CN114978839A - 一种水声通信中非一致性多普勒估计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种水声通信中非一致性多普勒估计方法及系统，包括：对多普勒因子进行粗估计获得多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)，在多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)内按照预先设定的频率搜索间隔Δε_f对接收的OFDM信号进行划分，获得多个预设的多普勒频偏；对多个预设的多普勒频偏进行重采样获得多个搜索信号，并且对多个搜索信号进行解调；计算多个搜索信号解调获得的多个预设的普勒频偏对应的误比特率，获取误比特率的最小值，最终获得多普勒频偏估计值。采用多普勒初步估计减小搜索范围后进行误比特率搜索的估计方法，极大地减小了搜索复杂度；通过定义误比特率最优多普勒将非一致多普勒估计问题转化为误比特率搜索问题，避免了对多径进行不同径、不同多普勒值复杂空间搜索。

Description

一种水声通信中非一致性多普勒估计方法及系统

技术领域

本发明属于水下通信的技术领域，具体涉及一种水声通信中非一致性多普勒估计方法及系统。

背景技术

与无线通信相比，具有恶劣传输特性的水声信道对高性能水声通信造成极大挑战。除了多径、噪声，水声通信系统性能受到多普勒效应的严重限制，主要因为两方面客观存在的原因：一是声波传播速度低，相比于电磁波传播速度要低5个数量级，导致水声通信中多普勒相对于载波而言其影响远大于无线通信；二是水声通信可用频带窄，相对于水声通信频带，水声信号属于宽带信号，如作为典型的高速水声通信制式，采用多载波调制方式的OFDM水声通信一个制约实际应用的缺点就是对多普勒的敏感性高。多普勒效应的影响不仅会引起OFDM水声通信信号中子载波频率偏移，还会引起信号展宽/压缩，导致每个子载波输出幅度减小，并且破坏子载波间的正交性，造成子载波间干扰。

因此，多普勒估计与补偿是水声通信技术研究的重要方向，国内外研究者针对开展了大量的研究和探索。论文A computationally efficient Doppler compensationsystem for unerwater acoustic communications提出了块多普勒估计方法、论文Adaptive design of OFDM radar signal with improved wideband ambiguityfunction提出模糊度函数多普勒估计方法、论文Fine Doppler scale estimations foran underwater acoustic CP-OFDM system提出互相关多普勒估计等多普勒估计方法，这些方法主要针对多径信道各径的多普勒频偏相等或者近似相等时，在这种较为理想的情况下可取得较好的多普勒估计效果。

无线电通信系统可认为是一种窄带系统，在无线电领域中OFDM系统中各个子载波出现的多普勒频偏是一致的，可以等价于载波频率发生的多普勒频偏的情况不同，作为宽带系统的水声通信系统，OFDM中各个子载波受到多普勒频偏的影响并不一致，如风浪条件下动态海面反射径和海底反射径呈现不同的多普勒，当信道中存在的多普勒频偏不一致时，即存在非一致多普勒的情况下，上述针对一致性多普勒前提提出多普勒估计方法的效果往往要大打折扣。

考虑到非一致性多普勒更加符合实际水声信道情况，目前针对非一致性多普勒频偏的估计是一个研究热点。

如论文《移动水声通信多径传输非一致多普勒估计方法研究》将稀疏表示理论运用于水声信道非一致性多普勒估计，通过构造超完备字典，结合超完备字典、接收信号向量以及稀疏度(即可能存在的多径数目)对非一致性多普勒进行稀疏重构。但该算法较为繁琐，计算过程涉及矩阵运算，复杂度高，不利于系统硬件实现。

因此亟需提供一种能够避免对多径进行不同径、不同多普勒值复杂空间搜索、能够降低多普勒搜索的运算复杂度的多普勒估计方法及系统。

发明内容

为了解决现有技术中多普勒搜索运算复杂等问题，本申请提供一种水声通信中非一致性多普勒估计方法及系统，以解决上述技术缺陷问题。

根据本发明的一个方面提出了一种水声通信中非一致性多普勒估计方法，包括以下步骤：

S1、发射端发送携带有已知数据的OFDM信号，接收端对多普勒因子进行粗估计获得多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)，并且在多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)内按照预先设定的频率搜索间隔Δε_f对接收的OFDM信号进行划分，获得多个预设的多普勒频偏；

