CN115276912B - 基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统 - Google Patents

基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统，系统包括：发射端装置，用于将初始序列进行极化码编码和调制处理，得到OFDM信号，并发射包含OFDM信号的声波；接收端装置，用于在水声信道接收包含噪声的声波，并将包含噪声的声波进行模数转换、混合信道估计、均衡、解调和极化码译码，得到译码序列；本发明实施例在发射端采用基于高斯近似改进法构造极化码的编码技术可根据水声信道特点，形成不同的传输编码方案，使得整个通信系统在不同信道条件下具有环境适应性，在接收端采用混合信道估计，提高信道估计准确性，将混合信道估计模块、均衡器与极化码译码器级联，构成循环迭代运算，提高整个通信系统的性能。

Description

基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统
技术领域
本发明涉及水声通信技术领域，尤其涉及的是基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统。
背景技术
虽然水声通信中Polar码的研究取得一定的研究进展，但由于水声信道与B-DMC信道，高斯信道等有很大差别，现有方法构造的Polar码在水声通信中可能无法获得足够的性能，因此，根据水声信道特点，结合具体的通信方式构造性能优异的Polar码有重要意义。
因此，现有技术还有待改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统，旨在解决现有技术中构造的Polar码在水声通信中可能无法获得足够的性能的问题。
本发明解决问题所采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供一种基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统，其中，所述系统包括：
发射端装置，用于将初始序列进行极化码编码和调制处理，得到OFDM信号，并发射包含OFDM信号的声波；其中，所述极化码基于高斯近似改进法构造；
接收端装置，用于在水声信道接收包含噪声的声波，并将包含噪声的声波进行模数转换、混合信道估计、均衡、解调和极化码译码，得到译码序列；其中，所述接收端装置中的极化码译码器与混合信道估计模块、均衡器级联，形成循环迭代。
在一种实现方式中，所述发射端装置包括：
第一极化码编码器，用于采用高斯近似改进法构造的极化码对初始序列进行编码，得到编码信号；
第一信道调制器，用于对所述编码信号进行QPSK调制；
OFDM调制器，用于对QPSK调制后的信号进行OFDM调制；
数模转换器，用于将数字信号转换成模拟信号；
发射换能器，用于在水声信道发射声波。
在一种实现方式中，所述接收端装置包括：
接收换能器，用于在水声信道接收声波；
模数转换器，用于将模拟信号转换成数字信号；
混合信道估计模块，用于将基于导频信号的信道估计方式与块间处理的信道估计方式融合后进行信道估计；其中，所述块间处理的信道估计方式为根据前一个OFDM块的信道估计结果来进行当前OFDM块的译码；
信道均衡器，用于对信道的特性进行补偿；
OFDM解调器，用于对信道均衡器输出的信号进行OFDM解调；
信道解调器，用于对OFDM解调器解调后信号进行QPSK解调；
极化码译码器，用于对信道解调器输出的信号进行译码；
第二极化码编码器，用于将所述极化码译码器译码后的信号进行重编码；
第二信道调制器，用于将所述极化码编码器编码后的信号进行QPSK调制；
块间处理的信道估计模块，用于根据前一个OFDM块的信道估计结果来进行当前OFDM块的译码。
第二方面，本发明实施例还提供一种基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统的信号处理方法，其中，采用高斯近似改进法构造的极化码对初始序列进行编码包括：
对OFDM水声系统的信道进行仿真，确定所述信道具有信道高斯近似准则；其中，所述高斯近似准则用于表征信道具有高斯近似的特性；
基于高斯近似准则的信道构造极化码，并对初始序列进行编码。
在一种实现方式中，所述对OFDM水声系统的信道进行仿真，确定所述信道具有信道高斯近似准则包括：
对OFDM水声系统的水声信道进行仿真，确定每个子载波包含复高斯随机噪声；
根据所述复高斯随机噪声，得到每个子载波的噪声方差；
将所有每个子载波的噪声方差进行求和平均，得到信道的噪声方差；
根据信道的噪声方差，确定所述信道具有信道高斯近似准则。
在一种实现方式中，所述根据所述噪声方差，确定所述信道具有信道高斯近似准则包括：
发送导频信号，并在接收端装置对所述导频信号进行信道估计，得到每个子信道的预估信道传递函数；
基于所述噪声方差和每个子信道的预估信道传递函数，确定所述信道具有信道高斯近似准则。
在一种实现方式中，所述信道包括若干子信道；所述基于高斯近似准则的信道构造极化码，并对初始序列进行编码包括：
计算高斯近似准则的每个一阶子信道的若干对数似然比；
递推计算每个N阶子信道的若干对数似然比的均值；
