CN112671473B - 一种基于被动时反技术的otfs水声通信方法 - Google Patents
一种基于被动时反技术的otfs水声通信方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112671473B CN112671473B CN202011562738.9A CN202011562738A CN112671473B CN 112671473 B CN112671473 B CN 112671473B CN 202011562738 A CN202011562738 A CN 202011562738A CN 112671473 B CN112671473 B CN 112671473B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- time
- signal
- domain
- channel
- dimensional
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Landscapes
- Cable Transmission Systems, Equalization Of Radio And Reduction Of Echo (AREA)
Abstract
本发明涉及水声通信领域,具体涉及一种基于被动时反技术的OTFS水声通信方法。所述的通信方法步骤如下:将时延‑多普勒域内的信号经过离散辛傅里叶反变换,得到时频域内的信号。利用水声通信发射机将时域信号经载波调制后发射。接收端:对接收换能器收到的信号进行预处理;对经过预处理后的接收信号进行OFDM解调;对时延‑多普勒域内的接收信号进行信道估计;在时延‑多普勒域内对接收信号进行二维被动时反处理。本发明的通信方法针对水声OTFS系统,提出一种二维被动时反方法来对时延‑多普勒域内的二维信道进行压缩,能够实现时间、空间、频率上的聚焦,能有效降低后续均衡处理难度,提高系统的通信性能。
Description
技术领域
本发明涉及水声通信领域,具体涉及一种基于被动时反技术的OTFS水声通信方法。
背景技术
随着对海洋资源的需求越来越强,人们对海洋的探索也越来越深入。对于探索海洋的过程中,水下通信是一项必不可少的技术。水声通信作为开展中、远程水下通信的唯一技术手段,受到了人们的广泛关注。相比于陆上的射频通信信道,水声信道具有时延扩展长、时变显著、多普勒效应严重以及可用带宽受限等特征,这些特征对实现高速率水声通信造成了很大的挑战。目前水声通信中常用的技术有:单载波时域均衡技术、单载波频域均衡技术、正交频分复用技术(OFDM)、Turbo均衡技术。单载波时域均衡技术虽然能够实现高速率通信但存在着接收机设计复杂度高、对参数敏感、不易实现的缺点。OFDM对长时延扩展信道具有较好的鲁棒性和较低的复杂度,在高速水声通信中得到了广泛的应用。OFDM调制的优点是符号能够在正交的子载波信道中不受干扰的传输。但是在时变信道中,子载波间的正交性会被破坏,存在子载波间干扰(ICI),这会严重降低OFDM的性能。
近些年,研究人员提出OTFS调制。该调制适用于无线通信系统中的高速移动场景。OTFS调制的特点是它能够将时域中的时变信道转换到与时间无关的时延-多普勒域中。现有研究表明,在时变信道下,OTFS可以取得比OFDM更好的性能。但是,虽然在时延-多普勒域中的信道可以近似视为时不变的,仍然存在这符号间干扰。因此,OTFS系统依旧需要采用有效的信道均衡技术来消除干扰。
本发明将OTFS调制应用于水声通信中。但由于水声信道的长时延扩展,导致现有无线通信系统中的OTFS均衡技术的复杂度太高而无法实现。因此,本项目根据水声信道特点,提出一种用于水声OTFS系统的被动时反接收方法。
发明内容
本发明将正交时频空(OTFS)调制应用于水声通信中,并提出了适用于OTFS水声通信系统的二维被动时反(2D PTR)接收方法。该接收机能够在时延-多普勒域中对二维信道进行压缩。压缩后的信道可以等效为一个二维的冲激函数,能有效降低符号间干扰,降低后续均衡难度。
本发明的技术方案如下:
一种基于被动时反技术的OTFS水声通信方法,步骤如下:
第一步:发射端
1.1信息比特流经过QAM调制后,得到M*N个QAM符号,将其转换成M×N的矩阵,该信号矩阵即为时延-多普勒域中发射信号。
1.2将时延-多普勒域内的信号经过离散辛傅里叶反变换(ISFFT),得到时频域内的信号。对时频域内的信号进行加窗处理。之后,对该信号进行OFDM调制,得到时域信号;
第二步:利用水声通信发射机将时域信号经载波调制后发射。
第三步:接收端
3.1.对接收换能器收到的信号进行预处理,预处理包括同步、下变频和抽样处理等;
3.2对经过预处理后的接收信号进行OFDM解调,转换到时频域。再通过离散辛傅里叶变换转换到时延-多普勒域;
