CN112134822B - 一种基于ofdm+fdma技术提高海洋用感应耦合锚系链多用户传输性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明以水下锚系链的感应耦合信道为原型，提出了一种基于OFDM+FDMA技术提高海洋用感应耦合锚系链多用户传输性能的方法，由于电信号在海水信道传输具有多径效应和频率选择性衰落，因此传统的单载波调制技术，比如ASK/DPSK，已经无法满足其对传输速率及可靠性的要求，OFDM多载波调制技术，各个子载波间相互正交，可以充分利用海水信道有限的带宽，本发明结合OFDM和FDMA技术，可实现水下多节点传感器用户的同时传输，充分利用有限的带宽，大大提高了海洋用感应耦合锚系链多用户的传输速率及性能，为解决水下长距离多节点用户的电流信号共同传输提供理论依据。

Description

一种基于OFDM+FDMA技术提高海洋用感应耦合锚系链多用户 传输性能的方法

技术领域

本发明以水下锚系链的感应耦合信道为原型，提出了使用OFDM+FDMA技术提高海洋用感应耦合锚系链多用户传输性能的方法。

背景技术

海洋蕴藏有人类赖以生存和社会发展的丰富的生态资源，发展海洋事业，开发利用海洋生态资源与人类文明的发展休戚相关。随着世界科学技术革命的不断深入，海洋生物资源的开发利用已经成为世界发展的新潮流。长期以来，我国对海洋资源管理和开发十分重视，并提出要加快建设海洋强国的政策。而建设海洋强国必须大力发展海洋高新技术，“蛟龙”号等在海洋探测等领域取得了许多杰出的成果，为现代化海洋强国的建设奠定了技术基础。

海洋生物监测技术是获取海洋生物相关信息，从而有效管理海洋资源的重要手段，对国家经济建设和社会发展具有重要意义。海洋监测是国内外现代海洋管理的基础性工作，主要包括海洋生物资源评价、海洋生态系统服务评价和海洋环境影响评价三个方面。随着社会科学技术和经济的发展，海洋生物监测技术已成建设现代化海洋强国的关键技术之一。我国海洋面积达几百万平方千米，作为海洋大国，开展海洋生物监测工作尤为重要。多年来，我国已经建立起包括浮标、观测船、海洋站以及利用遥感卫星等进行海洋监测的初级监测网[3]，但是与国外相比，国内海洋监测仍然存在缺乏立体探测能力等的不足，海洋生物信息的获取与传输能力仅限于近海，长期和系统的水下现场监测数据极其缺乏。大力发展我国深海生物监测等技术，对提高我国的海洋生态保障能力、水下信息实时监测和数据获取能力、建立海洋观测网具有重要意义。

水下传感器网络是海洋生物信息监测常用的信息网络。水下监测网络可以挂载不同类型的传感器，监测不同类型的生物要素。如基于化学发光的生物传感器，可以作为探针监测藻类浓度；基于核苷酸杂交技术的生物传感器，可以识别物种的特异性序列。除此之外，酶传感器、细胞传感器、免疫传感器等多种类型的生物传感器都在海洋生物监测中发挥着重要作用。近年来，随着海洋数据采集技术和传输技术的发展，以浮标平台为载体的水下影像采集技术得到广泛的应用。观测平台搭载水下摄像头，可远程摄录水下影像信息，以此观测水下生物动态。

海洋生物监测技术的发展，伴随着海量数据的采集与传输。稳定的、实时的、高数据速率的、高可靠性的水下通信技术是实现深海生物信息实时采集与传输、深海环境的全天候监测的重要保障。因此，如何采用新的方法提高水下数据传输速率和可靠性，以适应海洋监测技术的发展是至关重要的。

长期以来，我国对海洋资源的开发利用十分重视，我国作为海洋大国，开展海洋生物监测工作尤为重要。感应耦合锚系链，由传输钢缆、水下数据传感器和水上监测平台三部分组成，基于电磁感应耦合原理，可通过水下传感器节点实时、连续的监测海洋生物的信息，并将数据通过由传输钢缆与海水水域组成的闭合回路传输至水上监测平台，进行数据的存储和下一步的处理。

由于电信号在海水信道传输过程中具有多径效应和频率选择性衰落，传统的单载波调制技术，比如ASK/DPSK，已无法满足其对于传输速率及可靠性的要求，因此提出OFDM多载波调制技术。OFDM，由于其各个子载波间相互正交，能有效的抵抗多径效应和频率选择性衰落，可以提高节点内数据传输的误码率性能及频带利用率。

