CN113630149A - 一种基于索引调制的多序列扩频通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于索引调制的多序列扩频通信方法及系统，其方法部分包括如下步骤：通信发送：对原始信号分组，对每一组进行索引调制，且偏移量由组内的索引比特确定，其中，组内信息序列用于星座调制，组内的信息经索引调制并与导频信号叠加后进行发射；通信接收：利用导频信号对接收到的信号进行信道估计，根据估计得到的信道参数对接收信号进行校正，随后对信号进行解扩，利用索引估计算法估计索引比特序列，继而恢复出比特序列。本发明在MSSS的基础上增加了索引调制，将不同叠加序列采用扩频序列的循环位移量作为索引信息携带额外的信息，在相干时间内，不同扩频序列共享同一个导频信号进行信道估计，在MSSS的基础上，提高了信息传输速率。

Description

一种基于索引调制的多序列扩频通信方法及系统

技术领域

本发明属于无线通信中的扩频技术领域，尤其是涉及一种基于分组循环移位索引调制的多序列扩频系统与方法。

背景技术

水声通信是近年来无线通信领域的热点研究方向之一，水声信道在海洋通信领域有得天独厚的优势，在水下定位、导航、测距等方面有广泛的应用。水声通信信道比通常的无线信道更为恶劣，多径衰落和多普勒效应严重、信道快速时变、接收信噪比低等。

传统的水声通信扩频技术采用直接序列扩频(DSSS)方法，直接序列扩频具有通信效果隐蔽、抗多径衰落能力强、能远距离传输等优点，在水声通信领域有广泛的应用。但水声通信下接收端的信噪比较低，因此需要特别的调制技术以提高接收端的信号接收增益。对直接序列扩频方法，提高处理增益需要提高扩频因子，但增大扩频因子则意味着相干带宽的减小，这要求信道参数变化缓慢，因此DSSS在信道状态快速时变的环境下表现不佳。同时，DSSS技术在抗多普勒频移效应方面并不显著。基于DSSS技术的缺陷，业界提出了许多改进方案。

多序列扩频系统(multiple sequences spread spectrum，MSSS)是一种在复杂信道环境下具有高可靠性的水声通信方法。MSSS系统的发送端对不同调制符号采用多个循环移位的扩频序列进行扩频并与导频序列叠加传输，在接收端利用扩频序列的自相关特性区分不同叠加序列，并利用导频信号对信道状态进行估计，由于导频序列和信息序列经过的信道处于同一相干时间内，因此MSSS系统对时变信道的状态参数有良好的估计效果，能适应复杂的快速时变信道。但传统的MSSS系统频谱利用率较低，通信速率仍有提升空间。

发明内容

本发明对当前多序列扩频通信系统的通信速率较低的问题，提出了一种提高了通信速率，并保证系统性能的分组循环移位索引调制的多序列扩频通信方法和系统。

为解决上述技术问题，本发明的一种基于索引调制的多序列扩频通信方法，包括如下步骤：

通信发送：对待发送的原始信号进行分组，依序对每一组进行索引调制，且每一组的索引偏移量由组内的索引比特确定，其中，组内信息序列用于星座调制，组内的信息经索引调制并与导频信号叠加后进行发射；

通信接收：利用导频信号对接收到的信号进行信道估计，根据估计得到的信道参数对接收信号进行校正，随后对信号进行解扩，利用索引估计算法估计索引比特序列，继而恢复出比特序列。

通信发送中发送端的具体工作流程为：首先将原始信号分为k组长度相同的序列，再将每一组依次划分出索引比特b_IM和信息比特b两个部分，即划分成k组包含调制比特和索引比特的序列。第i组的索引比特长度为Mp×J，信息比特长度为Mc×J。其中Mc为每调制符号承载的比特数，k为分组数，L为最大可分离多径数，由最大时延拓展决定，J为叠加的激活循环移位扩频序列个数，

发射机对每个分组内，从第1个叠加序列到第J个叠加序列依次做索引调制，而导频信号采用未经移位的原始扩频序列进行扩频。

索引比特处理：每个分组内第j个叠加序列采用的扩频序列的索引偏移量由两部分决定。即基础偏移量和相对偏移量。将原始扩频序列c循环移位j·(L+1)后作为基础偏移量。同时发射机将索引比特送入二进制-十进制转换模块转换为十进制数I_i，j作为第j个叠加序列的相对偏移量，即第i组第j个叠加序列所采用的扩频序列是相对原始扩频序列循环移位j·(L+1)+I_i，j的叠加序列，即

此处

为循环移位矩阵。

信息比特处理：每个分组内，将信息比特序列再划分为Mc组。对其进行星座调制后得到符号序列s(i，1)…s(i，J)，随后将第i组第j个叠加序列的星座符号与对应的扩频序列进行相乘，得到

随后插入导频信号。发射机再将同一组内的叠加序列进行叠加，不同组叠加后的序列按照先后次序进行发送。

通信接收中接收机收到的信号记作r(t)，r(t)是L个多径衰落信号和噪声信号的叠加。接收端首先将信号分为k组，对每组信号依次进行模/数转换并去除循环前缀CP，处理后的第i组信号记作r(i)。根据插入的导频信号得到的信道估计参数对接收信号进行信道校正。同时将原始扩频序列c进行移位后与r(i)进行相关计算，取最大相关值所在的索引位置为估计的索引位，得到k组的索引估计

通过估计得到的索引值确定使用的解扩序列，得到第i组的星座解调的符号

对其进行星座解调恢复出估计的调制信息比特序列

随后，将索引值输入至十进制/二进制转换，恢复出索引比特序列

将两者合并即可得到完整的接收序列。

一种基于索引调制的多序列扩频通信系统，其包括：通信发送系统和通信接收系统，

所述通信发送系统包括：

二进制/十进制转换模块，用于将二进制的索引比特序列转换为十进制的索引偏移量；

移位模块，用于配合索引比特序列并将原始扩频序列c进行循环移位；

串并转换模块，用于将串行的信息比特序列转换为并行数据；

星座映射模块，用于对信息比特序列进行星座映射并结合索引比特和循环移位后的扩频序列进行扩频；

添加CP模块，用于为叠加序列添加循环前缀；

数模转换模块，用于将数字信号转换为模拟信号后发送。

所述通信接收系统包括：

模数转换模块，用于将接收到的模拟信号转换为数字信号；

去CP模块，用于去除接收信号的循环前缀；

FFT模块、IFFT模块，用于对接收信号和扩频序列做相关计算；

信道估计模块，用于根据导频信号对信道状态做参数估计；

分组采样模块，用于对IFFT模块输出的相关值序列D进行分组采样；

星座解调映射模块，用于对信息比特星座调制后的符号做星座解调，恢复出信息比特序列；

十进制/二进制转换模块，用于将索引偏移量映射为索引比特序列；

接收机，用于将索引比特序列和信息比特序列合并恢复出发射序列

本发明提出了一种基于分组循环移位索引调制的多序列扩频方法及系统(MSSS-B-IM)，在发送端对信息序列分组后，结合索引调制的方法进行扩频，索引调制采用的扩频序列通过自然数映射的方法确定。导频信号采用未经移位的原始扩频序列c进行扩频，每个分组均有导频信号。发射机将同一组的信号进行叠加，不同组信号依先后次序发送。在接收端根据导频信号估算信道参数，利用估计的信道状态信息对接收信号进行解扩，得到k组扩频序列的索引和星座符号，进而恢复出原始信息。本发明表现出了良好的抗多径衰落性能，且相较于传统的多序列叠加扩频方案提高了信息传输速率。计算机仿真结果表明，本方案在多径瑞利衰落信道下提高了信息传输速率，有良好的误码性能。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：

图1为本发明通信发送步骤示意框图；

图2为本发明通信接收步骤示意框图；

图3为本发明的信道状态参数估计框图；

图4为本发明实施例中MSSS-B-IM系统与MSSS系统的性能对比图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种基于索引调制的多序列扩频通信方法，如图1所示，通信发送步骤具体包括：分组操作：将原始信号分为k组，再将每一组依次划分出用于确定索引位的索引比特b_IM和用于星座调制的信息比特b；

对第i组信号的信息比特序列进行处理：信息比特序列经过串并变换模块和星座调制模块得到个J星座符号s(i，1)…s(i，J)，其中J为叠加的激活循环移位扩频序列个数，且

其中Δ为选用的扩频序列与原始扩频序列的循环移位间隔，导频信号采用原始扩频序列c进行扩频得到信号d(n)；

对第i组信号的索引比特序列进行处理：索引比特序列b_IM经过二进制/十进制转换模块转化为十进制数I₁，…I_J，将I₁，…I_J与原始扩频序列c输入移位模块产生信息比特的扩频序列，对第j个叠加序列采用的扩频序列的移位量为Δ+(J-1)(L-1)+I_j；