3.3对时延-多普勒域内的接收信号进行信道估计;
3.4在时延-多普勒域内对接收信号进行二维被动时反处理;
所述的二维被动时反处理为:将二维接收信号与经过相位补偿后的二维反转信道进行二维卷积。
3.5对经过二维被动时反处理后的数据进行后续的均衡。
本发明的有益效果:
本发明的通信方法针对水声OTFS系统,提出一种二维被动时反方法来对时延-多普勒域内的二维信道进行压缩,能够实现时间、空间、频率上的聚焦,能有效降低后续均衡处理难度,提高系统的通信性能。
附图说明
图1是本发明的发射端结构示意图。
图2是本发明的接收端结构示意图。
图3是仿真信道的信道脉冲响应。
图4是仿真信道的散射函数图。
图5是仿真信道在时延-多普勒域的信道响应。
图6是仿真信道经过二维被动时反处理后等效信道图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步详细的描述。
本发明仅涉及通信系统中的基带调制阶段,因此着重讲述该部分方法,对于载波调制与解调阶段内容忽略。
发射端结构如图1所示。发射端主要由7个模块组成:QAM调制器、ISFFT模块、加窗函数模块、IFFT模块、添加循环前缀模块、并串转换模块和载波调制器。
发射端的具体实施方式包括以下分步骤:
T1.产生时延-多普勒域中发射信号;
T2.利用离散辛傅里叶反变换(ISFFT)变换得到时频域信号;
对发射信号XDD做ISFFT处理,将其转换为时频域信号XFT,可表示为:
T3.时频域信号经过发送脉冲整形窗口;
T4.离散傅里叶反变换;
对XFT做M点的IFFT后可以得到时域信号XT,表示为:
T5.加入循环前缀与并串转换;
为避免子块间干扰,对XT添加循环前缀(CP):
XCP=XTACP (4)
x=vec{XCP} (5)
T6.对数据x进行载波调制,并发送到水声信道中。
接收端结构如图2所示。接收端包括:预处理模块、串并转换模块、CP去除模块、FFT模块、加窗函数模块、SFFT模块、信道估计模块、二维被动时反处理模块和后续均衡模块,其中预处理模块包括同步、下变频和抽样等处理,主要是将接收到的通带信号变成基带信号,这里不进行描述。
R1.将接收信号进行串并转换,并移除CP:
Yp=unvec(yp) (6)
将接收信号Yp中的CP去除得到时域中接收信号:
Yp T=RCPYp (7)
R2.离散傅里叶变换:
对Yp T进行FFT处理,将其从时域转换为时频域,可表示为:
Yp FT=FMYp T (8)
R3.接收窗函数与离散辛傅里叶变换(SFFT):
时频域接收信号Yp FT同样经过一个值全为1的接收窗函数。接着,对接收信号Yp FT做SFFT得到时延-多普勒域中的接收信号,其可以表示为:
公式(9)中给出的时延-多普勒域中的接收信号,其可以表示为在时延-多普勒域中的发射信号XDD与带有相位补偿的信道的二维周期卷积。该关系可以表示为:
式中,α=(l-l')M,β=(k-k′)N。
R5.二维被动时反(2D PTR)处理;
那么,OTFS系统中二维被动时反处理相应地定义为:
将公式(10)代入公式(13)中,公式(13)可进一步表示为:
令eφ(γ,η)=e-φ(α,β),且
则公式(14)可以表示为:
与传统的被动时反处理相似,二维被动时反的Q函数也近似为一个冲激函数,区别在于二维被动时反的Q函数是一个二维矩阵。因此,本发明所提的二维被动时反技术能够对信道进行压缩,具有对空间和时间聚焦的能力。图3为二维被动时反的结构框图,在图中我们使用符号代表二维周期卷积过程。
经过二维被动时反处理后,大部分的干扰已经被消除,由旁瓣产生的残余干扰需要后续的均衡器进一步消除。但此时残余干扰的均衡难度已经降低。
利用水声信道仿真软件得到时变水声信道来验证本发明提出的二维被动时反接收机的性能。在仿真中,设置水深在100m处,水源深度为20m。接收水听器为间距为8米的垂直阵列,接收阵元为6个,顶部的水听器位于水面以下40米。信号的中心频率和带宽分别为fc=6kHz和B=4kHz。发射机与接收机之间的距离设置为2.1km,船速设置为1.2m/s,扩频因子设置为1.7。顶部水听器的信道冲击响应与散射函数如图4所示。信道中最大信道延迟扩展约为20ms,多径6簇。
图5给出了单个通道在时延-多普勒域内的信道响应,图6给出了经过二维被动时反处理后的等效信道。通过两个图的对比可以看出,未处理的信道干扰范围大,干扰严重。而经过二维被动时反处理后的信道只有一个主峰,近似为冲激函数。因此,二维被动时反处理在时延-多普勒域内实现了对信道的压缩,提高了信噪比,可以降低后续均衡处理的难度。
Claims (2)
1.一种基于被动时反技术的OTFS水声通信方法,其特征在于,所述的OTFS为正交时频空调制;具体方法步骤如下:
第一步:发射端
1.1信息比特流经过QAM调制后,得到M*N个QAM符号,将其转换成M×N的矩阵,该矩阵即为时延-多普勒域中发射信号;
