CN113965225B - 针对非相干水声fsk跳频通信系统的功率分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对水声换能器发送响应曲线不平整的问题，提出了一种针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法，所述功率分配方法包括以下步骤：首先根据信道容量优化准则对目前可用频点(初始化为N个)进行功率优化分配；若有频点因发送响应较小导致分配的功率为0，则不使用该频点，随机选取一个可用的频点来发送该频点原分配的信息，并将该频点认为不可用频点；在可用的频点上重新进行功率分配，直至目前所有可用频点分配的功率不为0，导出相应的功率分配参数，并应用到对应的跳频通信系统中。本发明较功率均分的情况，可以在相同信噪比下达到更大的信道容量，降低系统的误码率，进一步提高通信系统的性能。

Description

针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法、一种计算机可读存储介质和一种计算机设备。
背景技术
相关技术中，水声通信是水下信息获取、传输,控制水声仪器的重要方式，如图2所示，调制后的信号往往需要经过功放和匹配电路，再通过换能器转换为声信号后才可在水中传输；然而，由于水声换能器的特性，通常只有一个或者几个谐振频率(常见为一个)，并且在谐振频率的电压响应要比周边频率高很多；如图3所示的换能器，在谐振频率(大约16.5kHz左右)的电压响应要比周边频率高很多,比如比13kHz高了7dB；现有很多系统中通常在功放内采用匹配电路使得总的发送频率响应曲线平整，但这其实拉低了谐振频率附近的响应性能，限制了换能器的最佳性能；或者将发送的总功率对所有频点进行等分，但这会造成有些频点由于发送响应曲线的不平整导致接收端信号功率较小，从而无法正确解码，使得信道容量小。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法，通过最优化系统信道容量进行频点功率分配，并对实际分配的功率进行迭代调整，从而达到最大信道容量，降低传输的误码率，进一步提高系统的通信性能。
本发明的第二个目的在于提出一种计算机可读存储介质。
本发明的第三个目的在于提出一种计算机设备。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法，包括以下步骤：
S1，获取非相干水声FSK跳频通信系统中的总频点和发送频率响应；
S2，根据信道容量优化准则对所述总频点进行功率优化分配，以得到所述总频点中每个频点对应的功率值；
S3，根据所述每个频点对应的功率值判断所述每个频点对应的频点类型，其中，所述频点类型包括可用频点和不可用频点；
S4，根据所述每个频点对应的频点类型判断所述总频点中是否存在不可用频点；如果存在不可用频点，则舍弃所述不可用频点，并随机选取一个可用频点发送原先分配给所述不可用频点的信息，以得到所述总频点中的所有可用频点；
将所述总频点中的所有可用频点当成新的总频点以便重复执行步骤S2-S4，直至根据所述每个频点对应的频点类型判断所述总频点中不存在不可用频点，以完成功率分配。
根据本发明实施例的针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法，首先获取非相干水声FSK跳频通信系统中的总频点和发送频率响应；接着根据信道容量优化准则对总频点进行功率优化分配，以得到总频点中每个频点对应的功率值；然后根据每个频点对应的功率值判断每个频点对应的频点类型，其中，频点类型包括可用频点和不可用频点；再接着，根据每个频点对应的频点类型判断总频点中是否存在不可用频点；如果存在不可用频点，则舍弃不可用频点，并随机选取一个可用频点发送原先分配给不可用频点的信息，以得到总频点中的所有可用频点；最后将总频点中的所有可用频点当成新的总频点以便重复执行步骤S2-S4，直至根据每个频点对应的频点类型判断总频点中不存在不可用频点，以完成功率分配；由此，通过最优化系统信道容量进行频点功率分配，并对实际分配的功率进行迭代调整，从而达到最大信道容量，降低传输的误码率，进一步提高系统的通信性能。
另外，根据本发明上述实施例提出的针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法还可以具有如下附加的技术特征：
可选地，根据所述每个频点对应的功率值判断所述每个频点对应的频点类型，包括：如果某个频点对应的功率值为0则判断所述某个频点的频点类型为不可用频点，否则判断所述某个频点的频点类型为可用频点。
可选地，所述信道容量优化准则通过以下公式表示：
Figure GDA0003706036810000021
Figure GDA0003706036810000022
其中，p*[i]表示当前频点i的功率值；A[i]表示当前频点i的发送频率响应；v为功率分配阈值；N为总频点；PT表示当前可分配的总功率；N0为噪声单边功率谱密度。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配程序，该针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配程序被处理器执行时实现如上述的针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法。