传统的TDMA技术，可实现不同的用户在同一频段下共享同一种传输介质，根据所传信号占用的时间段不同来区分不同的用户，即水下传感器节点采集到的数据按照时间顺序进行传输，具有节点时间分辨率低以及带宽利用率低的缺点。本发明采用FDMA技术，将传输信道的总带宽划分为多个互不重叠的子信道，每个用户分配到一个固定的子信道，按照传输频带不同来区别不同的用户，其特点为各个用户同时传输信息，可以提高各个节点间数据的传输速率及频带利用率。

因此，本发明基于OFDM+FDMA技术，实现不同水下传感器节点用户同时传输，并在接收端采用滤波器组的方法，将各个用户的信息剥离开来。与其他传输方式相比，本发明基于OFDM+FDMA技术提高了感应耦合锚系链多节点间数据传输性能，为解决水下长距离多节点电流信号共同传输提供了理论依据。

发明内容

本发明的目的主要是为了解决海洋用感应耦合锚系链多个水下节点用户的数据传输性能的问题。本发明提出了基于OFDM+FDMA技术，将每个用户的发送信号调制为一个独立的OFDM符号，并对每个独立的OFDM符号进入信道前进行加窗处理，通过上变频调制到不同频率的的载波上传输，然后同时被发送到感应耦合信道进行数据传输，提升了水下多用户节点间的数据传输速率，为解决水下长距离多节点电流信号共同传输提供了理论依据。

本发明的技术方案：

本发明首先结合海洋用感应耦合信道的特点，其在300m条件时的信道带宽为2MHz，对其有效带宽按照K个用户进行等间隔划分，每个用户间加入频率保护间隔，并将每个用户带宽划分成M个子信道，结合OFDM技术，将每个用户的发送信号调制成为一个独立的OFDM符号，并采用基于注水原理的比特分配方案完成子信道的功率及比特的最优分配，同时采用剪裁滤波法降低OFDM调制的高峰值平均功率比(peak to average power ratio，PAPR)，使得每一个独立的OFDM符号达到最优的传输性能，为了防止K个用户调制输出的K个独立的OFDM符号产生频谱泄露，通过上变频分别调制到K个不同的较高频率的载波上，然后基于FDMA技术同时被TX用户发送到信道中传输，在接收端通过设计K个不同阶的滤波器组将混合输入信号分离开来，接着，实现对OFDM符号的解调，将OFDM技术与FDMA技术相结合，大大提高了信道的传输速率。

具体步骤是：

1、用户个数，为了满足水下多节点用户可以有效的利用信道带宽，将感应耦合信道带宽按照K个用户进行等间隔划分，每个用户间加入频率保护间隔，同时，将每个用户带宽划分成M个子信道，每个用户单独采用OFDM技术完成信号的传输，各个用户之间采用FDMA技术同一时间传输。

2、在发送端，首先将一组二进制序列，通过串并转换和映射，并对其IFFT变换为时域信号，添加零序列作为保护间隔，完成每个用户发送的OFDM符号；其中，星座图的映射调制，由于感应耦合传输信道中不同子信道对应的衰落程度不同，因此，可以根据子信道的衰落程度选择不同的映射方式，浅水信道衰落小，可以选取16QAM的高阶调制方式，信道衰落较为严重的子信道，可以选取QPSK/BPSK的调制方式，信道衰落特别严重的子信道，可以选择不使用该子信道传输数据，以此，降低误码率性能，提高数据传输性能。

3、保护间隔，OFDM多载波调制技术可以有效的抵抗多径时延，减少时延扩展带来的码间串扰，为了最大限度的消除码间串扰，需要在相邻的多载波符号间插入保护间隔，其长度一般大于信道的最大时延扩展，保护间隔的方式通常有以下三种：零符号填充(zeropadding，ZP)、循环前缀填充(cyclic prefix，CP)和训练序列填充(pseudo noise，PN)，本发明采取简单有效的ZP作为二进制序列间的保护间隔。

4、抑制PAPR，过高的PAPR会对系统产生以下：对射频功放的线性范围要求更高，导致功放成本增加；或者信号的动态范围较大，导致OFDM信号失真；要求A/D转换器具有较大的转换宽度，增加了实现难度和成本，因此，需要采取相关措施来抑制OFDM调制的高PAPR，抑制PAPR的方法有以下两种：编码法，通过编码带来冗余降低PAPR；剪裁滤波法，即为一种信号预畸变技术，通过限幅门限滤除高峰值，本发明选取简单直接的剪裁滤波法降低PAPR。