1.2将时延-多普勒域中发射信号经过离散辛傅里叶反变换,得到时频域内的信号;对时频域内的信号进行加窗处理;之后,对该信号进行OFDM调制,得到时域信号;
第二步:利用水声通信发射机将时域信号经载波调制后发射;
第三步:接收端
3.1.对接收换能器收到的信号进行预处理,预处理目的是将接收到的通带信号变成基带信号;
3.2对经过预处理后的接收信号进行OFDM解调,转换到时频域;再通过离散辛傅里叶变换转换到时延-多普勒域;
3.3对时延-多普勒域内的接收信号进行信道估计;
3.4在时延-多普勒域内对接收信号进行二维被动时反处理;
所述的二维被动时反处理为:将二维接收信号与经过相位补偿后的二维反转信道进行二维卷积;
3.5对经过二维被动时反处理后的数据进行后续的均衡;
所述的步骤3.4中,二维被动时反处理,具体如下:
那么,OTFS系统中二维被动时反处理相应地定义为:
2.根据权利要求1所述的一种基于被动时反技术的OTFS水声通信方法,其特征在于,所述的接收端包括:预处理模块、串并转换模块、CP去除模块、FFT模块、加窗函数模块、SFFT模块、信道估计模块、二维被动时反处理模块和后续均衡模块;所述的预处理模块是将接收到的通带信号变成基带信号;所述的CP去除模块是将接收信号中的循环前缀去除;所述的SFFT模块是对接收信号进行离散辛傅里叶变换。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202011562738.9A CN112671473B (zh) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | 一种基于被动时反技术的otfs水声通信方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202011562738.9A CN112671473B (zh) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | 一种基于被动时反技术的otfs水声通信方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN112671473A CN112671473A (zh) | 2021-04-16 |
CN112671473B true CN112671473B (zh) | 2022-09-20 |
Family
ID=75409099
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202011562738.9A Active CN112671473B (zh) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | 一种基于被动时反技术的otfs水声通信方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN112671473B (zh) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113852584B (zh) * | 2021-10-14 | 2023-10-13 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于otfs系统的非线性矫正主动星座扩展方法 |
CN114584239B (zh) * | 2022-03-07 | 2022-11-18 | 大连理工大学 | 一种基于学习去噪的otfs水声通信稀疏信道估计方法 |
CN114500199A (zh) * | 2022-04-13 | 2022-05-13 | 鹏城实验室 | 一种基于空时簇处理的水声通信方法及相关设备 |
CN114785644A (zh) * | 2022-05-19 | 2022-07-22 | 江苏科技大学 | 一种移动水声otfs通信稀疏信道估计方法 |
CN115150230B (zh) * | 2022-06-01 | 2023-10-31 | 北京理工大学 | 一种提升频谱效率的正交时频空间调制系统及方法 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109743118A (zh) * | 2018-12-24 | 2019-05-10 | 哈尔滨工程大学 | 一种时变双扩信道条件下的高频谱效率的ofdm水声通信方法 |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102546511B (zh) * | 2012-01-12 | 2014-05-07 | 浙江大学 | 一种基于时反和ofdm联合处理的水声通信装置及方法 |
