CN115314163A - 基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统 - Google Patents

基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统，系统包括：发射端装置，用于将初始序列进行蒙特卡罗极化码编码和调制处理，得到OFDM信号并发射；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、解调和蒙特卡罗极化码译码，得到译码序列；蒙特卡罗极化码译码器与混合信道估计模块、均衡器级联。本发明实施例在发射端装置采用蒙特卡罗法和信道估计构造极化码，在不同浅海水声信道总构造蒙特卡罗极化码译码，在接收端装置采用混合信道估计，提高信道估计准确性，将混合信道估计模块、均衡器与蒙特卡罗极化码译码器级联，构成循环迭代运算，提高整个通信系统的性能。

Description

基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统
技术领域
本发明涉及水声通信技术领域，尤其涉及的是基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统。
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，提供一种基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统，旨在解决现有技术中现有方法构造的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蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统，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蒙特卡罗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，所述蒙特卡罗极化码基于蒙特卡罗法和信道估计构造；
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、解调和蒙特卡罗极化码译码，得到译码序列；其中，所述接收端装置中的蒙特卡罗极化码译码器与混合信道估计模块、均衡器级联。
在一种实现方式中，所述发射端装置包括：
蒙特卡罗极化码编码器，用于采用蒙特卡罗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QPSK解调后的信号进行OFDM解调；
信道解调器，用于对信道均衡器输出的信号进行QPSK解调；
蒙特卡罗极化码译码器，用于对OFDM解调器输出的信号进行译码；
极化码编码器，用于将所述蒙特卡罗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。
在一种实现方式中，所述蒙特卡罗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。
第二方面，本发明实施例还提供一种基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统的信号处理方法，其中，采用蒙特卡罗法构造的极化码对初始序列进行编码，得到编码信号包括：
基于导频信号进行信道估计，得到信道状态信息；
基于所述信道状态信息和蒙特卡罗法，构造蒙特卡罗极化码；
采用蒙特卡罗极化码构造结果对初始序列进行编码，得到编码信号。
在一种实现方式中，所述基于信道状态信息和蒙特卡罗法，构造蒙特卡罗极化码包括：
基于预设的码长和预设的码率生成二进制随机序列；
将所述二进制随机序列进行极化码编码和信道调制后输入所述信道状态信息对应的水声信道；
将所述信道状态信息对应的水声信道输出的信号进行信道解调和极化码译码；
重复执行基于预设的码长和预设的码率生成二进制随机序列的步骤M次，统计极化码译码过程中各个子信道的出错个数；
基于预设的公式，根据重复执行次数M和所述出错个数，得到各个子信道的误码率；
根据各个子信道的误码率，构造蒙特卡罗极化码。
在一种实现方式中，所述根据各个子信道的误码率，构造蒙特卡罗极化码包括：
将各个子信道的误码率按照从小到大进行排序；
将排序靠前的K个误码率对应的子信道作为信息位集合；
将信息位集合作为蒙特卡罗极化码的构造结果。
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码重编码和信道调制，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，将初始序列进行蒙特卡罗极化码编码和调制处理之后包括：
将进行蒙特卡罗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、解调和蒙特卡罗极化码译码包括：
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、解调和蒙特卡罗极化码译码，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蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的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蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统的信号处理方法。
本发明的有益效果：本发明实施例公开了一种基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统，系统包括：发射端装置，用于将初始序列进行蒙特卡罗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，所述蒙特卡罗极化码基于蒙特卡罗法和信道估计构造；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、解调和蒙特卡罗极化码译码，得到译码序列；其中，所述接收端装置中的蒙特卡罗极化码译码器与混合信道估计模块、均衡器级联。可见，本发明实施例中在发射端装置采用蒙特卡罗法和信道估计构造极化码，可以在不同浅海水声信道中构造蒙特卡罗极化码译码，在接收端装置采用混合信道估计，提高信道估计准确性，将混合信道估计模块、均衡器与蒙特卡罗极化码译码器级联，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一种基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统示意图。