确定第j个叠加序列采用的扩频码后，将J个星座符号进行扩频，将J个扩频信号与扩频后的导频信号d(n)在时域上叠加，添加循环前缀CP，得出第i组的发送信号x(i，t)。其中发送端将待发送的原始信息序列划分成k组，具体划分组数是先已约定。在每一组内划分出具体的用于确定索引位的索引比特b_IM和用于星座调制的信息比特b。对于第i组，发射机工作流程如下。信息比特序列b经过串并变换模块和星座调制模块得到J个星座符号s(i，1)…s(i，J)，其中J为叠加的激活循环移位扩频序列个数，

Δ为选用的扩频序列与原始扩频序列的循环移位间隔。导频信号采用原始扩频序列c进行扩频得到信号d(n)。索引比特序列b_IM经过二进制/十进制转换模块转化为十进制数I₁，…I_J，将I₁，…I_J与原始扩频序列c输入移位模块产生信息比特的扩频序列，对第j个叠加序列采用的扩频序列的移位量为Δ+(j-1)(L-1)+I_j。发射机确定第j个叠加序列采用的扩频码后，将J个星座符号进行扩频，将J个扩频信号与扩频后的导频信号d(n)在时域上叠加，添加循环前缀后，得到第i组的发送信号x(i，t)。

如图2所示，通信接收步骤具体包括：将接收信号r(t)输入模数转换模块做模拟/数字信号转换后，去循环前缀CP，第i组信号记作r(i)。以r(i)为例，接收机根据原始扩频序列c和导频信号对信道的状态信息进行估计，得到估计的状态参数

接收机对第i组的接收信号、估计的信道参数、原始扩频序列c输入FFT接收机利用IFFT算法进行相关计算得到相关值序列D。根据叠加传输块数J对相关值序列D进行分组采样，每组的采样区间长度2^Mp，得到J个向量：D₁，…，D_J。接收机再根据D₁，…，D_J的模选出每个向量中的最大值所在的位置作为索引估计，得到索引估计值

接收机将索引估计值输入至十进制/二进制转换模块解索引映射，得到J个的索引比特估计序列

同时，在确定索引估计值

后，接收机对信息比特序列进行解扩，得到J个星座解调点位

最后，将索引比特序列和信息比特序列合并，恢复出发射序列

该系统的具体工作流程如下：

将发射的数据块依照分组数分成k组，在每一组内划分出信息比特序列和索引比特序列，因此对第i组发送的信号可以表示为

其中，符号s(i，j)表示第i个数据块的第j个叠加符号，通过信息比特序列经星座调制映射得到，s(i，0)表示导频序列，c表示长度为M的原始扩频序列，L表示信道的最大可分离多径数，Δ表示当第j个叠加序列采用的扩频序列相对于原始扩频序列的循环移位间隔，I_j表示第j个叠加序列的索引偏移量，由索引比特确定，T表示循环移位矩阵，其表达式为：

式中的I_M×1表示M-1阶单位矩阵，通过原始扩频序列c左乘循环移位矩阵

获得将c向循环移位Δ+(j-1)(L+1)+I_j后的序列。该系统的最大可叠加序列数J由信道的最大可分离多径数L和相对循环移位间隔Δ决定，定义

为向下取整符号，J的表达式为：

本发明提出的基于分组循环移位移位索引调制的多序列扩频方案发射机发送的叠加序列中，仅有导频采用的扩频序列的循环移位偏移量是固定不变的，其余叠加块采用的扩频序列相对于各自分组都进行了循环移位。循环移位的偏移量由各自的索引比特随机确定。

由于水声信道中严重的多径干扰，接收端收到的信号包含相邻数据块间干扰(IBI)，接收端在一个相干带宽长度内的接收信号可表示为：

r(i)＝H(i)x(i)+H_IBI(i)x(i-1)+z(i) (4)

其中，H表示信道状态参数矩阵，H_IBI表示块间干扰参数，H和H_IBI的大小均为M×M。H和H_IBI的表达式由下式给出

[H(i)]_m，n＝h(i；m-n) (5)

[H_IBI(i)]_m，n＝h(i；M+m-n)z(i)～ON(0，σ²I) (6)

其中m，n＝1，…，M。z(i)表示加性高斯白噪声，通常认为z(i)是相互独立的且功率谱密度服从于高斯分布，即z(i)～CN(0，σ²I)。

本发明采用插入循环前缀的方法消除IBI的影响，其输入输出关系可表示为：

其中，

表示使用在接收端去除循环前缀后的等效信道，

的首列可表示为[h(i；0)，…，h(i；L)，0_1×(m-L-1)]^T，

可表示为

将式(1)和式(8)代入式(7)中，得到接收信号的表达式为：

接收端采用相关接收。由于导频信号采用扩频序列为未经循环移位的原始扩频序列发送已知信息，因此采用匹配接收的方法通过导频信号对信道状态参数进行估计。接收导频信号采用的匹配滤波器表达式为[Tc]^T，对第i个分组，匹配滤波器的输出为