CN103701728B (zh) * | 2013-12-03 | 2016-09-28 | 浙江大学 | 一种基于间接信道函数跟踪的被动时反水声通信方法 |
WO2017011455A1 (en) * | 2015-07-12 | 2017-01-19 | Cohere Technologies | Orthogonal time frequency space modulation over a plurality of narrow band subcarriers |
CN110677359A (zh) * | 2019-09-03 | 2020-01-10 | 北京邮电大学 | 正交时频空系统的信号接收方法、接收装置及存储介质 |
-
2020
- 2020-12-25 CN CN202011562738.9A patent/CN112671473B/zh active Active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109743118A (zh) * | 2018-12-24 | 2019-05-10 | 哈尔滨工程大学 | 一种时变双扩信道条件下的高频谱效率的ofdm水声通信方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN112671473A (zh) | 2021-04-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN112671473B (zh) | 一种基于被动时反技术的otfs水声通信方法 | |
CN107682297B (zh) | 一种移动水声通信方法 | |
CN101771657B (zh) | 一种多载波水声通信方法 | |
CN105490976B (zh) | 一种基于频域线性调频扩频的水声通信系统及其通信方法 | |
CN109474305B (zh) | 一种5g多载波扩频水声通信方法 | |
Kang et al. | Long-range multi-carrier acoustic communications in shallow water based on iterative sparse channel estimation | |
CN114584239B (zh) | 一种基于学习去噪的otfs水声通信稀疏信道估计方法 | |
CN107612618B (zh) | 一种基于可见光通信新型混合调制方法 | |
WO2020113464A1 (zh) | 一种5g多载波水声通信方法 | |
CN101505291A (zh) | 基于ofdm编码的水声通信差分解码方法 | |
CN109462443B (zh) | 一种5g多载波水声通信方法 | |
CN112491756A (zh) | 一种fbmc系统中联合信道均衡的rls信道估计方法 | |
CN111585688B (zh) | 一种基于索引调制的ocdm水声通信方法 | |
CN111355677A (zh) | 一种基于滤波器组的多载波水下高速通信系统 | |
Ma et al. | A combined doppler scale estimation scheme for underwater acoustic OFDM system | |
TW202029709A (zh) | 基於離散哈特利轉換之濾波器組多載波通訊系統 | |
CN107454031B (zh) | 一种基于分组信噪比置信度的ofdm-mfsk水声通信技术 | |
CN110808933A (zh) | 基于小波包变换的索引调制水声多载波通信方法 | |
CN103441980A (zh) | 基于频率反转镜技术的无边带信息浅海水声通信图样选择峰均比抑制算法 | |
Wu et al. | The research on improved companding transformation for reducing PAPR in underwater acoustic OFDM communication system | |
CN108880777B (zh) | 适用于ufmc波形的信道探测参考信号发送与接收方法 | |
CN112910814B (zh) | 一种基于部分响应的水声通信多载波调制方法 | |
CN113938207B (zh) | 应用于光非厄米特对称ofdm接收机的信号处理方法 | |
Wang et al. | A Time-reversal based CP-free OFDM system for underwater acoustic communication | |
CN115150230A (zh) | 一种提升频谱效率的正交时频空间调制系统及方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |