CN112910570B

CN112910570B - 基于正交信分复用调制的水声通信链路自适应配置方法

Info

Publication number: CN112910570B
Application number: CN202011460342.3A
Authority: CN
Inventors: 韩晶; 杜玉洁; 马胜前; 马文博
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2020-12-11
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2040-12-11
Also published as: CN112910570A

Abstract

本发明涉及一种基于正交信分复用调制的水声通信链路自适应配置方法，设定OSDM调制方案在Hadamard不同编码长度下的集合，计算给定误码率下的信噪比区间。发送端发送RTS请求信道的同时，加入用于环境认知的信号段；接收端接收到RTS后完成对环境的认知，计算接收信噪比等信道相关参数。接收端发送CTS应答，同时将相应的OSDM通信制式反馈给发送端。发送端收到CTS后，根据其中的通信制式信息调整发送端的OSDM通信制式，使收发两端通信制式保持同步后发送相应的DATA数据。本发明所提出的基于OSDM调制的环境认知链路自适应配置方法，与直接使用单一通信模式的链路配置相比，更适用于真实的水声时变信道。

Description

基于正交信分复用调制的水声通信链路自适应配置方法

技术领域

本发明属于水声通信领域，涉及一种基于正交信分复用调制的水声通信链路自适应配置方法，具体涉及一种在时变衰落信道中基于OSDM调制的环境认知链路自适应配置方法。

背景技术

在水声通信网络中，考虑到传输过程中信道时变衰落的特点，任何单一调制编码方式将无法满足对通信链路数据率与可靠性的多样需求。抗干扰能力强的调制方式往往数据传输速率低；而数据传输速率高的调制方式通常抗干扰能力差，从而会产生较大误码率。

目前，在水声通信中广泛使用的一种调制方法是单载波调制技术。单载波调制在发射端首先将待发射位序列分组，并将各组以某一星座结构映射为一个发射符号，如图1所示。在2^Q阶调制中，采用的调制星座包含2^Q个符号点位，每次需将Q个连续信息位分组映射为一个发射符号。当Q值增加时，单一发射符号将携带更多信息，通信系统因而将获得更高数据率。但Q值的增加也将使星座图中各符号点位间距变小，导致通信系统的可靠性下降，故单载波调制阶数的选取需在数据率与误码率性能之间进行合理折中。然而，单载波调制在数据率性能上的优势是以通信可靠性与接收处理复杂度为代价的。

水声通信中另一种常用的调制方法是多载波调制技术。相比于单载波调制，多载波调制技术可将高速串行传输转化为低速并行传输，增加了码元持续时间，能够在码间干扰程度降低的同时实现高数据率传输。相关技术已被广泛应用于无线通信，并应用于第四代无线通信各类标准。然而，传统正交频分复用技术(Orthogonal Frequency-DivisionMultiplexing,OFDM)在水声通信应用中仍然存在峰均功率比高、能量效率不足等问题，为其实际应用带来困难。近年来，随着通信技术的快速发展，正交信分复用(OrthogonalSignal-Division Multiplexing,OSDM)作为一种新兴的泛化调制框架，可实现低复杂度的信道均衡。OSDM方案发射端调制原理如图2所示，其在一个数据块内将K＝MN个符号分割为N个长为M的符号矢量，并通过逐元素进行N点离散傅里叶逆变换实现调制。在此泛化调制框架下，OFDM与单载波块传输(Single-Carrier Block Transmission,SCBT)将被统一为OSDM调制框架中的两个极端特例。由于M和N的取值可以根据实际情况进行灵活配置，OSDM调制在平衡系统设计需求方面具有较之OFDM与SCBT更高的自由度，既能克服码间干扰且又能实现高频带利用率。

另外，可靠水声通信的核心困难在于信道。在此方面，针对水下环境的随机时变性，基于环境认知的自适应链路配置方法将是解决相关问题的关键所在。其通过测量水声信道质量状况，动态改变发射端与接收端的调制解调方案，与当前时刻的通信环境相适应，使通信链路在保证误码率要求的前提下尽可能地提高传输数据率。

传统的水声通信系统使用单一的调制解调配置，其无法适应时变的信道环境，造成信道利用率低、传输数据率低、吞吐量小、可靠性差等问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于正交信分复用调制的水声通信链路自适应配置方法，可以有效克服水下信道环境的诸多限制，并根据信道状态在保证误码率的前提下自适应地选择合适的通信制式，以此来提高水声信道利用率，实现传输数据率和吞吐量最大化的目的。系统总体框图如图3所示。

技术方案

一种基于正交信分复用调制的水声通信链路自适应配置方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：首先生成用于编码的Hadamard序列，取Hadamard矩阵的第一列的长度为编码长度HL；信源产生后采用QPSK的映射方式，将映射后的信号进行Hadamard编码，此时信号将被重复HL次；

