CN113542167A - 利用极化码和均衡器的水声通信方法 - Google Patents

利用极化码和均衡器的水声通信方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113542167A
CN113542167A CN202110814480.5A CN202110814480A CN113542167A CN 113542167 A CN113542167 A CN 113542167A CN 202110814480 A CN202110814480 A CN 202110814480A CN 113542167 A CN113542167 A CN 113542167A
Authority
CN
China
Prior art keywords
equalizer
decoding
steps
equalization
channel
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.)
Withdrawn
Application number
CN202110814480.5A
Other languages
English (en)
Inventor
吴倩倩
刘锋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Maritime University
Original Assignee
Shanghai Maritime University
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Maritime University filed Critical Shanghai Maritime University
Priority to CN202110814480.5A priority Critical patent/CN113542167A/zh
Publication of CN113542167A publication Critical patent/CN113542167A/zh
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/02—Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/03—Shaping networks in transmitter or receiver, e.g. adaptive shaping networks
    • H04L25/03891—Spatial equalizers
    • H04L25/03949—Spatial equalizers equalizer selection or adaptation based on feedback
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/004—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by using forward error control
    • H04L1/0056—Systems characterized by the type of code used
    • H04L1/0057—Block codes
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/004—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by using forward error control
    • H04L1/0056—Systems characterized by the type of code used
    • H04L1/0061—Error detection codes
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/12—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by using return channel
    • H04L1/16—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by using return channel in which the return channel carries supervisory signals, e.g. repetition request signals
    • H04L1/18—Automatic repetition systems, e.g. Van Duuren systems
    • H04L1/1812—Hybrid protocols; Hybrid automatic repeat request [HARQ]
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/02—Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/03—Shaping networks in transmitter or receiver, e.g. adaptive shaping networks
    • H04L25/03006—Arrangements for removing intersymbol interference

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Cable Transmission Systems, Equalization Of Radio And Reduction Of Echo (AREA)

Abstract

本发明提出了一种利用极化码和均衡器的水声通信方法，通过均衡器将水声信道转换为高斯信道来构造极化码以及加入HARQ机制来提升本方案的性能。该方案在误码率性能上优于turbo均衡迭代5次的结果，译码复杂度低，同时编码构造简单，使用高斯近似方法构造极化码接收端只需要反馈噪声方差信息。

