信号信噪比大于或等于10dB时，则直接得到现有数据符号fk的估计值
Figure BDA0002200217330000023
(2)现有数据符号fk的估计值
Figure BDA0002200217330000024
经过均衡器，输出现有数据信息比特pk的后验信息概率似然函数LD(pk)；
进一步地，所述的S4具体为：
(1)设定初始的先验信息概率似然函数LA(pk)在每个映射星座点的下的概率相等；
(2)将S3得到的后验信息概率似然函数LD(pk)减去初始的先验信息概率似然函数LA(pk)，得到现有数据信息比特pk的外部信息概率似然函数LE(pk)；
(3)将外部信息概率似然函数LE(pk)与校验比特sk进行解异或操作，输出
Figure BDA0002200217330000025
即：当sk＝1时，LE(dk)变成自身的相反数，当sk＝0时，LE(dk)保持不变。
进一步地，所述的S5具体为：
(1)将待验证编码信息比特外部信息概率似然函数LE(dk)经过解交织器∏-1，输出解交织器的外部信息作为先验信息概率似然函数LA(ck)；
(2)先验信息概率似然函数LA(ck)进入最大后验概率译码器，得到待验证的编码比特的解码估计值
Figure BDA0002200217330000031
和后验信息概率似然函数LD(ck)；
(3)再将后验信息概率似然函数LD(ck)减去先验信息概率似然函数LA(ck)，得到的外部信息概率似然函数LE(ck)，再经过交织器∏，得到经过交织的先验信息概率似然函数LA(dk)；
(4)将先验信息概率似然函数LA(dk)再与一组校验比特sk进行异或操作，得到先验信息概率似然函数LA(pk)的更新值，作为下一次Turbo均衡迭代的先验信息概率似然函数。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)在现有真实水声数据的基础上，不用再次实验，通过软信息映射的方式，即可验证任意编码方案在水声通信物理层应用的性能表现，在理论上具有创新性；
(2)节约了由水声通信海试实验带来的巨大人力物力的消耗，具有巨大的经济效益。
附图说明
图1是基于软信息传递的水声通信数据再利用方法的系统流程图；
图2是经过真实海试实验数据验证的误码率统计图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于软信息传递的水声通信数据再利用方法，具体包括如下步骤：
S1：
(1)将信息比特bk经过编码器进行编码(卷积码、Turbo码，LDPC码，Polar码)，得到输出的未交织的编码信息比特ck；
(2)将ck经过交织器∏，得到交织的编码比特dk；
(3)将步骤(2)得到的交织的编码比特dk与一组校验比特sk进行异或(Xor)操作，将未交织的编码信息比特ck映射到现有数据信息比特pk；
S2：
(1)将现有数据信息比特pk进行星座点映射，得到统一的数据符号格式fk，而星座点的映射，则采用统一的格雷码映射的原则；
(2)当信号信噪比(SNR)小于10dB，对于高阶调制的星座点来说不足以正确均衡和译码，则进行星座点的重新映射，将现有数据符号fk经过符号预编码mk映射成更低阶的星座点符号gk，以此来增大判决边界，然后经过水声信道输出；
(3)当信号信噪比(SNR)大于或等于10dB，则不用做任何星座点的重新映射，直接将统一的数据符号格式fk经过水声信道输出。
S3：
(1)将经过水声信道得到的接收标准数据星座点根据S2的信噪比分类进行识别，当接收信号信噪比(SNR)小于10dB时，要将接收符号
Figure BDA0002200217330000041
经过解预编码-mk操作得到现有数据符号fk的估计值
Figure BDA0002200217330000042
当接收信号信噪比(SNR)大于或等于10dB时，则直接得到现有数据符号fk的估计值
Figure BDA0002200217330000043
(2)现有数据符号fk的估计值
Figure BDA0002200217330000044
经过均衡器，通过计算的方式，输出现有数据信息比特pk的后验信息概率似然函数LD(pk)；
S4：
(1)设定初始的先验信息概率似然函数LA(pk)在每个映射星座点的下的概率相等；
(2)将S3得到的后验信息概率似然函数LD(pk)减去初始的先验信息概率似然函数LA(pk)，得到现有数据信息比特pk的外部信息概率似然函数LE(pk)；
(3)将外部信息概率似然函数LE(pk)与校验比特sk进行解异或操作，输出
Figure BDA0002200217330000045
即：当sk＝1时，LE(dk)变成自身的相反数，当sk＝0时，LE(dk)保持不变。
S5：
(1)将待验证编码信息比特外部信息概率似然函数LE(dk)经过解交织器∏-1，输出解交织器的外部信息作为先验信息概率似然函数LA(ck)；
(2)先验信息概率似然函数LA(ck)进入最大后验概率译码器，得到待验证的编码比特的解码估计值
Figure BDA0002200217330000046
和后验信息概率似然函数LD(ck)；
(3)再将后验信息概率似然函数LD(ck)减去先验信息概率似然函数LA(ck)，得到的外部信息概率似然函数LE(ck)，再经过交织器∏，得到经过交织的先验信息概率似然函数LA(dk)；