根据本发明实施例的计算机可读存储介质，通过存储针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配程序，以便处理器在执行该针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配程序时实现如上述的针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法，从而达到最大信道容量，降低传输的误码率，进一步提高系统的通信性能。
为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上述的针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法。
根据本发明实施例的计算机设备，通过存储器存储可在处理器上运行的计算机程序，以便处理器在执行该计算机程序时，实现如上述的针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法，从而达到最大信道容量，降低传输的误码率，进一步提高系统的通信性能。
附图说明
图1为根据本发明实施例的针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法的流程示意图；
图2为根据实际硬件水声通信系统框图；
图3为一典型换能器发送频率响应曲线；
图4为根据本发明一个实施例的JANUS通信系统框图；
图5为根据本发明一个实施例的功率优化分配与功率均分二者信道容量对比结果图；
图6为根据本发明一个实施例的功率优化分配与功率均分二者误码率对比结果图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
图1为根据本发明实施例的针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法的流程示意图；如图1所示，本发明实施例的针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法包括以下步骤：
S1，获取非相干水声FSK跳频通信系统中的总频点和发送频率响应。
作为一个实施例，采用北约的JANUS跳频通信协议系统进行验证，JAUNS通信系统采用非相干的FH-BFSK(跳频二进制频移键控)调制方案，共有26个频点，可分为13对，也即N＝26。
S2，根据信道容量优化准则对总频点进行功率优化分配，以得到总频点中每个频点对应的功率值。
需要说明的是，信道容量优化准则是基于最大化非相干FSK(即接收端未知信道状态信息，不需要获取相位信息和信道幅值)的信道容量为目标函数求得，因此使用以上优化方法在相同的信噪比下，能够较功率均分情况获得更大的信道容量、更低的误码率，进一步提高了系统性能；或者在达到相同信道容量的情况下，本优化方法可以消耗更少的发送功率，提高了功率利用效率。
作为一个实施例，在仿真中采用高斯白噪声信道，其单边功率谱密度N0为1，此时优化公式表示为：
Figure GDA0003706036810000041
Figure GDA0003706036810000042
其中，p*[i]表示当前频点i的功率值；PT表示当前可分配的总功率；A[i]表示频点i的发送频率响应；v为功率分配阈值，N为总频点数；如果当前的
Figure GDA0003706036810000043
则当前频点分配的功率为0。
需要说明的是，PT可预先设定，A[i]和N由JAUNS协议和实际水声通信硬件系统决定，v通过KKT最优性条件推导得到。
S3，根据每个频点对应的功率值判断每个频点对应的频点类型，其中，频点类型包括可用频点和不可用频点。
作为一个实施例，如果某个频点对应的功率值为0则判断某个频点的频点类型为不可用频点，否则判断某个频点的频点类型为可用频点。
也就是说，如果
Figure GDA0003706036810000044
则当前频点i分配的功率为0，当前频点i为不可用频点类型；如果
Figure GDA0003706036810000051
则当前频点i分配的功率为
Figure GDA0003706036810000052
当前频点i为可用频点类型。
S4，根据每个频点对应的频点类型判断总频点中是否存在不可用频点；如果存在不可用频点，则舍弃不可用频点，并随机选取一个可用频点发送原先分配给不可用频点的信息，以得到总频点中的所有可用频点。
将总频点中的所有可用频点当成新的总频点以便重复执行步骤S2-S4，直至根据每个频点对应的频点类型判断总频点中不存在不可用频点，以完成功率分配。
作为一个实施例，如上所述，JAUNS通信系统的初始化总频点N＝26，经过频点类型判断后，假设26个频点中有存在3个不可用频点，则舍弃3个不可用频点，并从剩下的23个可用频点中随机抽取对应的3个频点以分别发送原先分配给3个不可用频点的信息，也就是说得到的总频点中的所有可用频点为23；然后将N＝23当成新的总频点以便重复执行上述步骤，直到总频点中不存在不可用频点后结束，从而完成功率优化分配；也就是说，如果N＝23中存在不可用频点则继续迭代循环，如果N＝23中不存在不可用频点则结束迭代循环。
作为一个实施例，导出每个频点应分配的功率，完成功率优化分配，并将该参数用于当前跳频通信系统中进行信号传输。
需要说明的是，上述方法基于发送电压响应不平整的情况下进行目标函数为信道容量优化的功率分配，解决了水声换能器发送响应曲线不平整对系统性能带来的影响；并且剔除了某些发送响应较小的频点，随机选择其他可用频点代替，从而在提升系统性能的同时尽量保证跳频图案的正交性。