S2、对多个预设的多普勒频偏进行重采样获得多个搜索信号，并且对多个搜索信号进行解调；

S3、计算多个搜索信号解调获得的多个预设的普勒频偏对应的误比特率，获取误比特率的最小值，最终获得多普勒频偏估计值。

该方法采用多普勒初步估计减小搜索范围后进行误比特率搜索的估计方法，可以极大地减小搜索复杂度；并且通过定义误比特率最优多普勒将非一致多普勒估计问题转化为误比特率搜索问题，避免了对多径进行不同径、不同多普勒值复杂空间搜索。

在具体的实施例中，在步骤S3中多普勒频偏估计值的表达式为：

式中，Ber(ε)表示多普勒频偏为ε时进行多普勒频偏重采样补偿后获得的误比特率，(ε₁,ε₂)表示多普勒频偏搜索范围。

从上述表示式可看出，通过考虑OFDM通信系统传输信息的目的，以误比特率最优提出的搜索方法，无需考虑存在非一致性多普勒情况下每个径对应的不同多普勒，从而避免了在不同径、不同多普勒复杂搜索空间进行非一致性多普勒搜索带来的运算复杂度和不确定性。

在具体的实施例中，在步骤S3中，多个预设的普勒频偏对应的误比特率表达式为：

式中，ε表示预设的多普勒频偏；N_b表示OFDM符号搭载的比特数，取N_b＝2L，其中L为OFDM符号中的子载波数；J_dec表示判决函数，F表示L×L离散傅里叶变换矩阵，E表示子载波的多普勒向量，x_f表示频域上发射的OFDM符号，y_t表示时域上接收的OFDM符号。

通过上述表达式可以将信号级的多普勒搜索匹配问题转化为比特级的Ber搜索问题。

在具体的实施例中，误比特率的表达式中的L×L离散傅里叶变换矩阵F具体表达式为：

式中，L表示OFDM符号中的子载波数，j表示虚数单位。

在具体的实施例中，误比特率表达式中的子载波的多普勒向量E的表达式为：

式中，B表示OFDM调制带宽，B＝LΔf，Δf表示相邻子载波间频率间隔，L表示OFDM符号中的子载波数。

其中，Δf与OFDM符号周期T_s成倒数关系。

在具体的实施例中，误比特率表达式中的判决函数J_dec的具体表达式为：

式中，R_f表示接收信号帧中的OFDM符号，real[...]表示复数的实部，imag[...]表示复数的虚部。

在具体的实施例中，在步骤S1中，采用频率估计法或者时域估计法对多普勒因子进行粗估计，获得多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)。

根据本发明的另一方面，提出了一种水声通信中非一致性多普勒估计系统，该系统包括：

预设多普勒偏频获取模块，用于发射端发送携带有已知数据的OFDM信号，接收端对多普勒因子进行粗估计获得多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)，并且在多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)内按照预先设定的频率搜索间隔Δε_f将接收的OFDM信号进行划分，获得多个预设的多普勒频偏；

解调模块，用于对多个预设的多普勒频偏进行重采样获得多个搜索信号，并且对多个搜索信号进行解调；

多普勒频偏估计值获取模块，用于计算多个搜索信号解调获得的多个预设的普勒频偏对应的误比特率，获取误比特率的最小值，最终获得多普勒频偏估计值。

根据本发明的第三方面，提出了一种计算机可读存储介质，介质中存储有计算机程序，在计算机程序被处理器执行时，实施如上述中任一项的方法。

与现有技术相比，本发明的有益成果在于：

本发明的一种水声通信中非一致性多普勒估计方法及系统不需要考虑实际信道中是否存在非一致性多普勒，也无需对多个不同径逐个进行多普勒估计，大大减小了算法实现的复杂度，采用以通信系统误比特率为代价函数，通过设定频率搜索间隔进行搜索方式进行频偏估计，结合初步估计、误比特率估计设计可兼顾搜索范围、搜索精度，从而具有实现算法简单，系统实现方便的特点。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本发明的一个实施例的水声通信中非一致性多普勒估计方法的流程图；

图2是根据本发明的一个具体实施例的非一致性多普勒估计方法实现结构图；

图3是根据本发明的OFDM发射信号帧结构示意图；

图4是根据本发明的一个具体的实施例的水声通信中非一致性多普勒估计系统的框架图；

图5是根据本发明的一个具体的实施例的仿真水声信道本征声线分布图；

图6是根据本发明的一个具体的实施例的OFDM发射信号帧结构示意图；

图7(a)是存在2个多普勒频偏时三种多普勒估计法原始误码率对比图；

图7(b)是存在3个多普勒频偏时三种多普勒估计法原始误码率对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