Description

利用极化码和均衡器的水声通信方法
技术领域
本发明是涉及利用极化码和均衡器的水下通信方法，更具体地，涉及使用基于最小误码率准则的自适应判决反馈均衡器，极化码的编码解码，以及使用HARQ机制提高系统性能。
背景技术
自适应判决反馈均衡技术可以自动跟踪信道特性的变化，避免先进行信道估计再矩阵求逆的复杂过程，适用于存储长度较长的水声信道。将基于最小误符号率准则的自适应判决反馈均衡器结合Turbo接收器进行迭代译码可以有效提高系统性能，但是迭代次数越多，该方法的译码复杂度越高。
Polar码是第一个理论上达到香农极限的信道编码，同时具有较低的编译码复杂度。目前针对水声信道可用的极化码构造方法有蒙特卡洛方法和巴氏参数边界法。蒙特卡洛方法通过多次实验来估计子信道的可靠性，适用于各种信道，但是方法复杂度很高，不适合实际使用。巴氏参数边界法需要知道水声信道的特征参数来计算巴氏参数的初始值，该方法需要计算并反馈信道状态信息，而且准确性不高。
发明内容
本发明提出了一种利用极化码和均衡器的水下通信方法，首先利用均衡器将水声信道转换为高斯信道，使用训练数据计算并反馈噪声方差，接收端根据反馈信息使用高斯近似方法进行极化码构造，其次加入HARQ机制，根据CRC校验结果判断是否重新传输训练数据来降低反馈误差的影响。
具体地，本发明通过以下方法实现上述方法：
S1、使用均衡器均衡水声信道；
S2、接收端计算并反馈噪声方差；
S3、发送端构造极化码；
S4、接收端译码；
S5、对译码结果进行CRC校验；
S6、根据校验结果判断是否重传；
所述步骤S1包含以下步骤：
S1.1、假设在一次训练和测试过程中信道保持不变，接收端使用基于最小误码率准则的自适应判决反馈均衡器对训练数据进行均衡处理；设置前馈均衡器系数为fk，步长为uf，反馈均衡器系数为bk，步长为ub；均衡器第k个时刻的输出为：
Figure BDA0003169682420000021
S1.2、均衡器抽头系数根据均衡输出的判决结果自动调整，处理完所有训练数据后均衡器系数在测试过程中将保持不变，系数更新过程表示如下：
Figure BDA0003169682420000022
Figure BDA0003169682420000023
Figure BDA0003169682420000024
所述步骤S2包含以下步骤：
S2.1、假设均衡器可以很好的抵消码间干扰，我们将均衡器第k个时刻的判决输出
Figure BDA0003169682420000025
和发送信号sk表示为：
Figure BDA0003169682420000026
其中λ表示均衡后的偏差，ηk是残余的干扰项，进一步的消除偏差λ后，均衡输出可以表示为：
Figure BDA0003169682420000027
S2.2、于是，信号通过水声信道的过程可以看作信号通过高斯信道，该高斯信道的噪声方差σ2可以使用N个训练数据的时间平均值进行估算，计算过程如下：
Figure BDA0003169682420000031
Figure BDA0003169682420000032
所述步骤S3包含以下步骤：
S3.1、根据反馈的噪声方差，发送端使用高斯近似方法选择可靠性高的子信道，子信道的均值计算方式如下：
Figure BDA0003169682420000033
Figure BDA0003169682420000034
Figure BDA0003169682420000035
Figure BDA0003169682420000036
极化子信道的错误概率为：
Figure BDA0003169682420000037
S3.2、根据极化子信道的错误概率进行排序，选出错误概率小的子信道作为信息位；根据信息位可以得到生成矩阵GN，极化码编码过程如下：
Figure BDA0003169682420000038
其中，
Figure BDA0003169682420000039
和
Figure BDA00031696824200000310
分别是极化编码前后的序列，二进制随机序列和相应的循环冗余序列构成测试数据
Figure BDA00031696824200000311
编码后的数据
Figure BDA00031696824200000312
通过调制再发送；
所述步骤S4包含以下步骤：
S4.1、接收端对接收信号进行均衡、译码操作。设置译码路径宽度L，使用CA-SCL译码算法，保留L个可能性最大的译码路径；
所述步骤S5包含以下步骤：
S5.1、将得到的译码路径依次通过CRC校验，将第一条通过校验的译码路径作为本次译码结果，如果所有路径都没有通过CRC校验则校验失败；
所述步骤S6包含以下步骤：
S6.1、设置最大重传次数，如果校验失败，则重复S1-S6步骤直到校验通过或者达到最大重传次数限制；
本发明的有益效果在于：编码构造简单，使用高斯近似方法构造极化码接收端只需要反馈噪声方差信息，同时在误码率性能上优于turbo均衡迭代5次的结果。
附图说明
图1为本发明利用极化码和均衡器的水声通信方法的流程图。
图2为本发明利用极化码和均衡器的水下通信方法的水声通信系统框图。
图3为本发明利用极化码和均衡器的水下通信方法的HARQ重传过程。
图4为本发明利用极化码和均衡器的水下通信方法和使用turbo迭代均衡方法的误码率性能比较图。
具体实施方式
本发明提出了一种利用极化码和均衡器的水下通信方法，实施过程如图1所示，使用训练数据更新均衡器系数，将水声信道通过均衡器看作为高斯信道；接收端使用均衡输出计算并反馈噪声方差；接收端根据反馈信息使用高斯近似方法构造极化码；接收端使用CA-SCL译码方式译码；将译码结果通过循环冗余校验；根据CRC校验结果判断是否重新传输来降低反馈误差的影响。
具体地，本发明通过以下步骤实现上述方法：
S1、使用均衡器均衡水声信道；
S2、接收端计算并反馈噪声方差；
S3、发送端构造极化码；
S4、接收端译码；
S5、对译码结果进行CRC校验；
S6、根据校验结果判断是否重传；
S7、和turbo迭代均衡进行误码率性能比较；
S1.1、假设在一次训练和测试过程中信道保持不变，设置训练数据长度为1024比特，测试数据长度为1024比特；接收端使用基于最小误码率准则的自适应判决反馈均衡器对训练数据进行均衡处理；设置前馈均衡器系数为fk，步长uf＝0.15,反馈均衡器系数为bk，步长ub＝0.25；均衡器第k个时刻的输出为：
Figure BDA0003169682420000051
S1.2、均衡器抽头系数根据均衡输出的判决结果自动调整，处理完所有训练数据后均衡器系数在测试过程中将保持不变，系数更新过程表示如下：
Figure BDA0003169682420000052
Figure BDA0003169682420000053
Figure BDA0003169682420000054
S2.1、假设均衡器可以很好的抵消码间干扰，我们将均衡器第k个时刻的判决输出
Figure BDA0003169682420000055
和发送信号sk表示为：
Figure BDA0003169682420000056
其中λ表示均衡后的偏差，ηk是残余的干扰项，进一步的消除偏差λ后，均衡输出可以表示为：
Figure BDA0003169682420000061
S2.2、于是，信号通过水声信道的过程可以看作信号通过高斯信道，该高斯信道的噪声方差σ2可以使用N个训练数据的时间平均值进行估算，并将计算得到的噪声方差σ2反馈给发送端。噪声方差σ2计算过程如下：
Figure BDA0003169682420000062
Figure BDA0003169682420000063
S3.1、如图2所示，发送端根据反馈的噪声方差，使用高斯近似方法选择可靠性高的子信道，子信道的均值计算方式如下：
Figure BDA0003169682420000064
Figure BDA0003169682420000065
Figure BDA0003169682420000066
Figure BDA0003169682420000067
极化子信道的错误概率可以表示为：
Figure BDA0003169682420000068
S3.2、根据极化子信道的错误概率进行排序，选出错误概率小的子信道作为信息位；根据信息位可以得到生成矩阵GN，极化码编码过程如下：
Figure BDA0003169682420000069
其中，
Figure BDA00031696824200000610
和
Figure BDA00031696824200000611
分别是极化编码前后的序列，设置1008比特二进制随机序列和16比特循环冗余序列构成测试数据
Figure BDA00031696824200000612
对
Figure BDA00031696824200000613
进行极化编码，编码效率为1/2，编码后的数据
Figure BDA00031696824200000614
通过调制再送入水声信道；
S4.1、接收端对接收信号进行均衡、解调和译码操作；设置译码路径宽度L＝16，使用CA-SCL译码算法，保留L个可能性最大的译码路径；
S5.1、将得到的译码路径依次通过循环冗余校验，并将第一条通过校验的译码路径作为本次译码结果。
S6.1、如图3所示，设置最大重传次数为1次，如果校验成功，则向发送端发送确认信号(ACK信号)，本次传输过程结束；如果校验失败，则向发送端发送NACK信号，发送端重新发送训练数据，重复S1-S6步骤直到校验通过或者达到最大重传次数限制，当重传过程结束后，仍没有译码路径校验成功则选择可能性最大的译码路径作为译码结果输出；
S7.1、将该方案与turbo均衡算法进行比较，turbo均衡算法使用相同的均衡器设置，以及同样的训练数据，编码方式使用1/2码率的递归系统卷积码，该编码器的生成多项式为[G1,G2]＝[5,7]，编码后的数据通过交织器再调制和发送，接收端对接收数据进行迭代均衡和译码，均衡器更新步长设置为uf＝ub＝0.01，迭代次数设为5次；仿真比较结果如图4所示，本发明在误码率性能上比turbo迭代5次收敛更快，误码率更低。