将所有子信道的均值按照从大到小的顺序进行排序；
将排序靠前的若干子信道作为信息位集合；
获取生成矩阵；
根据所述信息位的集合和所述生成矩阵，对所述初始序列进行编码。
在一种实现方式中，所述将基于导频信号的信道估计方式与块间处理的信道估计方式融合后进行信道估计包括：
将接收信号从时域转换到频域，得到预处理信号；
基于所述预处理信号中的导频信号对信道进行估计，得到当前OFDM符号对应的第一信道传递函数；
获取前一个OFDM符号对应的译码信号；
根据前一个OFDM符号对应的译码信号，得到前一个OFDM符号对应的第二信道传递函数；
将当前OFDM符号对应的第一信道传递函数和前一个OFDM符号对应的第二信道传递函数进行融合，得到混合信道传递函数。
在一种实现方式中，所述根据前一个OFDM符号对应的译码信号，得到前一个OFDM符号对应的第二信道传递函数包括：
将前一个OFDM符号对应的译码信号进行极化重编码和信道调制，得到调制信号；
根据所述调制信号和所述预处理信号对信道进行估计，得到第二信道传递函数。
在一种实现方式中，将初始序列进行极化码编码和调制处理之后包括：
将进行极化码编码和调制处理后的初始序列进行符号映射、串并转换、子载波分配、导频插入、快速傅里叶逆变换、循环前缀的添加处理和并串转换。
在一种实现方式中，将包含噪声的声波进行模数转换、混合信道估计、均衡、解调和极化码译码包括：
将包含噪声的声波进行模数转换、串并转换、循环前缀的移除处理、快速傅里叶变换、混合信道估计、均衡、导频的去除处理、并串转换、解调和极化码译码，得到译码序列。
第三方面，本发明实施例还提供一种智能终端，包括有存储器，以及一个或者一个以上的程序，其中一个或者一个以上程序存储于存储器中，且经配置以由一个或者一个以上处理器执行所述一个或者一个以上程序包含用于执行如上述任意一项所述的基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统的信号处理方法。
第四方面，本发明实施例还提供一种非临时性计算机可读存储介质，当所述存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行如上述中任意一项所述的基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统的信号处理方法。
本发明的有益效果：本发明实施例的系统包括：发射端装置，用于将初始序列进行极化码编码和调制处理，得到OFDM信号，并发射包含OFDM信号的声波；其中，所述极化码基于高斯近似改进法构造；接收端装置，用于在水声信道接收包含噪声的声波，并将包含噪声的声波进行模数转换、混合信道估计、均衡、解调和极化码译码，得到译码序列；其中，所述接收端装置中的极化码译码器与混合信道估计模块、均衡器级联，形成循环迭代。可见，本发明实施例中在发射端采用基于高斯近似改进法构造极化码的编码技术可根据水声信道特点，形成不同的传输编码方案，使得整个通信系统在不同信道条件下具有环境适应性，在接收端采用混合信道估计，提高信道估计准确性，将混合信道估计模块、均衡器与极化码译码器级联，构成循环迭代运算，提高整个通信系统的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统示意图。
图2为本发明实施例提供的发射序列结构图。
图3为本发明实施例提供的时变信道中，不同码长下基于高斯近似构造方法的极化码误码率随信噪比的变化图。
图4为本发明实施例提供的块间迭代接收机对第n个OFDM符号的处理流程图。
图5为本发明实施例提供的智能终端的内部结构原理框图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。 应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
由于现有技术中，Polar码的高斯近似构造法由密度进化法演化而来。密度进化法构造Polar码需要对信道错误概率进行积分迭代，因此其计算复杂度较高，而高斯近似法通过引入高斯近似准则，直接用数学公式计算各子信道的可靠性指标，循环迭代次数得以大大减少，因此其计算复杂度与密度进化法相比下降了很多。现有的高斯近似法主要适用于高斯信道，需要进行改进或扩展，才能将其应用于浅海水声信道，且现有的水声通信系统的性能较差。
为了解决现有技术的问题，本实施例提供了基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统，在发射端采用基于高斯近似改进法构造极化码的编码技术可根据水声信道特点，形成不同的传输编码方案，使得整个通信系统在不同信道条件下具有环境适应性，在接收端采用混合信道估计，提高信道估计准确性，将混合信道估计模块、均衡器与极化码译码器级联，构成循环迭代运算，提高整个通信系统的性能。具体系统包括：发射端装置，用于将初始序列进行极化码编码和调制处理，得到OFDM信号，并发射包含OFDM信号的声波；其中，所述极化码基于高斯近似改进法构造；接收端装置，用于在水声信道接收包含噪声的声波，并将包含噪声的声波进行模数转换、混合信道估计、均衡、解调和极化码译码，得到译码序列；其中，所述接收端装置中的极化码译码器与混合信道估计模块、均衡器级联，形成循环迭代。
示例性设备