利用扩频序列的自相关特性，

分离出导频信号，因此信道状态参数估计的表达式可表示为：

为简化硬件结构，本发明采用了FFT和IFFT模块进行相关接收。在通过导频得到信道状态参数估计后，基于FFT计算相关值。

接收机根据式(10)在每组内分别进行FFT相关接收，对相关统计量D以采样区间长度2^Mp进行采样，记D_j表示第j个叠加序列的相关统计量，即

D_j＝D[Δ+(j-1)(L+1)：(j-1)(L+1)+Mp-1] (13)

利用扩频序列的自相关特性，仅在扩频序列和解扩序列采用相同序列时，相关统计量最大，因此用

表示分组D_j中模最大索引位置，即

确定索引偏移量后，将对应的相关接收值进行星座解调即可恢复出信息比特序列，即

如图3所示，该系统最大可分离信道数L，因此有L个移位寄存器和L+1个乘法器，接收机根据比对接收到的导频信号和已知的发送端导频信号，得到信道状态参数的估计量。

如图4所示，仿真使用扩频序列为M＝127长度的m序列，信道采用频率选择性衰落信道，最大多普勒频偏f_d＝10^-4，信道最大可分离多径数L＝20，MSSS系统和MSSS-B-IM系统的通信速率(每扩频符号承载的比特数)分别为10和30。仿真结果显示，相较于传统的MSSS系统，MSSS-B-IM系统在保证误码率的前提下，有更高的通信速率。

以上所述为本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种基于索引调制的多序列扩频通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

通信发送：对待发送的原始信号进行分组，依序对每一组进行索引调制，且每一组的索引偏移量由组内的索引比特确定，其中，组内信息序列用于星座调制，组内的信息经索引调制并与导频信号叠加后进行发射；

通信接收：利用导频信号对接收到的信号进行信道估计，根据估计得到的信道参数对接收信号进行校正，随后对信号进行解扩，利用索引估计算法估计索引比特序列，继而恢复出比特序列。

2.根据权利要求1所述的一种基于索引调制的多序列扩频通信方法，其特征在于：所述通信发送步骤具体包括如下子步骤：

分组操作：将原始信号分为k组，再将每一组依次划分出用于确定索引位的索引比特b_IM和用于星座调制的信息比特b；

对第i组信号的信息比特序列进行处理：信息比特序列b经过串并变换模块和星座调制模块得到J个星座符号s(i，1)…s(i，J)，其中J为叠加的激活循环移位扩频序列个数，且

其中Δ为选用的扩频序列与原始扩频序列的循环移位间隔，导频信号采用原始扩频序列c进行扩频得到信号d(n)；

对第i组信号的索引比特序列进行处理：索引比特序列b_IM经过二进制/十进制转换模块转化为十进制数I₁，…I_J，将I₁，…I_J与原始扩频序列c输入移位模块产生信息比特的扩频序列，对第j个叠加序列采用的扩频序列的移位量为Δ+(j-1)(L-1)+I_j；

确定所有叠加序列采用的扩频码后，将J个星座符号进行扩频，将J个扩频信号与扩频后的导频信号d(n)在时域上叠加，添加循环前缀CP，得出第i组的发送信号x(i，t)。

3.根据权利要求1所述的一种基于索引调制的多序列扩频通信方法，其特征在于：所述通信接收步骤具体包括如下子步骤：

将接收信号r(t)输入模数转换模块做模拟/数字信号转换后，去循环前缀CP，将第i组信号记作r(i)；

根据原始扩频序列c和导频信号对信道的状态信息进行估计，得到估计的状态参数

对第i组的接收信号、估计的信道参数、原始扩频序列c输入FFT接收机利用IFFT算法进行计算，得到相关值序列D；

根据叠加传输块数J对相关值序列D进行分组采样，每组的采样区间长度2^Mp，得到J个向量：D₁，…，D_J；

再根据D₁，…，D_J的模选出每个向量中的最大值所在的位置作为索引估计，得到索引估计值

将索引估计值输入至十进制/二进制转换模块解索引映射，得到J个的索引比特估计序列

在确定索引估计值

后，对信息比特序列进行解扩，得到J个星座解调点位

将索引比特序列和信息比特序列合并，恢复出发射序列

4.根据权利要求2所述的一种基于索引调制的多序列扩频通信方法，其特征在于：所述第i组信号的信息比特序列和索引比特序列处理为同时进行，且第i组信号具体表示为：

其中，符号s(i，j)表示第i个数据块的第j个叠加符号，通过信息比特序列经星座调制映射得到，s(i，0)表示导频信号，c表示长度为M的原始扩频序列，L表示信道的最大可分离多径数，Δ表示当第1个叠加序列采用的扩频序列相对于原始扩频序列的循环移位间隔，I_j表示第j个叠加序列的索引偏移量，由索引比特确定，其中，T表示循环移位矩阵，其表达式为：