图2为本发明实施例提供的蒙特卡罗法构造Polar码的原理框图。
图3为本发明实施例提供的发射序列结构图。
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子信道BER随循环次数的变化图。
图6为本发明实施例提供的出错位d随循环次数的变换图。
图7为本发明实施例提供的码长512时，蒙特卡罗构造法的归一化判决因子分布图。
图8为本发明实施例提供的码长2048时，蒙特卡罗构造法的归一化判决因子分布图。
图9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蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统，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，构造的Polar码在水声通信中可能无法获得足够的性能，现有技术的缺点：（1）现有Polar码技术不适合于复杂的水声信道情况。（2）现有Polar码技术在系统发射端未针对水声信道对极化码构造方案进行改进；（3）现有Polar码技术在系统接收端未与信道进行良好的结合。
为了解决现有技术的问题，本实施例提供了一种基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统，通过在发射端装置采用蒙特卡罗法和信道估计构造极化码，可以在不同浅海水声信道总构造蒙特卡罗极化码译码，在接收端装置采用混合信道估计，提高信道估计准确性，将混合信道估计模块、均衡器与蒙特卡罗极化码译码器级联，构成循环迭代运算，提高整个通信系统的性能，降低系统误比特率。具体系统包括：发射端装置，用于将初始序列进行蒙特卡罗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，所述蒙特卡罗极化码基于蒙特卡罗法和信道估计构造；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、解调和蒙特卡罗极化码译码，得到译码序列；其中，所述接收端装置中的蒙特卡罗极化码译码器与混合信道估计模块、均衡器级联。
示例性设备
如图1中所示，本发明实施例提供一种基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统，该系统包括：发射端装置，用于将初始序列进行蒙特卡罗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，所述蒙特卡罗极化码基于蒙特卡罗法和信道估计构造；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、解调和蒙特卡罗极化码译码，得到译码序列；其中，所述接收端装置中的蒙特卡罗极化码译码器与混合信道估计模块、均衡器级联。
具体地，本系统在发射端装置中采用蒙特卡罗法和信道估计构造极化码（Polar码），通过实验计算相应事件发生概率的方法，将其应用到极化信道的筛选中，可以获得不同极化子信道的出错概率，并且充分利用了水声信道的特定，对极化码的构造进行了改进。将初始序列进行蒙特卡罗极化码编码后进行信道调制和OFDM调制，得到OFDM信号，OFDM的原理是将二进制的数据流通过串并转换，分配到相互正交的若干个子信道中进行传输。由于在水下进行通信，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，在接收端装置中蒙特卡罗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，蒙特卡罗极化码译码是蒙特卡罗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：蒙特卡罗极化码编码器，用于采用蒙特卡罗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，发射端装置包括蒙特卡罗极化码编码器、第一信道调制器、OFDM调制器、数模转换器和发射换能器。在本实施例中，如图2所示，蒙特卡罗极化码编码器采用蒙特卡罗极化码构造，与以往的极化码不同，蒙特卡罗极化法是通过实验计算相应的事件发生概率的方法，其应用于极化信道的筛选后可以获得不同极化子信道的出错概率，充分利用了水声信道的特点，对极化码的构造进行了改进。第一信道调制器的调制方式包括但不局限于BPSK、QPSK、QAM、16PSK等调制方式，在本实施例中采用的QPSK调制。信号经过QPSK调制后还需进行OFDM调制，此时的发射序列如图3所示，OFDM调制后的信号再经过数模转换后转换成模拟信号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QPSK解调后的信号进行QPSK解调；蒙特卡罗极化码译码器，用于对OFDM解调器输出的信号进行译码；极化码编码器，用于将所述蒙特卡罗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、信道解调器、OFDM解调器、蒙特卡罗极化码译码器、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块的蒙特卡罗极化码译码与前一个OFDM块的蒙特卡罗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，采用蒙特卡罗极化码译码器译码。值得注意的是，与现有技术相比，本系统在接收端装置中增加了极化码编码器和第二信道调制器，极化码编码器可以是本发明实施例中的蒙特卡罗极化码编码器，也可以是现有技术中的极化码编码器。通过极化码编码器将所述接收端装置中蒙特卡罗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。
在一种实现方式中，所述蒙特卡罗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，如图4所示，蒙特卡罗极化码译码器与信道均衡器连接，信道均衡器与混合信道估计模块连接，将蒙特卡罗极化码译码器与信道均衡器以及混合信道估计模块看作一个处理模块，处理模块的输出通过极化码重编码、QPSK调制和块间处理的信道估计模块后再次输入到处理模块中，因此，上述过程是一次循环迭代的过程。