5、在接收端对接收到的混叠输入信号进行滤波处理分离出独立的OFDM符号，并对其进行去零补、并串转换、傅里叶变换(FFT)等一系列逆变换得到Y(k)序列，将所得序列的实部和虚部分别提取出来做差运算形成X(k)序列，最后对X(k)进行解映射得到原始发送序列{b_k}。

本发明的优点和有益效果：

本发明将OFDM技术和FDMA技术结合，应用于水下感应耦合锚系链多个传感器节点的数据传输，具有以下优点：改进后OFDM算法得传输时间为传统算法的一半，提高了数据传输速率；结合FDMA可实现多个传感器节点用户同一时间传输，提高了频带利用率及传输速率。

基于MATLAB仿真平台，验证了本发明的可行性。

本发明为解决水下长距离多传感器节点共同传输提供了理论依据。

附图说明

图1四用户海洋耦合信道OFDM符号的传输流程图

图2海洋用感应耦合信道的子用户及子信道划分细则图

图3不要用户的不同子载波的比特分配结果图

图4改进后的OFDM多载波算法的原理框图

具体实施方式

第1步、确定用户个数

为了满足水下多节点用户可以有效的利用信道带宽，将感应耦合信道带宽按照K个用户进行等间隔划分，每个用户间加入频率保护间隔，同时，将每个用户带宽划分成M个子信道，每个用户单独采用OFDM技术完成信号的传输，各个用户之间采用FDMA技术同一时间传输，本发明结合海洋用感应耦合信道的特点，即300米深度时水下感应耦合信道的带宽为2MHz，选取用户间的保护间隔为20KHz，在此基础上，分析了不同个数的水下传感器节点用户的有效带宽，其中4个用户的有效带宽是1.7728MHz，5个用户的有效带宽是1.108MHz，6个用户的有效带宽是1.3296MHz，7个用户的有效带宽是1.5512MHz，本发明最终选取4个用户个数作为分析目标，那么每个节点用户的有效带宽为477.5KHz，并将其划分为16个子信道，4用户海洋耦合信道OFDM符号的传输流程如图1所示，信道的用户及各个用户子信道的划分细则如图2所示。

第2步、4用户海洋耦合信道OFDM符号的传输流程

首先将一组二进制序列{b_k}，串并转换和映射为X(m)数组，并对其IFFT变换为时域信号x(n)，添加零序列作为保护间隔，完成每个用户的发送信号调制为一个独立的OFDM符号，其调制方式根据注水原理完成子信道功率和比特分配，四个用户1，2，3，4调制输出的OFDM符号分别为a_i，b_i，c_i，d_i。为了降低频谱泄露，每个符号进入信道前进行加窗处理后，通过上变频调制到10kHz，510kHz，1010kHz和1510kHz对应的基频载波，同时被TX用户发送到信道中，用户2，3，4通过时延补偿克服与用户1的延时差，混叠信号被水上用户RX所接收，由于每个用户调制到的载波不同，因此在接收端通过设计10-490kHz，500-990kHz，1000-1490kHz和1500-2000kHz四个不同阶的滤波器组将混叠输入信号分离成四个独立的信号，依次完成所有信号的分离后，重新组成4个新的独立的OFDM符号a′_i，b′_i，c′_i，d′_i，然后，在接收端对接收到的OFDM符号去零补、并串转换、傅里叶变换(FFT)等一系列逆变换得到Y(k)序列，将所得序列的实部和虚部分别提取出来做差运算形成X(k)序列，最后对X(k)进行解映射得到原始发送序列{b_k}，完成对OFDM符号的解调。

第3步、确定子信道星座图的映射调制方式

由于感应耦合传输信道中不同子信道对应的衰落程度不同，本发明基于注水原理，根据信道的状态灵活的分配功率和比特，由分配的功率和比特数的不同选择不同的映射方式，分配0比特的子信道不传输数据，分配2比特的子信道进行QPSK映射，分配4比特的子信道进行16QAM映射，最终每个子信道都以最佳的比特分配方案进行调制发送，提高了信号的传输性能，不同用户的不同子载波的比特分配结果如图3所示。

第4步、改进传统的OFDM算法

星座映射后的数据，经过IFFT变换得到时域信号x(n)，传统的算法是将时域信号的实部和虚部调制后分两路发送，本发明将时域信号的实部和虚部加和为一路进行调制发送，其传输时间为传统方法的一半，可以提高了该算法的传输速率，改进后的OFDM算法原理框图如图4所示。

第5步、确定保护间隔

应选择适当长度的保护间隔，若其长度过长，会造成信道容量降低、信息冗余的问题，若其长度过短，会造成码间串扰，本发明保护间隔的长度选取与最大时延扩展相等，保护间隔的填充方式选择简单有效且适应于感应耦合信道的零符号填充。