通信系统的目的是进行信息传输，而误比特率是衡量通信系统信息传输质量的一个重要指标，本发明从通信系统实现的角度定义误比特率最优多普勒为：在根据估计得到多普勒进行补偿后解调取得最优误比特率的多普勒频偏估计值，并据此提出一种非一致性多普勒估计方法。

图1示出了本发明的一个实施例的水声通信中非一致性多普勒估计方法的流程图，图2示出了本发明的一个具体实施例的非一致性多普勒估计方法实现结构图，结合参考图1和图2，该多普勒估计方法包括：

S1、发射端发送携带有已知数据的OFDM信号，接收端对多普勒因子进行粗估计获得多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)，并且在多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)内按照预先设定的频率搜索间隔Δε_f对接收的OFDM信号进行划分，获得多个预设的多普勒频偏；

在具体的实施例中，可以采用频率估计法或者时域估计法对多普勒因子进行粗估计，获得多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)。

S2、对多个预设的多普勒频偏进行重采样获得多个搜索信号，并且对多个搜索信号进行解调；

在具体的实施例中，对多个搜索信号进行解调可以直接利用本领域已知的基本OFDM信号解调方法进行处理。

S3、计算多个搜索信号解调获得的多个预设的普勒频偏对应的误比特率，获取误比特率的最小值，最终获得多普勒频偏估计值。

在步骤S3中，多普勒频偏估计值如表达式(1)所示：

式中，(ε₁,ε₂)表示多普勒频偏搜索范围，Ber(ε)表示多普勒频偏为ε时进行多普勒频偏重采样补偿后获得的误比特率。

不失一般性，考虑本领域已知的基本OFDM调制解调，假设x_f为频域上发射的OFDM符号，y_t为时域上接收的OFDM符号，则对应于预设多普勒频偏的OFDM误比特率代价函数围如表达式(2)所示：

式中，ε表示预设的多普勒频偏；N_b表示OFDM符号搭载的比特数，为表述方便本申请中OFDM采用QPSK调制，则取N_b＝2L，其中L为OFDM符号中的子载波数；J_dec表示判决函数，F表示L×L离散傅里叶变换矩阵，E表示子载波的多普勒向量。

通过表达式(2)可以将信号级的多普勒搜索匹配问题转化为比特级的Ber搜索问题。

具体的，表达式(2)中的L×L离散傅里叶变换矩阵F如式(3)所示：

式中，L表示OFDM符号中的子载波数，j表示虚数单位。

表达式(2)中的E定义为L个子载波的多普勒向量，具体如表达式(4)所示：

式中，B表示OFDM调制带宽，如表达式(5)所示：

B＝LΔf(5)

式中，Δf表示相邻子载波间频率间隔，L表示OFDM符号中的子载波数，Δf与OFDM符号周期T_s成倒数关系。

表达式(2)中的J_dec定义为判决函数，具体如表达式(6)所示：

式中，R_f表示接收信号帧中的OFDM符号，real[...]表示复数的实部，imag[...]表示复数的虚部。

从上述表示式可看出，通过考虑OFDM通信系统传输信息的目的，以误比特率最优提出的搜索方法，无需考虑存在非一致性多普勒情况下每个径对应的不同多普勒，从而避免了在不同径、不同多普勒复杂搜索空间进行非一致性多普勒搜索带来的运算复杂度和不确定性。

在具体的实施例中，水声通信发射机发送一个携带已知数据的数据帧作为检测信号，接收端按照不同频偏对训练帧进行一定范围内的多普勒搜索、并进行对应补偿，以该数据帧解调所获得的误比特率作为搜索指标，误比特率最低时对应的多普勒频偏值即为本发明所提方法获得的多普勒频偏估计值。其中，对应的发射信号格式如图3所示。检测信号携带收发双方均已知的比特数据，用于进行误比特率最优意义上的多普勒搜索。

根据本发明的另一方面，提出了一种水声通信中非一致性多普勒估计系统，图4示出了本发明实施例的非一致性多普勒估计系统的系统框架图，如图4所示，该系统包括：

预设多普勒偏频获取模块1，用于发射端发送携带有已知数据的OFDM信号，接收端对多普勒因子进行粗估计获得多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)，并且在多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)内按照预先设定的频率搜索间隔Δε_f将接收的OFDM信号进行划分，获得多个预设的多普勒频偏；