本系统的特点：
1.本发明提出了一种蒙特卡罗法构造极化码。与以往极化码编码方式不同，该方案是一种通过实验计算相应事件发生概率的方法，将其应用于极化信道的筛选中，可以获得不同极化子信道的出错概率；其次，本发明充分利用了水声信道特点，对极化码的构造方案进行了改进。
2.在接收端装置，改进信道估计方案，改进后的信道估计方案便于实现与极化码解码器的进一步结合。
3.在接收端装置，将改进的信道估计方案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
本实施例提供一种基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的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，采用蒙特卡罗法构造的极化码对初始序列进行编码，得到编码信号包括：基于导频信号进行信道估计，得到信道状态信息；基于所述信道状态信息和蒙特卡罗法，构造蒙特卡罗极化码；采用蒙特卡罗极化码构造结果对初始序列进行编码，得到编码序列。
具体地，系统发射端装置输入训练序列，训练序列为随机的数，由0和1组成，训练序列经过QPSK调制后再经过OFDM调制、添加导频LFM，导频还可以采用HFM和CW等信号及LFM、HFM和CW组合等形式。然后经过数模转换后，通过发射换能器发射至水声信道，在接收端装置通过接收换能器接收，然后经过模数转换后，移除导频LFM，OFDM解调，得到接收序列，根据接收序列和输入训练序列进行信道估计，得到信道状态信息，也即信道传递函数。本发明实施例中的蒙特卡罗极化码基于该信道状态信息的蒙特卡罗法构造。相应的，所述基于所述信道状态信息和蒙特卡罗法，构造蒙特卡罗极化码包括如下步骤：基于预设的码长和预设的码率生成二进制随机序列；将所述二进制随机序列进行极化码编码和信道调制后输入所述信道状态信息对应的水声信道；将所述信道状态信息对应的水声信道输出的信号进行信道解调和极化码译码；重复执行基于预设的码长和预设的码率生成二进制随机序列的步骤M次，统计极化码译码过程中各个子信道的出错个数；基于预设的公式，根据重复执行次数M和所述出错个数，得到各个子信道的误码率；根据各个子信道的误码率，构造蒙特卡罗极化码。
具体地，蒙特卡罗是一种通过实验计算相应事件发生概率的方法，将其应用于极化信道的筛选中，可以获得不同极化子信道的出错概率。假定在水声信道中传输极化码元为随机事件
Figure 28271DEST_PATH_IMAGE001
，则在一次事件中发生SC译码后的极化码与发送端初始序列不同为事件
Figure 679832DEST_PATH_IMAGE002
。当
Figure 193990DEST_PATH_IMAGE002
发生时，则
Figure 58041DEST_PATH_IMAGE003
取值为1，若
Figure 606834DEST_PATH_IMAGE002
未发生，则
Figure 163717DEST_PATH_IMAGE003
取值为0。假定蒙特卡罗实验的总次数为
Figure 165171DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 98492DEST_PATH_IMAGE002
发生的总次数为
Figure 501792DEST_PATH_IMAGE005
，则频数
Figure 963997DEST_PATH_IMAGE005
为一个随机变量，单个子信道的误码率(Bit Error Rate, BER)可表示为：
Figure 452747DEST_PATH_IMAGE006
(1)
依据大数定理，当实验次数足够多时上式成立的概率为1，由上述模型得到的概率
Figure 924180DEST_PATH_IMAGE007
近似为单个极化子信道的误码率。因此，只要已知水声信道的状态信息，通过蒙特卡罗方法即可迭代计算子信道误码率的统计信息。
根据
Figure 181986DEST_PATH_IMAGE008
式，水声OFDM第k个子载波对应的发送信号为：
Figure 80672DEST_PATH_IMAGE009
(2)
其中，
Figure 791139DEST_PATH_IMAGE010
Figure 800683DEST_PATH_IMAGE011
为第k个子载波对应的发送符号，
Figure 178575DEST_PATH_IMAGE012
为第k个子载波频率。设水声信道的冲激响应为：
Figure 248162DEST_PATH_IMAGE013
(3)
其中，
Figure 711504DEST_PATH_IMAGE014
为多径数目，
Figure 256231DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 488629DEST_PATH_IMAGE016
分别表示水声信道第
Figure 994696DEST_PATH_IMAGE017
径对应的幅值和时延。则经过水声信道传播后，接收端接收到的信号为：
Figure 679756DEST_PATH_IMAGE018
(4)
其中，
Figure 296682DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 383587DEST_PATH_IMAGE020
表示第
Figure 794976DEST_PATH_IMAGE017
径接收信号的相位延迟。将(3)式的右边用复数形式表示，得：
Figure 967332DEST_PATH_IMAGE021
(5)
化简为单矢量表达形式：
Figure 122370DEST_PATH_IMAGE022
(6)
其中，
Figure 329360DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 177230DEST_PATH_IMAGE024
分别表示接收信号矢量的模和相位角。浅海水声信道满足广义非相关散射条件，即当多径数
Figure 836882DEST_PATH_IMAGE014
较大时，各多径随机变量
Figure 795610DEST_PATH_IMAGE025
相互独立，
Figure 325949DEST_PATH_IMAGE026
在
Figure 344720DEST_PATH_IMAGE027
均匀分布。根据中心极限定理：变量个数很大时，独立随机变量之和的概率分布收敛于正态分布，因此，
Figure 491668DEST_PATH_IMAGE028