第6步、抑制PAPR

本发明采用操作简单且适应于水下感应耦合多径信道的限幅滤波法来抑制过高的PAPR，限幅滤波算法将经过IFFT运算和上变频之后的信号进行成形滤波，将超过门限值的信号幅值叠加一个反向的升余弦脉冲从而达到限幅的作用，由于升余弦脉冲具有带限性，因此叠加之后的值不会破坏原有的信号频谱特性，通过对不同次数的剪裁滤波仿真，仿真中总采样数为10万，得到最佳的剪裁滤波次数，本发明采用二次剪裁滤波来抑制OFDM算法中过高的PAPR。

第7步、基于MATLAB仿真平台验证可行性

基于MATLAB软件，首先，验证多载波算法的正确性，即让信号不经过信道进行仿真，其误码率为0，验证了全通系统下多载波算法的正确性，然后，搭建感应耦合多径信道，对基于OFDM+FDMA技术提高四个水下传感器节点用户的传输性能的方法进行误码率结果仿真，结果表明，基于OFDM+FDMA技术的海洋用感应耦合锚系链四用户节点同时传输时的误码率性能可控制在10^-2，误码率相对较低。

第8步、不同调制技术传输时间的对比

本发明提出基于OFDM+FDMA技术可以提高海洋用感应耦合锚系链的数据传输时间，为验证此观点，对比了基于TDMA方式下的单载波DPSK调制技术，单用户的OFDM技术和4用户同时传输的OFDM技术在发送9600比特时，所需要的时间分别为1s，3ms，1.06ms，这里可以看到基于单载波调制方式的发送时间最长，而基于多载波调制用户越多所需要的时间越短，相对于单用户OFDM，4用户的传输时间为其9.3％，提高了多用户的传输速率，这对于提高海洋数据的横向分辨率具有重要的意义。

Claims (4)

1.一种基于OFDM+FDMA技术提高海洋用感应耦合锚系链多用户传输性能的方法，其特征是：

第1步、水下多用户间的带宽参数设计

将海洋用感应耦合信道的有效带宽按照水下的K个用户进行等间隔划分，每个用户间加入一定带宽的保护间隔，将每个用户带宽划分成M个子信道，M个子信道的载波频率需要满足正交性，针对300米长的海洋用感应耦合锚系链信道带宽的有限性，其有效带宽为2MHz，信道的最大时延扩展τ_max为9×10^-6s，设置的保护间隔长度与最大时延量相等，每个用户单独采用OFDM技术完成信号的传输，OFDM符号周期长度取4倍的保护间隔长度，选择同时传输4个水下用户，分别定义为用户1，2，3和4，用户间的保护间隔为20KHz，每个用户的有效带宽为477.5KHz，子信道的个数为16个；

第2步、OFDM+FDMA调制技术的实现

首先将一组二进制序列，通过串并转换和映射，并对其IFFT变换为时域信号，添加零序列作为保护间隔，完成每个用户的发送的OFDM符号；为了降低四个用户间因频谱泄露而带来的码间串扰，每个符号进入信道前进行加窗处理后，通过上变频调制到10kHz，510kHz，1010kHz和1510kHz对应的基频载波，同时被发送到感应耦合锚系链信道中，用户2，3，4通过时延补偿克服与用户1的延时差；

第3步，OFDM+FDMA解调技术的实现

混合信号被水上接收机接收后，在接收端通过设计10-490kHz，500-990kHz，1000-1490kHz和1500-2000kHz四个不同阶的滤波器组将混合信号分离成四个独立用户的OFDM符号，并对其进行去零补，并串转换，FFT变换，解映射实现对OFDM符号的解调；

第4步，基于OFDM+FDMA技术提高传输速率的分析

基于TDMA方式的单载波DPSK调制技术，在发送9600比特时，所需时间为1s；基于FDMA方式的单用户多载波OFDM调制技术，在发送9600比特时，所需时间为3ms；基于FDMA方式的4用户多载波OFDM调制技术，在发送9600比特时，所需时间为1.06ms，相对于单用户的OFDM，4用户的传输时间为其9.3％，提高了多用户的传输速率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，改进后的OFDM多载波算法将实部与虚部加和为一路进行调制发送，提高了该算法的传输速率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于注水原理根据信道的状态灵活的分配功率和比特，由分配的功率和比特数的不同选择不同的映射方式。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用二次剪裁滤波法抑制OFDM算法中过高的PAPR。

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