如图1中所示，本发明实施例提供基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统，该系统包括：发射端装置，用于将初始序列进行极化码编码和调制处理，得到OFDM信号，并发射包含OFDM信号的声波；其中，所述极化码基于高斯近似改进法构造；接收端装置，用于在水声信道接收包含噪声的声波，并将包含噪声的声波进行模数转换、混合信道估计、均衡、解调和极化码译码，得到译码序列；其中，所述接收端装置中的极化码译码器与混合信道估计模块、均衡器级联，形成循环迭代。
具体地，本系统在发射端装置中采用高斯近似改进法构造极化码（Polar码），这样初始序列经过高斯近似改进法构造极化码编码后，可以更好的适应水声通信系统，使得信息能在信道容量趋近于1的信道中传输，从而提高水声通信系统中信号传输的稳定性。在本实施例中，初始序列进行极化码编码后进行信道调制和OFDM调制，得到的是OFDM信号，OFDM的原理是将二进制的数据流通过串并转换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。此外，由于是在水下进行通信，故发射端装置发射的是经过处理的包含OFDM信号的声波。传统的接收端装置采用基于导频的信道估计，信道估计准确性低，本系统在接收端装置采用混合信道估计，是对现有基于导频的信道估计进行改进，能够实现更为准确的信道估计。此外，在接收端装置中极化码译码器与混合信道估计模块、均衡器级联迭代，将接收端通过译码后得到的序列用于下一个OFDM符号的信道估计，有效的实现了极化码在复杂水声信道中的应用，提升了整个通信系统的性能。接收端装置中的模数转换、均衡、解调均采用的现有技术，极化码译码是极化码编码的逆过程。
在一种实现方式中，所述发射端装置包括：第一极化码编码器，用于采用高斯近似改进法构造的极化码对初始序列进行编码，得到编码信号；第一信道调制器，用于对所述编码信号进行QPSK调制；OFDM调制器，用于对QPSK调制后的信号进行OFDM调制；数模转换器，用于将数字信号转换成模拟信号；发射换能器，用于在水声信道发射声波。
具体地，发射端装置包括第一极化码编码器、第一信道调制器、OFDM调制器、数模转换器、发射换能器。第一极化码编码器的功能是采用高斯近似改进法构造的极化码对初始序列进行编码，得到编码信号。值得注意的是，此处的极化码编码是一种信道编码，选择一个好的信道来传输信息是Polar码编码的关键，Polar码构造的是一个能够达到对称信道容量的编码方法。第一信道调制器采用的调制方式包括但不限于BPSK、QPSK、QAM、16PSK等调制方式。在本实施例中，第一信道调制器采用的调制方式为QPSK调制方式对所述编码信号进行调制。OFDM调制器，主要用于对QPSK调制后的信号进行OFDM调制，使得信号在N路相互正交的载波中进行传输，此时的发射序列如图2所示。由于前面处理输出的信号都是数字信号，数字信号无法在水声信道环境中进行传输，故需要通过数模转换器转换成模拟信号，最后通过发射换能器发射声波。
在一种实现方式中，所述接收端装置包括：接收换能器，用于在水声信道接收声波；模数转换器，用于将模拟信号转换成数字信号；混合信道估计模块，用于将基于导频信号的信道估计方式与块间处理的信道估计方式融合后进行信道估计；其中，所述块间处理的信道估计方式为根据前一个OFDM块的信道估计结果来进行当前OFDM块的译码；信道均衡器，用于对信道的特性进行补偿；OFDM解调器，用于对信道均衡器输出的信号进行OFDM解调；信道解调器，用于对OFDM解调后的信号进行QPSK解调；极化码译码器，用于对信道解调器输出的信号进行译码；第二极化码编码器，用于将所述极化码译码器译码后的信号进行重编码；第二信道调制器，用于将所述极化码编码器编码后的信号进行QPSK调制；块间处理的信道估计模块，用于根据前一个OFDM块的信道估计结果来进行当前OFDM块的译码。
具体地，接收端装置包括接收换能器、模数转换器、混合信道估计模块、信道均衡器、OFDM解调器、信道解调器、极化码译码器、第二极化码编码器、第二信道调制器和块间处理的信道估计模块。接收换能器接收了水声信道中包含噪声的声波后，通过模数转换器转换成数字信号。为了提高信道估计的准确性，采用混合信道估计模块，将基于导频信号的信道估计方式与块间处理的信道估计方式进行融合，由于块间处理的信道估计方式为根据前一个OFDM块的信道估计结果来进行当前OFDM块的译码，这样也就意味着，当前OFDM块的极化码译码与前一个OFDM块的极化码译码进行了级联迭代，实现了水声OFDM通信系统性能的提升。信号经过估计后会通过信道均衡器对信道的特性进行补偿，接着根据与发射端相逆的处理过程，会通过信道解调器进行信道解调，解调方式同样包括但不局限于BPSK、QPSK、QAM、16PSK等解调方式。在本实施例中，进行QPSK解调，然后通过OFDM解调器进行解调和极化码译码器译码。值得注意的是，与现有技术相比，本系统在接收端装置增加了第二极化码编码器和第二信道调制器，第二极化码编码器采用本发明实施例中的基于高斯近似准则改进的极化码构造方法进行构造，可以采用现有技术中的极化码编码器。通过第二极化码编码器将所述接收端装置中极化码译码器译码后的信号进行重编码，然后通过第二信道调制器进行QPSK调制,最后将QPSK调制后的信号输入到块间处理的信道估计模块，块间处理的信道估计模块根据QPSK调制后的信号和预处理信号进行信道估计，得到第二信道传递函数，假设将该第二信道传递函数看作前一个OFDM块的信道估计结果，那么这个第二信道传递函数可以用于对当前OFDM块的译码。