解调模块2，用于对多个预设的多普勒频偏进行重采样获得多个搜索信号，并且对多个搜索信号进行解调；

多普勒频偏估计值获取模块3，用于计算多个搜索信号解调获得的多个预设的普勒频偏对应的误比特率，获取误比特率的最小值，最终获得多普勒频偏估计值。

本发明提出的一种水声通信中非一致性多普勒估计方法及系统从通信过程实现信息传输目的出发，定义误比特率最优(Bit error rate optimum,BERO)意义上的多普勒值，从而避免了对非一致性多径进行多个不同径、多个不同多普勒值搜索导致的复杂空间寻优问题。具体地，通过发送端设置检测信号，接收端利用误比特率搜索，以设定的频率搜索间隔进行误比特率最优意义上的一致性多普勒搜索；同时，可采用初步估计、BERO多普勒搜索估计结合的方式降低搜索复杂度。

与目前已有的水声通信多普勒估计方法相比，本发明提出的非一致性多普勒估计方法具有两个突出的特点：

第一，通过定义误比特率最优多普勒将非一致多普勒估计问题转化为误比特率搜索问题，避免了对多径进行不同径、不同多普勒值复杂空间搜索；

第二，采用多普勒初步估计减小搜索范围后进行误比特率搜索的估计方法，减小搜索复杂度；

根据本发明的第三方面，提出了一种计算机可读存储介质，介质中存储有计算机程序，在计算机程序被处理器执行时，实施如上述中任一项的方法。

针对本申请提出的一种水声通信中非一致性多普勒估计方法及系统，进行以下实验验证。

本发明实施例中采用OFDM水声通信系统进行本发明所提方法的性能验证。为了验证本发明实施例中OFDM通信系统在非一致性多普勒多径信道下采用本发明所提方法的有效性，利用BELLHOP模型模拟时变信道进行仿真实验。

仿真水声信道设置如下：水中介质均匀，深度10m，收发两端换能器放置深度均为3m，海底和海洋均是平坦，水域宽阔无边，上下边界属于硬边界，并且声速恒定为1500m/s，仿真水声信道本征声线分布如附图5所示。

本发明实施例OFDM水声通信系统仿真参数设置如下：系统采样率75kHz，换能器带宽13～18kHz，中心频率15.5kHz，FFT点数4096，子载波数268，循环前缀长度13.65ms，采用DQPSK调制方式。同步信号采用22.67ms的线性调频信号，信道编码选用编码效率为50％的卷积码，其表达式为(2,1,7)。卷积后采用交织深度为7的等差交织编码。

本发明实施例OFDM发射信号帧的格式如图6所示，同步信号后面163.8ms的空白信号作为保护间隔。随后的检测信号即是多普勒搜索信号，长度为136.6ms的两帧OFDM信号，用于作为本发明所提方法进行多普勒估计的检测信号。具体地，每一帧OFDM有268个bit，两帧共有536个bit供进行误比特率搜索。数据帧OFDM调制信号长度为2048ms。

为了方便进行不同方法的多普勒估计性能对比，在信号帧格式中，同步信号前为单频信号，每个单频信号长度100ms，间隔273ms，频率分别为f1＝14kHz，f2＝15.5kHz，f3＝17kHz，主要用于频率估计法估计多普勒。数据帧首尾部的线性调频信号，长度22.6ms，主要用于进行时域估计法估计多普勒。采用时域估计、频率估计等本领域公知的传统方法获得的初步估计结果进行误比特率多普勒搜索范围的设定，从而有效减少搜索范围，降低搜索运算量。

为了模拟非一致性多普勒的情况，对发射信号通过仿真信道并结合变采样处理引入多个不同的多普勒频偏。第一种情况：选择仿真信道的前两径分别引入10Hz、4Hz的多普勒频偏；第二种情况：选择仿真信道的前三径分别引入三个多普勒频偏10Hz、6Hz、4Hz。通过频率估计法、时域估计法、基于误码率搜索频偏估计法三种方法进行多普勒估计，然后根据估计的多普勒值对接收信号进行重采样补偿。

在不同的信噪比条件下，针对存在非一致性多普勒的OFDM信号进行多普勒估计，估计的多普勒值如表1、表2所示。根据估计的多普勒对接收数据进行重采样补偿得到的原始误比特率结果如图7(a)和7(b)所示。