(4)将先验信息概率似然函数LA(dk)再与一组校验比特sk进行异或操作，得到先验信息概率似然函数LA(pk)的更新值，作为下一次Turbo均衡迭代的先验信息概率似然函数。
图2为真实海试实验数据经过数据再利用的误码统计与同样数据条件下未经过数据再利用的误码统计对比图。图中可以看出，0～10-5的范围下的柱状图比例越高，则数据包的误码范围越小；随着turbo迭代次数的增加，两种方式的性能相应增加，但是数据再利用方式的误码率比原始均衡解码的误码率要低，性能更好。因此说明专利提出的数据再利用的方式是有效的。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于软信息传递的水声通信数据再利用方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
S1：将信息比特bk经过不同类型的编码器进行编码，再进行交织、异或操作，映射到现有数据信息比特pk；所述的S1具体为：
(1)将信息比特bk经过编码器进行编码，得到输出的未交织的编码信息比特ck；
(2)将ck经过交织器，得到交织的编码比特dk；
(3)将所述的dk与一组校验比特sk进行异或操作，将未交织的编码信息比特ck映射到现有数据信息比特pk；
S2：将S1得到的现有数据信息比特pk进行星座点映射，以适应不同信噪比，得到现有数据符号fk，再将现有数据符号fk经过水声信道输出；
S3：在接收端得到现有数据符号fk的接收信号
Figure FDA0002719482810000011
再经过均衡器，输出现有数据信息比特pk的后验信息概率似然函数LD(pk)；
S4：将后验信息概率似然函数LD(pk)减去初始的先验信息概率似然函数LA(pk)，得到现有数据信息比特pk的外部信息概率似然函数LE(pk)，再将其与校验比特sk进行解异或操作，输出
Figure FDA0002719482810000012
S5：利用待验证编码信息比特外部信息概率似然函数LE(dk)，进行符号估计与迭代更新，其中dk为交织的编码比特；所述的S5具体为：
(1)将待验证编码信息比特外部信息概率似然函数LE(dk)经过解交织器∏-1，输出解交织器的外部信息作为先验信息概率似然函数LA(ck)；
(2)先验信息概率似然函数LA(ck)进入最大后验概率译码器，得到待验证的编码比特的解码估计值
Figure FDA0002719482810000013
和后验信息概率似然函数LD(ck)；
(3)再将后验信息概率似然函数LD(ck)减去先验信息概率似然函数LA(ck)，得到的外部信息概率似然函数LE(ck)，再经过交织器∏，得到经过交织的先验信息概率似然函数LA(dk)；
(4)将先验信息概率似然函数LA(dk)再与一组校验比特sk进行异或操作，得到先验信息概率似然函数LA(pk)的更新值，作为下一次Turbo均衡迭代的先验信息概率似然函数。
2.根据权利要求1所述的基于软信息传递的水声通信数据再利用方法，其特征在于，所述的S2具体为：
(1)将现有数据信息比特pk进行星座点映射，得到统一的现有数据符号fk，而星座点的映射，则采用统一的格雷码映射的原则；
(2)当信号信噪比小于10dB，对于高阶调制的星座点来说不足以正确均衡和译码，则进行星座点的重新映射，将现有数据符号fk经过预编码符号mk映射成更低阶的星座点符号gk,以此来增大判决边界，然后经过水声信道输出；
当信号信噪比大于或等于10dB，则不用做任何星座点的重新映射，直接将统一的现有数据符号fk经过水声信道输出。
3.根据权利要求1所述的基于软信息传递的水声通信数据再利用方法，其特征在于，所述的S3具体为：
(1)将经过水声信道得到的接收标准数据星座点根据S2的信噪比分类进行识别，当接收信号信噪比小于10dB时，要将接收符号
Figure FDA0002719482810000021
经过解预编码减mk的操作得到现有数据符号fk的接收信号
Figure FDA0002719482810000022
当接收信号信噪比大于或等于10dB时，则直接得到现有数据符号fk的接收信号
Figure FDA0002719482810000023
(2)现有数据符号fk的接收信号
Figure FDA0002719482810000024
经过均衡器，输出现有数据信息比特pk的后验信息概率似然函数LD(pk)。
4.根据权利要求1所述的基于软信息传递的水声通信数据再利用方法，其特征在于，所述的S4具体为：
(1)设定初始的先验信息概率似然函数LA(pk)在每个映射星座点的下的概率相等；
(2)将S3得到的后验信息概率似然函数LD(pk)减去初始的先验信息概率似然函数LA(pk)，得到现有数据信息比特pk的外部信息概率似然函数LE(pk)；
(3)将外部信息概率似然函数LE(pk)与校验比特sk进行解异或操作，输出
Figure FDA0002719482810000025
即：当sk＝1时，LE(dk)变成自身的相反数，当sk＝0时，LE(dk)保持不变。
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