本发明的特点：
1.本发明提出了一种改进的高斯近似法构造极化码。在发射端，与以往极化码编码方式不同，本发明充分利用了水声信道特点，对极化码的构造方法进行了改进。
2.在接收端，改进信道估计方法，改进后的信道估计方法便于实现与极化码解码器的进一步结合。
3.在接收端，将改进的信道估计方法与极化码解码器进行级联迭代，实现了水声OFDM通信系统性能的提升。
示例性方法
本实施例提供基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统的信号处理方法，该方法可以应用于水声通信的智能终端。
在一种实现方式中，采用高斯近似改进法构造的极化码对初始序列进行编码包括如下步骤：对OFDM水声系统的信道进行仿真，确定所述信道具有信道高斯近似准则；其中，所述高斯近似准则用于表征信道具有高斯近似的特性；基于高斯近似准则的信道构造极化码，并对初始序列进行编码。
具体地，对OFDM水声系统的信道进行仿真，由于OFDM水声系统中各个子载波是相互正交的，故对于每个子载波而言可以消除水声信道的多径干扰，对于每个子载波而言，其噪声可以近似为复高斯随机噪声，对所有子载波进行求和平均后，噪声方差也是复高斯随机噪声，基于此，可以确定所述信道具有信道高斯近似准则。接着根据高斯近似准则的信道构造极化码，并对初始序列进行编码。这样，系统可以实现在不同的信道条件下进行信息的稳定传输。
在一种实现方式中，所述对OFDM水声系统的信道进行仿真，确定所述信道具有信道高斯近似准则包括如下步骤：对OFDM水声系统的水声信道进行仿真，确定每个子载波包含复高斯随机噪声；根据所述复高斯随机噪声，得到每个子载波的噪声方差；将所有每个子载波的噪声方差进行求和平均，得到信道的噪声方差；根据信道的噪声方差以及水声信道的传输函数，确定所述信道具有信道高斯近似准则。
具体地，对OFDM水声系统的水声信道进行仿真的过程如下：经水声OFDM调制和解调后，水声信道由频率选择性衰落宽带信道转换为一组平坦衰落的窄带信道
Figure 843315DEST_PATH_IMAGE001
。若各子载波的信道状态信息(Channel State Information, CSI)
Figure 515736DEST_PATH_IMAGE002
已知，将其代入
Figure 390151DEST_PATH_IMAGE003
式（其中，
Figure 842605DEST_PATH_IMAGE004
是接收信号y(t)的傅里叶变换，
Figure 118865DEST_PATH_IMAGE005
为一帧OFDM传输块中第k（k=0, 1, … K-1）个子载波对应的发送符号，
Figure 617980DEST_PATH_IMAGE006
为第k个子载波信道上的传递函数，
Figure 979691DEST_PATH_IMAGE007
为第k个子载波对应的噪声谱），得到发送序列的估计值
Figure 691295DEST_PATH_IMAGE008
为：
Figure 87641DEST_PATH_IMAGE009
（1）
考虑信号的统计分布特性，则上式中的第二项
Figure 508389DEST_PATH_IMAGE010
可近似为复高斯随机噪声，也即每个子载波包含复高斯随机噪声。根据所述复高斯随机噪声，得到每个子载波的噪声均值为0，每个子载波的噪声方差为
Figure 357397DEST_PATH_IMAGE011
。对所有的子载波进行求和平均，得到信道的噪声方差
Figure 872692DEST_PATH_IMAGE012
可表示为:
Figure 389124DEST_PATH_IMAGE013
（2）
最后根据信道的噪声方差，确定所述信道具有信道高斯近似准则。相应的，所述根据所述噪声方差，确定所述信道具有信道高斯近似准则包括如下步骤：发送导频信号，并在接收端装置对所述导频信号进行信道估计，得到每个子信道的预估信道传递函数；基于所述噪声方差和每个子信道的预估信道传递函数，确定所述信道具有信道高斯近似准则。
具体地，导频信号的序列可以为LFM,HFM,CW等信号及其任何组合等形式。在实际水声通信过程中，信道状态信息
Figure 964461DEST_PATH_IMAGE014
通常不可知，可以采用发送导频信号，并在接收端装置对所述导频信号进行信道估计的方式，得到每个子信道的预估信道传递函数
Figure 300765DEST_PATH_IMAGE015
。信道估计的过程为现有技术，在此不再赘述。接着基于所述噪声方差
Figure 636062DEST_PATH_IMAGE016
和每个子信道的预估信道传递函数
Figure 741422DEST_PATH_IMAGE015
，公式（1）和公式（2）可以更新为：
Figure 487661DEST_PATH_IMAGE017
（3）
Figure 45681DEST_PATH_IMAGE018
（4）
由信道状态信息的估计值和信道噪声方差可推导出水声信道的高斯近似准则为：