编码后的信号采用OSDM调制方案，在不同HL下的数据率为：

其中：T_s为码元持续时间

得到得到OSDM采用Hadamard编码方式在不同HL下对应的数据率；

步骤2：根据需求设置接收信噪比门限；

步骤3：当发送端有数据待发送，首先发送控制信息RTS请求信道，同时加入要求接收端进行环境认知的信号段；

步骤4：接收端接收到RTS后完成对环境的认知，计算传播时延和接收信噪比；

若信噪比大于步骤2所设定接收信噪比门限，则根据步骤1的调制方案集合选择数据率最高的OSDM通信制式，反之则丢弃，重回步骤3；

传播时延计算为：

其中：v为水下声传播的速度，r_x、r_y、r_z、t_x、t_y、t_z分别为接收端端和发送端的空间坐标；

接收信噪比计算为：

其中：P_n为噪声功率，P_rx为接收到的信号功率；

步骤5：接收端发送CTS，在对发送端应答的同时添加与步骤4所选相对应的OSDM通信制式反馈给发送端；

步骤6：若发送端收到CTS，则根据其携带的信息调整发送端的通信制式，使收发两端通信制式保持同步，之后发送端发送相应的DATA数据；若发送端在定时时间内未收到CTS，需在一个随机的退避时间之后重新发送信道请求RTS，回到步骤3；

步骤7：接收端接收到DATA后，使用与调制方案相对应的OSDM通信制式解调，若解调无误则回复ACK；若DATA解调有误并未纠错成功，DATA被丢弃，重返步骤3；

步骤8：发送端接收到ACK表明DATA被成功接收，本次链路自适应过程结束，重返步骤3开始下一个数据包的发送过程。

所述接收到的信号功率P_rx＝P_tx×tag×rag×pg，其中P_tx为发射功率，tag为发射天线增益，rag为接收天线增益，pg为传播增益。

有益效果

本发明提出的一种基于正交信分复用调制的水声通信链路自适应配置方法，设定一个包含OSDM调制方案在Hadamard不同编码长度下的集合，并绘制相应的误码率曲线，得到对应调制方式在给定误码率下的信噪比区间。发送端发送RTS请求信道的同时，加入用于环境认知的信号段；接收端接收到RTS后完成对环境的认知，计算接收信噪比等信道相关参数。接收端发送CTS应答，同时将相应的OSDM通信制式反馈给发送端。发送端收到CTS后，根据其中的通信制式信息调整发送端的OSDM通信制式，使收发两端通信制式保持同步后发送相应的DATA数据。

相比于传统自适应调制编码只涉及单载波调制阶数或OFDM载波数调整，本发明基于OSDM泛化调制以实现高速可靠水声通信传输。相关技术主要包括两部分：一是测量获取信噪比、多径时延、多普勒扩展等信道信息；二是在保证误码率的前提下，选择数据率最高的调制方式，以使水声通信系统获得尽可能高的吞吐量。

通过计算机仿真对所提出的链路自适应方法进行评估，验证其在时变信道中的有效性。

本发明方法，与直接使用单一通信模式的链路配置相比，更适用于真实的水声时变信道。根据环境的变化在保证误码率的前提下自适应的选择数据率更高的OSDM调制模式，使水声通信系统的吞吐量明显增大，总吞吐量和平均吞吐量分别如图7和图8所示，数据包传输正确率PDR(Packet Delivery Rate)也明显升高，如图9所示。

附图说明

图1：典型单载波调制星座结构图

图2：OSDM调制原理图

图3：基于环境认知的链路自适应系统框图

图4：信息交换协议示意图

图5：不同参数M下的OSDM方案误码率曲线

图6：Hadamard编码的OSDM方案误码率曲线

图7：单一通信模式与自适应模式下的总吞吐量

图8：单一通信模式与自适应模式下的平均吞吐量

图9：单一通信模式与自适应模式下的数据包传输正确率

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的技术方案：

1.设定一个包含OSDM调制方案在Hadamard不同编码长度下的集合，并绘制相应的误码率曲线，得到对应调制方式在给定误码率下的信噪比区间。

2.根据需求设置接收信噪比门限。

3.发送端发送RTS请求信道的同时，加入用于环境认知的信号段。

4.接收端接收到RTS后完成对环境的认知，计算接收信噪比等信道相关参数。在保证误码率的前提下，若信噪比大于步骤2所设定接收信噪比门限，则根据步骤1的调制方案集合选择数据率最高的OSDM通信制式，反之则丢弃，重回步骤3。