表1存在两个多普勒频偏时的估计值

表2存在三个多普勒频偏时的估计值

从图7(a)和7(b)可知：经过多普勒估计及对应补偿后，OFDM水声通信原始误码率显著降低，系统性能得到了较大的改善；从图7(a)与图7(b)对比可看出，接收信号中存在的非一致多普勒频偏越少，估计得到的多普勒频偏更为精确。即：当非一致性多普勒对应多径数量增加时，信号中存在的非一致多普勒频偏也随之增加，导致多普勒估计精度下降，从而表明非一致性多普勒的存在对水声通信性能的影响。

通过图7(a)和7(b)中三种估计方法的对比曲线可以看出，相比于其他两种方法，本发明提出非一致性多普勒估计方法采用误比特率搜索估计获得的多普勒更为适合非一致性多普勒信道，经过对应多普勒补偿后本实施例OFDM水声通信误比特率最低，系统性能得到了更明显的改善。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种水声通信中非一致性多普勒估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、发射端发送携带有已知数据的OFDM信号，接收端对多普勒因子进行粗估计获得多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)，并且在所述多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)内按照预先设定的频率搜索间隔Δε_f对接收的OFDM信号进行划分，获得多个预设的多普勒频偏；

S2、对所述多个预设的多普勒频偏进行重采样获得多个搜索信号，并且对所述多个搜索信号进行解调；以及

S3、计算所述多个搜索信号解调获得的所述多个预设的普勒频偏对应的误比特率，获取所述误比特率的最小值，最终获得多普勒频偏估计值。

2.根据权利要求1所述的一种水声通信中非一致性多普勒估计方法，其特征在于，在步骤S3中所述多普勒频偏估计值的表达式为：

式中，Ber(ε)表示多普勒频偏为ε时进行多普勒频偏重采样补偿后获得的误比特率，(ε₁,ε₂)表示多普勒频偏搜索范围。

3.根据权利要求1所述的一种水声通信中非一致性多普勒估计方法，其特征在于，在步骤S3中，所述多个预设的普勒频偏对应的误比特率表达式为：

式中，ε表示预设的多普勒频偏；N_b表示OFDM符号搭载的比特数，取N_b＝2L，其中L为OFDM符号中的子载波数；J_dec表示判决函数，F表示L×L离散傅里叶变换矩阵，E表示子载波的多普勒向量，x_f表示频域上发射的OFDM符号，y_t表示时域上接收的OFDM符号。

4.根据权利要求3所述的一种水声通信中非一致性多普勒估计方法，其特征在于，所述误比特率的表达式中的L×L离散傅里叶变换矩阵F具体表达式为：

式中，L表示OFDM符号中的子载波数，j表示虚数单位。

5.根据权利要求1所述的一种水声通信中非一致性多普勒估计方法，其特征在于，所述误比特率表达式中的子载波的多普勒向量E的表达式为：

式中，B表示OFDM调制带宽，B＝LΔf，Δf表示相邻子载波间频率间隔，L表示OFDM符号中的子载波数。

6.根据权利要求1所述的一种水声通信中非一致性多普勒估计方法，其特征在于，所述误比特率表达式中的判决函数J_dec的具体表达式为：

式中，R_f表示接收信号帧中的OFDM符号，real[...]表示复数的实部，imag[...]表示复数的虚部。

7.根据权利要求1所述的一种水声通信中非一致性多普勒估计方法，其特征在于，在步骤S1中，采用频率估计法或者时域估计法对多普勒因子进行粗估计，获得多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)。

8.一种水声通信中非一致性多普勒估计系统，其特征在于，所述系统包括：

预设多普勒偏频获取模块，用于发射端发送携带有已知数据的OFDM信号，接收端对多普勒因子进行粗估计获得多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)，并且在所述多普勒频偏搜索范围(ε₁,ε₂)内按照预先设定的频率搜索间隔Δε_f将接收的OFDM信号进行划分，获得多个预设的多普勒频偏；

解调模块，用于对所述多个预设的多普勒频偏进行重采样获得多个搜索信号，并且对所述多个搜索信号进行解调；

多普勒频偏估计值获取模块，用于计算所述多个搜索信号解调获得的所述多个预设的普勒频偏对应的误比特率，获取所述误比特率的最小值，最终获得多普勒频偏估计值。

9.一种计算机可读存储介质，所述介质中存储有计算机程序，在所述计算机程序被处理器执行时，实施如权利要求1-7中任一项所述的方法。

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