Figure 433937DEST_PATH_IMAGE019
（5）
上式
Figure 393803DEST_PATH_IMAGE020
由信道状态信息估计值和传输编码序列
Figure 61676DEST_PATH_IMAGE021
计算，可表示为：
Figure 638151DEST_PATH_IMAGE022
（6）
其中
Figure 298939DEST_PATH_IMAGE023
为编码序列的QPSK调制结果。
在一种实现方式中，所述信道包括若干子信道；所述基于高斯近似准则的信道构造极化码，并对初始序列进行编码包括：计算高斯近似准则的每个一阶子信道的若干对数似然比；递推计算每个N阶子信道的若干对数似然比的均值；将所有子信道的均值按照从大到小的顺序进行排序；将排序靠前的若干子信道作为信息位集合；根据所述信息位集合，对初始序列进行编码。
具体地，高斯近似准则的信道包含多个子信道，根据公式
Figure 113311DEST_PATH_IMAGE024
，得到高斯近似准则的一阶子信道的若干对数似然比，再根据迭代公式递推计算N阶子信道的若干对数似然比LLRN (i)的均值Ei，在本实施例中，根据水声信道的高斯近似准则可推导出改进的高斯近似Polar码构造方法的极化子信道LLR均值迭代计算公式，奇数项和偶数项的迭代公式分别为：
Figure 466932DEST_PATH_IMAGE025
（7）
Figure 999545DEST_PATH_IMAGE026
（8）
对高阶极化子信道的LLR均值迭代计算由一阶LLR开始，一阶LLR由信道冲激响应的估计均值
Figure 235264DEST_PATH_IMAGE027
和信道噪声方差
Figure 169722DEST_PATH_IMAGE028
得出：
Figure 959824DEST_PATH_IMAGE029
（9）
然后将均值Ei按照从大到小的顺序进行排序，将排序靠前的K个均值Ei选出，并将K个均值Ei对应的子信道作为信息位集合，也即信息传输信道，将信息位集合输入至Polar编码模块。最后根据包含信息位集合的Polar编码模块对初始序列进行编码。相应的，所述根据所述信息位集合，对所述初始序列进行编码包括如下步骤：获取生成矩阵；根据所述信息位的集合和所述生成矩阵，对所述初始序列进行编码。
具体地，极化码的生成矩阵可以获取到，为
Figure 714153DEST_PATH_IMAGE030
，通常在极化码的编码过程中，将所述初始序列
Figure 982323DEST_PATH_IMAGE031
乘以所述生成矩阵
Figure 771288DEST_PATH_IMAGE032
，得到
Figure 217444DEST_PATH_IMAGE033
，以完成对所述初始序列的编码。但是在本实施例中，应用高斯近似准则后，将所述信息传输信道作为信息位集合，用A表示。其中，A是生成矩阵
Figure 724649DEST_PATH_IMAGE032
中矩阵行数的个数的一个子集，得到
Figure 530931DEST_PATH_IMAGE034
，实现对初始序列的编码。其中，
Figure 439981DEST_PATH_IMAGE035
是生成矩阵
Figure 306306DEST_PATH_IMAGE032
中A集合对应的行构成的矩阵，
Figure 35227DEST_PATH_IMAGE036
是A的补集。极化码编码表示为
Figure 645200DEST_PATH_IMAGE037
,其中，N为码长，K为A中元素的个数，A为信息位，
Figure 425068DEST_PATH_IMAGE038
为冻结位。如图3所示，在时变信道中，采用高斯近似构造方法时，不同码长的Polar码误码率随信噪比的变化曲线，由图3可知，在信造比较低时，码长2048的误码率值相对最高，其次是码长1024和码长512的误码率值。随着信噪比增大，码长2048的误码率曲线最先开始衰减且衰减幅度最大，其次是码长1024和码长512的误码率曲线。在信噪比较大时，码长越大的误码率值越小。码长2048的误码率相对码长1024的误码率有约0.7 dB增益，码长1024的误码率相对码长512的误码率有约0.5 dB增益。从图3中可以得出结论：在时变信道中，不同码长的Polar码误码率曲线变化规律同样符合信道信道极化的性质，码长越长，信道极化效果越明显，误码率曲线随信噪比衰落越快。
在一种实现方式中，所述极化码解码和所述极化码编码均基于相同的极化构造结果，即信息位集合。
具体地，解码是编码的逆过程，在本实施例中也一样，极化码解码和极化码编码都是应用了高斯近似法构造的信息位集合，也即排序靠前的K个均值Ei对应的子信道，是信息传输信道，是信道容量趋近于1的信道。这样，u1 N采用排序靠前的K个均值Ei对应的水声子信道（信息传输信道）得到编码序列x1 N，编码序列x1 N经过OFDM水声通信系统得到接收序列y1 N，由Polar编译码与水声信道相结合形成虚拟子信道，即
Figure 196715DEST_PATH_IMAGE039
。
现有技术中，LS方法的信道估计结果在低信噪比情况下受到信道噪声影响，且在时变信道中仅采用训练序列估计无法及时得出信道变化信息。为了改进LS方法的信道估计性能，采用将OFDM接收端所有子载波上的接收信息用于信道估计，并与导频序列的LS估计结果结合的方法，可以补充LS估计结果中的信道变化信息。