Claims (1)

1.利用极化码和均衡器的水声通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、使用均衡器均衡水声信道；
S2、接收端计算并反馈噪声方差；
S3、发送端构造极化码；
S4、接收端译码；
S5、对译码结果进行CRC校验；
S6、根据校验结果判断是否重传；
所述步骤S1包含以下步骤：
S1.1、假设在一次训练和测试过程中信道保持不变，接收端使用基于最小误码率准则的自适应判决反馈均衡器对训练数据进行均衡处理；设置前馈均衡器系数为fk，步长为uf,反馈均衡器系数为bk，步长为ub；均衡器第k个时刻的输出为：
Figure FDA0003169682410000011
S1.2、均衡器抽头系数根据均衡输出的判决结果自动调整，处理完所有训练数据后均衡器系数在测试过程中将保持不变，系数更新过程表示如下：
Figure FDA0003169682410000012
Figure FDA0003169682410000013
Figure FDA0003169682410000014
所述步骤S2包含以下步骤：
S2.1、假设均衡器可以很好的抵消码间干扰，我们将均衡器第k个时刻的判决输出
Figure FDA0003169682410000021
和发送信号sk表示为：
Figure FDA0003169682410000022
其中λ表示均衡后的偏差，ηk是残余的干扰项，进一步的消除偏差λ后，均衡输出可以表示为：
Figure FDA0003169682410000023
S2.2、于是，信号通过水声信道的过程可以看作信号通过高斯信道，该高斯信道的噪声方差σ2可以使用N个训练数据的时间平均值进行估算，计算过程如下：
Figure FDA0003169682410000024
Figure FDA0003169682410000025
所述步骤S3包含以下步骤：
S3.1、根据反馈的噪声方差，发送端使用高斯近似方法选择可靠性高的子信道，子信道的均值计算方式如下：
Figure FDA0003169682410000026
Figure FDA0003169682410000027
Figure FDA0003169682410000028
Figure FDA0003169682410000029
极化子信道的错误概率为：
Figure FDA0003169682410000031
S3.2、根据极化子信道的错误概率进行排序，选出错误概率小的子信道作为信息位；根据信息位可以得到生成矩阵GN，极化码编码过程如下：
Figure FDA0003169682410000032
其中，
Figure FDA0003169682410000033
和
Figure FDA0003169682410000034
分别是极化编码前后的序列，二进制随机序列和相应的循环冗余序列构成测试数据
Figure FDA0003169682410000035
编码后的数据
Figure FDA0003169682410000036
通过调制再发送；
所述步骤S4包含以下步骤：
S4.1、接收端对接收信号进行均衡、译码操作；设置译码路径宽度L，使用CA-SCL译码算法，保留L个可能性最大的译码路径；
所述步骤S5包含以下步骤：
S5.1、将得到的译码路径依次通过CRC校验，将第一条通过校验的译码路径作为本次译码结果，如果所有路径都没有通过CRC校验则校验失败；
所述步骤S6包含以下步骤：
S6.1、设置最大重传次数，如果校验失败，则重复S1-S6步骤直到校验通过或者达到最大重传次数限制。
CN202110814480.5A 2021-07-19 2021-07-19 利用极化码和均衡器的水声通信方法 Withdrawn CN113542167A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110814480.5A CN113542167A (zh) 2021-07-19 2021-07-19 利用极化码和均衡器的水声通信方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110814480.5A CN113542167A (zh) 2021-07-19 2021-07-19 利用极化码和均衡器的水声通信方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113542167A true CN113542167A (zh) 2021-10-22