5.接收端发送CTS应答，同时将相应的OSDM通信制式反馈给发送端。

6.发送端收到CTS后，根据其中的通信制式信息调整发送端的OSDM通信制式，使收发两端通信制式保持同步后发送相应的DATA数据。

7.接收端接收到DATA解调无误后回复ACK(Acknowledge character)。若DATA解调有误并未纠错成功，DATA被丢弃，重返步骤3。

8.发送端接收到ACK表明DATA被成功接收，本次链路自适应过程结束，重返步骤3开启下一个数据包的发送过程。

本发明的信息交换协议如图4所示。所涉及的方法包括以下具体步骤：

步骤1：受海洋环境和数据率等综合因素的影响，采用基于QPSK映射方式的OSDM调制方案。如图5，当M＝64时，OSDM的性能较为稳健，因此选择M＝64的OSDM调制方案。为增强抗干扰能力，此处OSDM采用Hadamard编码方式。首先生成用于编码的Hadamard序列，取Hadamard矩阵的第一列，即全1列，该列的长度即为编码长度HL。信源产生后采用QPSK的映射方式，将映射后的信号进行Hadamard编码，此时信号将被重复HL次，以此来降低误码率。编码后的信号采用M＝64的OSDM调制方案，在一个数据块内将K＝MN个符号分割为N个长为M＝64的符号矢量，并通过逐元素进行N点离散傅里叶逆变换实现调制。码元持续时间为T_s，则在不同HL下的数据率可计算为

设置T_s为0.25ms，得到OSDM采用Hadamard编码方式在不同HL下对应的数据率如表1所示，误码率曲线如图所示。

表1

根据图6，考虑数据率和系统复杂度的综合影响，在保证误码率为10^-3以下时，设定不同信噪比区间内的调制方案，使系统传输数据率最优化，如表2所示。

表2

编号	调制方式	信噪比/dB	数据率/bps
				1	OSDM-HL8	0～3	1000
2	OSDM-HL4	3～6	2000
				3	OSDM-HL2	6～9	4000
4	OSDM-HL1	大于9	8000

步骤2：设置接收信噪比门限为0dB。

步骤3：当发送端有数据待发送，首先发送控制信息RTS(Require To Send)请求信道，同时加入要求接收端进行环境认知的信号段。

步骤4：接收端接收到RTS后对环境能量进行认知，计算传播时延、接收信噪比等。若接收端的信道已被占用，则忽略收到的RTS。

水下声传播的速度为1500m/s，此时传播时延可计算为：

其中r_x、r_y、r_z、t_x、t_y、t_z分别为接收端端和发送端的空间坐标。

接收信噪比可计算为：

其中P_n为噪声功率，海洋环境噪声是复杂多变的，包括湍流噪声、航运噪声、海面噪声与热噪声等，其与海域位置、季节、气象条件以及频率有关。P_rx为接收到的信号功率，可计算为：

P_rx＝P_tx×tag×rag×pg

其中P_tx为发射功率，tag为发射天线增益，rag为接收天线增益，pg为传播增益，pg数值与信道传播衰落因子有关。

在保证误码率的前提下，若信噪比大于步骤2所设定接收信噪比门限，则根据步骤1中表2的调制方案集合选择当前信噪比下数据率最高的OSDM通信制式，反之则丢弃，回到步骤3。

步骤5：接收端发送CTS(Clear To Send)，在对发送端应答的同时添加与步骤4所选相对应的OSDM通信制式反馈给发送端。

步骤6：若发送端收到CTS，则根据其携带的信息调整发送端的通信制式，使收发两端通信制式保持同步，之后发送端发送相应的DATA数据。若发送端在定时时间内未收到CTS，需在一个随机的退避时间之后重新发送信道请求RTS，回到步骤3。

步骤7：接收端接收到DATA后，使用与调制方案相对应的OSDM通信制式解调，若解调无误则回复ACK。若DATA解调有误并未纠错成功，DATA被丢弃，重返步骤3。

Claims

1.一种基于正交信分复用调制的水声通信链路自适应配置方法，其特征在于步骤如下：

编码后的信号采用OSDM调制方案，在不同HL下的数据率为：

其中：T_s为码元持续时间

得到OSDM采用Hadamard编码方式在不同HL下对应的数据率；

步骤2：根据需求设置接收信噪比门限；

传播时延计算为：

其中：v为水下声传播的速度，r_x、r_y、r_z、t_x、t_y、t_z分别为接收端和发送端的空间坐标；

接收信噪比计算为：

其中：P_n为噪声功率，P_rx为接收到的信号功率；

2.根据权利要求1所述基于正交信分复用调制的水声通信链路自适应配置方法，其特征在于：所述接收到的信号功率P_rx＝P_tx×tag×rag×pg，其中P_tx为发射功率，tag为发射天线增益，rag为接收天线增益，pg为传播增益。