式中的I_M×1表示M-1阶单位矩阵，通过原始扩频序列c左乘循环移位矩阵

获得将c向右循环移位Δ+(j-1)(L+1)+I_j后的序列；该系统的最大可叠加序列数J由信道的最大可分离多径数L和相对循环移位间隔Δ决定，定义

为向下取整符号，J的表达式为：

5.根据权利要求2所述的一种基于索引调制的多序列扩频通信方法，其特征在于：所述导频信号采用的扩频序列的循环移位偏移量固定不变。

6.根据权利要求3所述的一种基于索引调制的多序列扩频通信方法，其特征在于：所述第i组信号具体表示为：

r(i)＝H(i)x(i)+H_IBI(i)x(i-1)+z(i) (4)

其中，H表示信道状态参数矩阵，H_IBI表示块间干扰参数，H和H_IBI的大小均为M×M；H和H_IBI的表达式由下式给出：

[H(i)]_m，n＝h(i；m-n) (5)

[H_IBI(i)]_m，n＝h(i；M+m-n)z(i)～CN(0，σ²I) (6)

其中m，n＝1，…，M；z(i)表示加性高斯白噪声，z(i)相互独立的且功率谱密度服从于高斯分布，即z(i)～CN(0，σ²I)。

7.根据权利要求3所述的一种基于索引调制的多序列扩频通信方法，其特征在于：所述将索引比特序列和信息比特序列合并，恢复出发射序列

的步骤具体为：利用添加循环前缀CP步骤的输入输出关系式：

其中，

表示去除循环前缀后的等效信道，

的首列表示为[h(i；0)，…，h(i；L)，0_1×(m-L-l)]^T，其中

具体为：

将式(1)和式(8)代入式(7)中，得到接收信号的表达式为：

采用匹配接收的方法通过导频信号对信道状态参数进行估计，接收导频信号采用的匹配滤波器表达式为[Tc]^T，对第i个分组，匹配滤波器的输出为：

利用扩频序列的自相关特性，

分离出导频信号，信道状态参数估计的表达式为：

采用FFT和IFFT模块进行接收，通过导频得到信道状态参数估计后，基于FFT计算相关值：

根据式(10)在每组内分别进行FFT相关接收，对相关统计量D以采样区间长度2^Mp进行采样，记D_j表示第j个叠加序列的相关统计量，即

D_j＝D[Δ+(j-1)(L+1)：(j-1)(L+1)+Mp-1] (13)

使用

表示分组D_J中模最大索引位置，即

确定索引偏移量后，将对应的相关接收值进行星座解调恢复出信息比特序列：

8.一种基于索引调制的多序列扩频通信系统，其特征在于，其包括：通信发送系统和通信接收系统，

所述通信发送系统包括：

二进制/十进制转换模块，用于将二进制的索引比特序列转换为十进制的索引偏移量；

移位模块，用于配合索引比特序列并将原始扩频序列c进行循环移位；

串并转换模块，用于将串行的信息比特序列转换为并行数据；

星座映射模块，用于对信息比特序列进行星座映射并结合索引比特和循环移位后的扩频序列进行扩频；

添加CP模块，用于为叠加序列添加循环前缀；

数模转换模块，用于将数字信号转换为模拟信号后发送。

所述通信接收系统包括：

模数转换模块，用于将接收到的模拟信号转换为数字信号；

去CP模块，用于去除接收信号的循环前缀；

FFT模块、IFFT模块，用于对接收信号和扩频序列做相关计算；

信道估计模块，用于根据导频信号对信道状态做参数估计；

分组采样模块，用于对IFFT模块输出的相关值序列D进行分组采样；

星座解调映射模块，用于对信息比特星座调制后的符号做星座解调，恢复出信息比特序列；

十进制/二进制转换模块，用于将索引偏移量映射为索引比特序列；

接收机，用于将索引比特序列和信息比特序列合并恢复出发射序列

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