在OFDM系统中，每帧数据传输五组OFDM符号数据，本发明将极化码的译码与OFDM信道估计结合，采用块间处理的信道估计方式，即通过前一个OFDM块的信道估计结果用于当前OFDM块的译码。在时变信道中，将块间处理的信道估计方式与基于导频信号的信道估计方法相结合，设置一种借助信道译码估计值的迭代接收机，从而提高信道估计准确性，减少导频子载波系统的使用。
在一种实现方式中，所述将基于导频信号的信道估计方式与块间处理的信道估计方式融合后进行信道估计包括如下步骤：将接收信号从时域转换到频域，得到预处理信号；基于所述预处理信号中的导频信号对信道进行估计，得到当前OFDM符号对应的第一信道传递函数；获取前一个OFDM符号对应的译码信号；根据前一个OFDM符号对应的译码信号，得到前一个OFDM符号对应的第二信道传递函数；将当前OFDM符号对应的第一信道传递函数和前一个OFDM符号对应的第二信道传递函数进行融合，得到混合信道传递函数。
具体地，如图4所示，对于接收到的第
Figure 678512DEST_PATH_IMAGE040
帧信号，将接收信号通过FFT从时域转换到频域，得到预处理信号，预处理信号中包含导频信号，对于第一组OFDM序列，基于导频信号进行信道估计得到第一信道传递函数
Figure 826597DEST_PATH_IMAGE041
后，仅采用
Figure 710239DEST_PATH_IMAGE042
进行信道均衡和译码，假定该组第一个OFDM符号译码输出值准确，获取该OFDM符号对应的译码信号；将该OFDM符号对应的译码信号进行极化码重编码和信道调制，得到调制信号；然后根据所述调制信号和所述预处理信号对信道进行估计，得到第二信道传递函数，也即结合预处理输出的相应序列，可得出相应的信道估计值（第二信道传递函数）为：
Figure 652787DEST_PATH_IMAGE043
(5)
其中，
Figure 107034DEST_PATH_IMAGE044
表示第
Figure 324388DEST_PATH_IMAGE040
帧接收信号中的第
Figure 796958DEST_PATH_IMAGE045
组OFDM序列，
Figure 175987DEST_PATH_IMAGE046
表示其对应译码输出序列经过重编码和QPSK调制的输出序列。
得到第一信道函数和第二函数后，将当前OFDM符号对应的第一信道传递函数和前一个OFDM符号对应的第二信道传递函数进行融合，得到混合信道传递函数。在本实施例中，将迭代译码估计值（也即第二信道传递函数）
Figure 366797DEST_PATH_IMAGE047
和第一信道传递函数
Figure 122263DEST_PATH_IMAGE048
输入混合估计模块，用于第
Figure 462721DEST_PATH_IMAGE049
组OFDM序列的信道估计，对第一信道传递函数
Figure 12651DEST_PATH_IMAGE048
和第二信道传递函数
Figure 690757DEST_PATH_IMAGE050
进行加权平均，定义加权系数
Figure 984335DEST_PATH_IMAGE051
，则混合信道估计（也即混合信道传递函数）的输出为：
Figure 431497DEST_PATH_IMAGE052
Figure 417908DEST_PATH_IMAGE053
(6)
在一种实现方式中，将初始序列进行极化码编码和调制处理之后包括如下步骤：将进行极化码编码和调制处理后的初始序列进行符号映射、串并转换、子载波分配、导频插入、快速傅里叶逆变换、循环前缀的添加处理和并串转换。
具体地，为避免或减小水声信道多径传输导致的符号间干扰（Inter SymbolInterference, ISI），在每一组OFDM符号前插入循环前缀CP作为保护间隔（GuardInterval, GI），CP的时间长度
Figure 334042DEST_PATH_IMAGE054
应大于水声信道的最大多径时延
Figure 165732DEST_PATH_IMAGE055
。上述其他处理过程为现有技术，在此不再赘述。
在一种实现方式中，将包含噪声的声波进行模数转换、混合信道估计、均衡、解调和极化码译码包括如下步骤：将包含噪声的声波进行模数转换、串并转换、循环前缀的移除处理、快速傅里叶变换、混合信道估计、均衡、导频的去除处理、并串转换、解调和极化码译码，得到译码序列。上述处理过程为现有技术，在此不再赘述。
基于上述实施例，本发明还提供了一种智能终端，其原理框图可以如图5所示。该智能终端包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏、温度传感器。其中，该智能终端的处理器用于提供计算和控制能力。该智能终端的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该智能终端的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统的信号处理方法。该智能终端的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该智能终端的温度传感器是预先在智能终端内部设置，用于检测内部设备的运行温度。