也就是说，上述方法基于信道容量最优化准则，根据发送频率响应的不平整曲线对不同频点分配不同大小的功率；并通过迭代判断是否有频点因衰减过大导致分配的功率为0，并规避掉因衰减过大导致分配的功率为0的频点，确保所有的信息能够有效传输；该方法在非相干水声FSK跳频通信系统中能够较功率均分情况获得更大的信道容量、更低的误码率，提高了通信系统的性能；本发明具有较低的运算复杂度，同时也能获得较好的优化性能，可用于实际非相干水声FSK跳频通信系统中进行功率分配。
具体的，本实施将该优化功率分配算法应用到完整的JANUS通信系统中，如图5所示，包括信道编码、交织、跳频及FSK调制、匹配滤波等过程。在生成跳频结构以后，使用该优化方法求出每个频点分配的功率，并在跳频调制过程中完成功率分配，在接收端不需要进行额外的操作。因此本算法具有较低的运算复杂度，并且能够给系统性能带来提升。
综上所述，本发明基于最大化系统的信道容量，可推导出最优的功率分配计算方式，并且能够根据当前分配情况进行迭代调整，确保所有信息能够完成传输。并且通过利用本方法产生最优的功率分配参数以后，可以直接在跳频调制的过程中完成功率优化分配。本发明实施简单且能获得较好的优化效果。由图5信道容量仿真结果可知，在相同的信噪比下，使用本发明优化后的信道容量明显大于功率均分的情况，能稳健获得大约2dB左右的增益；同时，由图6误码率仿真结果可知，优化后的误码率明显低于功率均分的情况。因此，无论是从信道容量的角度还是误码率的角度去衡量，本发明所提出的功率优化分配方法均可以较功率均分的情况获得更好的性能。
另外，本发明实施例还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配程序，该针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配程序被处理器执行时实现如上述的针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法。
根据本发明实施例的计算机可读存储介质，通过存储针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配程序，以便处理器在执行该针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配程序时实现如上述的针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法，从而达到最大信道容量，降低传输的误码率，进一步提高系统的通信性能。
另外，本发明实施例提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上述的针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法。
根据本发明实施例的计算机设备，通过存储器存储可在处理器上运行的计算机程序，以便处理器在执行该计算机程序时，实现如上述的针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法，从而达到最大信道容量，降低传输的误码率，进一步提高系统的通信性能。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，获取非相干水声FSK跳频通信系统中的总频点和发送频率响应；
S2，根据信道容量优化准则对所述总频点进行功率优化分配，以得到所述总频点中每个频点对应的功率值；
S3，根据所述每个频点对应的功率值判断所述每个频点对应的频点类型，其中，所述频点类型包括可用频点和不可用频点；
S4，根据所述每个频点对应的频点类型判断所述总频点中是否存在不可用频点；如果存在不可用频点，则舍弃所述不可用频点，并随机选取一个可用频点发送原先分配给所述不可用频点的信息，以得到所述总频点中的所有可用频点；
将所述总频点中的所有可用频点当成新的总频点以便重复执行步骤S2-S4，直至根据所述每个频点对应的频点类型判断所述总频点中不存在不可用频点，以完成功率分配；
其中，根据所述每个频点对应的功率值判断所述每个频点对应的频点类型，包括：如果某个频点对应的功率值为0则判断所述某个频点的频点类型为不可用频点，否则判断所述某个频点的频点类型为可用频点；
其中，所述信道容量优化准则通过以下公式表示：
Figure FDA0003706036800000011
Figure FDA0003706036800000012
其中，p*[]表示当前频点的功率值；A[i]表示当前频点的发送频率响应；v为功率分配阈值；N为总频点；PT表示当前可分配的总功率；N0为噪声单边功率谱密度。
2.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配程序，该针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配程序被处理器执行时实现如权利要求1所述的针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法。
3.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时，实现如权利要求1所述的针对非相干水声FSK跳频通信系统的功率分配方法。
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