Family

ID=78128716

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110814480.5A Withdrawn CN113542167A (zh) 2021-07-19 2021-07-19 利用极化码和均衡器的水声通信方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113542167A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115276912A (zh) * 2022-09-28 2022-11-01 鹏城实验室 基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统
CN115296750A (zh) * 2022-09-28 2022-11-04 鹏城实验室 一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统
CN115314124A (zh) * 2022-09-28 2022-11-08 鹏城实验室 一种极化码构造方法、构造系统和装置

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115276912A (zh) * 2022-09-28 2022-11-01 鹏城实验室 基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统
CN115296750A (zh) * 2022-09-28 2022-11-04 鹏城实验室 一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统
CN115314124A (zh) * 2022-09-28 2022-11-08 鹏城实验室 一种极化码构造方法、构造系统和装置
CN115314124B (zh) * 2022-09-28 2023-01-10 鹏城实验室 一种极化码构造方法、构造系统和装置
CN115296750B (zh) * 2022-09-28 2023-01-17 鹏城实验室 一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统
CN115276912B (zh) * 2022-09-28 2023-02-21 鹏城实验室 基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统
WO2024067173A1 (zh) * 2022-09-28 2024-04-04 鹏城实验室 基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113542167A (zh) 利用极化码和均衡器的水声通信方法
CN103281166B (zh) 一种基于极化码的混合自动重传请求传输方法
CN107395319B (zh) 基于打孔的码率兼容极化码编码方法及系统
CN109964426B (zh) 用于解析接收信号的信号接收器和方法、通信系统
US8539288B1 (en) Methods and apparatus for multiple input multiple output (MIMO) successive interference cancellation (SIC) with retransmissions
JPWO2005107081A1 (ja) 再送制御方法および通信装置
CN107231158B (zh) 一种极化码迭代接收机、系统和极化码迭代译码方法
WO2012122758A1 (zh) 一种数据传输方法、系统及控制站
CN107565984B (zh) 一种预编码为非规则码的Raptor码优化编码方法
CN108092742B (zh) 一种基于极化码的通信方法
CN103490866B (zh) 星地传输网络中基于网络编码的harq传输方法
CN105207682A (zh) 基于动态校验矩阵的极化码置信传播译码方法
CN109889308B (zh) 物联网中联合极化编译码的混合自动重传请求方法
CN111245571B (zh) 噪声聚合系统下与编码调制技术相结合的接收机设计方法
CN102349255A (zh) 通过概率固定的组合码来提供不等差错保护码设计的方法和设备
CN102064917A (zh) 一种ldpc编码调制系统的解调译码方法
CN109194336B (zh) 级联Spinal码的编码和译码方法、系统及装置
Jiang et al. Feedback turbo autoencoder
CN107659318A (zh) 一种自适应的极化码译码方法
Qiu et al. Throughput maximization for polar coded IR-HARQ using deep reinforcement learning
CN115426014B (zh) 一种基于酉空时编码调制的水声mimo通信方法
CN113660064B (zh) 一种适用于电力线通信系统的基于多数据包的联合二维交织编码方法
Samra et al. A hybrid ARQ protocol using integrated channel equalization
CN110336640A (zh) 一种短码长系统lt码译码方法
CN111162872B (zh) 用于水声通信的联合均衡与Raptor译码算法

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
WW01 Invention patent application withdrawn after publication
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20211022