本领域技术人员可以理解，图5中的原理图，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的智能终端的限定，具体的智能终端可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种智能终端，包括有存储器，以及一个或者一个以上的程序，其中一个或者一个以上程序存储于存储器中，且经配置以由一个或者一个以上处理器执行所述一个或者一个以上程序包含用于进行以下操作的指令：
采用高斯近似改进法构造的极化码对初始序列进行编码包括：
对OFDM水声系统的信道进行仿真，确定所述信道具有信道高斯近似准则；其中，所述高斯近似准则用于表征信道具有高斯近似的特性；
基于高斯近似准则的信道构造极化码，并对初始序列进行编码。
在一种实现方式中，所述对OFDM水声系统的信道进行仿真，确定所述信道具有信道高斯近似准则包括：
对OFDM水声系统的水声信道进行仿真，确定每个子载波包含复高斯随机噪声；
根据所述复高斯随机噪声，得到每个子载波的噪声方差；
将所有每个子载波的噪声方差进行求和平均，得到信道的噪声方差；
根据信道的噪声方差，确定所述信道具有信道高斯近似准则。
在一种实现方式中，所述根据所述噪声方差，确定所述信道具有信道高斯近似准则包括：
发送导频信号，并在接收端装置对所述导频信号进行信道估计，得到每个子信道的预估信道传递函数；
基于所述噪声方差和每个子信道的预估信道传递函数，确定所述信道具有信道高斯近似准则。
在一种实现方式中，所述所述信道包括若干子信道；所述基于高斯近似准则的信道构造极化码，并对初始序列进行编码包括：
计算高斯近似准则的每个一阶子信道的若干对数似然比；
递推计算每个N阶子信道的若干对数似然比的均值；
将所有子信道的均值按照从大到小的顺序进行排序；
将排序靠前的若干子信道作为信息位集合；
获取生成矩阵；
根据所述信息位的集合和所述生成矩阵，对所述初始序列进行编码。
在一种实现方式中，所述将基于导频信号的信道估计方式与块间处理的信道估计方式融合后进行信道估计包括：
将接收信号从时域转换到频域，得到预处理信号；
基于所述预处理信号中的导频信号对信道进行估计，得到当前OFDM符号对应的第一信道传递函数；
获取前一个OFDM符号对应的译码信号；
根据前一个OFDM符号对应的译码信号，得到前一个OFDM符号对应的第二信道传递函数；
将当前OFDM符号对应的第一信道传递函数和前一个OFDM符号对应的第二信道传递函数进行融合，得到混合信道传递函数。
在一种实现方式中，所述根据前一个OFDM符号对应的译码信号，得到前一个OFDM符号对应的第二信道传递函数包括：
将前一个OFDM符号对应的译码信号进行极化重编码和信道调制，得到调制信号；
根据所述调制信号和所述预处理信号对信道进行估计，得到第二信道传递函数。
在一种实现方式中，将初始序列进行极化码编码和调制处理之后包括：
将进行极化码编码和调制处理后的初始序列进行符号映射、串并转换、子载波分配、导频插入、快速傅里叶逆变换、循环前缀的添加处理和并串转换。
在一种实现方式中，将包含噪声的声波进行模数转换、混合信道估计、均衡、解调和极化码译码包括：
将包含噪声的声波进行模数转换、串并转换、循环前缀的移除处理、快速傅里叶变换、混合信道估计、均衡、导频的去除处理、并串转换、解调和极化码译码，得到译码序列。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
综上所述，本发明公开了一种基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统，系统包括：发射端装置，用于将初始序列进行极化码编码和调制处理，得到OFDM信号，并发射包含OFDM信号的声波；接收端装置，用于在水声信道接收包含噪声的声波，并将包含噪声的声波进行模数转换、混合信道估计、均衡、解调和极化码译码，得到译码序列；本发明实施例在发射端采用基于高斯近似改进法构造极化码的编码技术可根据水声信道特点，形成不同的传输编码方案，使得整个通信系统在不同信道条件下具有环境适应性，在接收端采用混合信道估计，提高信道估计准确性，将混合信道估计模块、均衡器与极化码译码器级联，构成循环迭代运算，提高整个通信系统的性能。
基于上述实施例，本发明公开了一种基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统的信号处理方法，应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统，其特征在于，所述系统包括：
发射端装置，用于将初始序列进行极化码编码和调制处理，得到OFDM信号，并发射包含OFDM信号的声波；其中，所述极化码基于高斯近似改进法构造；
接收端装置，用于在水声信道接收包含噪声的声波，并将包含噪声的声波进行模数转换、混合信道估计、均衡、解调和极化码译码，得到译码序列；其中，所述接收端装置中的极化码译码器与混合信道估计模块、均衡器级联，形成循环迭代，所述信道包括若干子信道;
所述发射端装置包括：
第一极化码编码器，用于采用高斯近似改进法构造的极化码对初始序列进行编码，得到编码信号；
第一信道调制器，用于对所述编码信号进行QPSK调制；
OFDM调制器，用于对QPSK调制后的信号进行OFDM调制；
数模转换器，用于将数字信号转换成模拟信号；
发射换能器，用于在水声信道发射声波；
采用高斯近似改进法构造的极化码对初始序列进行编码包括：
对OFDM水声系统的水声信道进行仿真，确定每个子载波包含复高斯随机噪声；
根据所述复高斯随机噪声，得到每个子载波的噪声方差；
将所有每个子载波的噪声方差进行求和平均，得到信道的噪声方差；
发送导频信号，并在接收端装置对所述导频信号进行信道估计，得到每个子信道的预估信道传递函数
Figure 219052DEST_PATH_IMAGE002
；
基于所述噪声方差和每个子信道的预估信道传递函数，确定所述信道具有信道高斯近似准则
Figure 559028DEST_PATH_IMAGE004
：
Figure 542028DEST_PATH_IMAGE006
；
计算高斯近似准则的每个一阶子信道的若干对数似然比；
递推计算每个N阶子信道的若干对数似然比的均值；
将所有子信道的均值按照从大到小的顺序进行排序；
将排序靠前的若干子信道作为信息位集合；
获取生成矩阵；
根据所述信息位的集合和所述生成矩阵，对所述初始序列进行编码；
所述接收端装置包括：
接收换能器，用于在水声信道接收声波；
模数转换器，用于将模拟信号转换成数字信号；
混合信道估计模块，用于将基于导频信号的信道估计方式与块间处理的信道估计方式融合后进行信道估计；其中，所述块间处理的信道估计方式为根据前一个OFDM块的信道估计结果来进行当前OFDM块的译码；
信道均衡器，用于对信道的特性进行补偿；
OFDM解调器，用于对信道均衡器输出的信号进行OFDM解调；
信道解调器，用于对OFDM解调器解调后信号进行QPSK解调；
极化码译码器，用于对信道解调器输出的信号进行译码；
第二极化码编码器，用于将所述极化码译码器译码后的信号进行重编码；
第二信道调制器，用于将所述极化码编码器编码后的信号进行QPSK调制；
块间处理的信道估计模块，用于根据前一个OFDM块的信道估计结果来进行当前OFDM块的译码；
所述将基于导频信号的信道估计方式与块间处理的信道估计方式融合后进行信道估计包括：
将接收信号从时域转换到频域，得到预处理信号；
基于所述预处理信号中的导频信号对信道进行估计，得到当前OFDM符号对应的第一信道传递函数
Figure 202816DEST_PATH_IMAGE008
；
获取前一个OFDM符号对应的译码信号；
根据前一个OFDM符号对应的译码信号，得到前一个OFDM符号对应的第二信道传递函数
Figure 672981DEST_PATH_IMAGE010
：
Figure 698706DEST_PATH_IMAGE012
Figure 231318DEST_PATH_IMAGE014
为第m帧接收信号中的第n-1组OFDM序列，
Figure 381283DEST_PATH_IMAGE016
为第m帧接收信号中的第n-1组OFDM序列对应的译码输出序列经过重编码和QPSK调制的输出序列；
将当前OFDM符号对应的第一信道传递函数和前一个OFDM符号对应的第二信道传递函数进行融合，得到混合信道传递函数
Figure 456687DEST_PATH_IMAGE018
：
Figure 715630DEST_PATH_IMAGE020
。
2.基于权利要求1所述的基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统的信号处理方法，其特征在于，所述根据前一个OFDM符号对应的译码信号，得到前一个OFDM符号对应的第二信道传递函数包括：
将前一个OFDM符号对应的译码信号进行极化重编码和信道调制，得到调制信号；
根据所述调制信号和所述预处理信号对信道进行估计，得到第二信道传递函数。
3.根据权利要求2所述的基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统的信号处理方法，其特征在于，将初始序列进行极化码编码和调制处理之后包括：
将进行极化码编码和调制处理后的初始序列进行符号映射、串并转换、子载波分配、导频插入、快速傅里叶逆变换、循环前缀的添加处理和并串转换。
4.根据权利要求2所述的基于高斯近似改进极化码的译码级联迭代水声通信系统的信号处理方法，其特征在于，将包含噪声的声波进行模数转换、混合信道估计、均衡、解调和极化码译码包括：
将包含噪声的声波进行模数转换、串并转换、循环前缀的移除处理、快速傅里叶变换、混合信道估计、均衡、导频的去除处理、并串转换、解调和极化码译码，得到译码序列。
5.一种智能终端，其特征在于，包括有存储器，以及一个或者一个以上的程序，其中一个或者一个以上程序存储于存储器中，且经配置以由一个或者一个以上处理器执行所述一个或者一个以上程序包含用于执行如权利要求2-4中任意一项所述的方法。
6.一种非临时性计算机可读存储介质，其特征在于，当所述存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行如权利要求2-4中任意一项所述的方法。
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