，其中方差值
Figure 254088DEST_PATH_IMAGE029
为接收信号包络的平均功率，
Figure 170091DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 94185DEST_PATH_IMAGE031
的联合概率分布为：
Figure 462849DEST_PATH_IMAGE032
(7)
则接收信号包络分布为：
Figure 763381DEST_PATH_IMAGE033
(8)
由(8)式可见，在不考虑多普勒频移影响下，多径水声信道的包络分布服从瑞利分布，其方差
Figure 799470DEST_PATH_IMAGE029
为接收信号包络的平均功率。对于水声OFDM通信系统方差
Figure 894465DEST_PATH_IMAGE029
与信道状态信息估计值
Figure 16004DEST_PATH_IMAGE034
的关系为：
Figure 854647DEST_PATH_IMAGE035
(9)
其中，
Figure 479664DEST_PATH_IMAGE036
为Polar码码率，
Figure 11139DEST_PATH_IMAGE037
为OFDM子载波集。假设预设的码长N（如8），码率为R，码率包括但不局限于1/4、1/2、3/4，依据码长和码率生成一组长度K=NR的二进制随机序列，将所述二进制随机序列进行极化码编码和信道调制后输入（9）式中的信道状态信息对应的水声信道；此处的极化码为现有技术中的任一种极化码。然后将所述信道状态信息对应的水声信道输出的信号进行信道解调和极化码译码，依据蒙特卡罗法，重复执行基于预设的码长和预设的码率生成二进制随机序列；将所述二进制随机序列进行极化码编码和信道调制后输入所述信道状态信息对应的水声信道；将所述信道状态信息对应的水声信道输出的信号进行信道解调和极化码译码的步骤重复M次，统计极化码译码过程中各个子信道的出错个数V，依据公式（1）可以计算出各极化子信道的误码率BER，根据各个子信道的误码率，构造蒙特卡罗极化码。相应的，所述根据各个子信道的误码率，构造蒙特卡罗极化码包括如下步骤：将各个子信道的误码率按照从小到大进行排序；将排序靠前的K个误码率对应的子信道作为信息位集合；将信息位集合作为蒙特卡罗极化码的构造结果。也就是说，蒙特卡罗法构造Polar通过迭代累积子信道BER值，并从中选出BER值相对较小的信道作为信息传输信道。
具体地，将各个子信道的误码率按照从小到大进行排序，将排序靠前的K个误码率对应的子信道作为信息位集合，其余子信道选取为传输冻结位集合。蒙特卡罗法构造Polar码过程符合大数定律，即运算次数越多，各子信道BER估计值越趋近于真实值，所构造Polar码的性能也接近理想Polar码的性能。假设循环
Figure 351466DEST_PATH_IMAGE038
次时构造出的Polar码为理想的Polar码，记理想Polar码的信息位集合为Aref，循环M次运算所构造Polar码的信息位集合为A，则d = crad(Aref) - crad(Aref∩A)表示集合A与集合Aref之间不同元素的个数，其中crad(X)表示取集合X中元素个数。将信息位集合作为蒙特卡罗极化码的构造结果，也即将信息位集合作为信息传输信道。
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 259379DEST_PATH_IMAGE039
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 738902DEST_PATH_IMAGE040
后，仅采用
Figure 441279DEST_PATH_IMAGE041
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 271832DEST_PATH_IMAGE042
(10)
其中，
Figure 717857DEST_PATH_IMAGE043
表示第
Figure 317465DEST_PATH_IMAGE039
帧接收信号中的第
Figure 190743DEST_PATH_IMAGE044
组OFDM序列，
Figure 243013DEST_PATH_IMAGE045
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 227149DEST_PATH_IMAGE046
和第一信道传递函数
Figure 946844DEST_PATH_IMAGE040
输入混合估计模块用于第
Figure 991023DEST_PATH_IMAGE047
组OFDM序列的信道估计，对第一信道传递函数
Figure 796168DEST_PATH_IMAGE040
和第二信道传递函数
Figure 318416DEST_PATH_IMAGE048
进行加权平均，定义加权系数
Figure 892617DEST_PATH_IMAGE049
，则混合信道估计（也即混合信道传递函数）的输出为：
Figure 107698DEST_PATH_IMAGE050
(11)
在一种实现方式中，将初始序列进行蒙特卡罗极化码编码和调制处理之后包括如下步骤：将进行蒙特卡罗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，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为水声OFDM通信系统的常规处理方式，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、解调和蒙特卡罗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、解调和蒙特卡罗极化码译码，得到译码序列。上述处理过程为现有技术，在此不再赘述。
图5为子信道BER随循环次数的变化图；图6为出错位d随循环次数的变换示意图，图7为码长512时，蒙特卡罗构造法的归一化判决因子分布图；图中点为蒙特卡罗构造方法的判决因子，即BER的分布情况。由图可知，该构造方法的判决因子均呈现一定的极化特征，BER分布极化特征明显。图8为码长2048时，蒙特卡罗构造法的归一化判决因子分布图，从图中可以看出不同码长的判决因子具有近似的分布情况，同时码长更长的信道极化特征更明显。由图6-8可知，当
Figure 134560DEST_PATH_IMAGE051
小于
Figure 726078DEST_PATH_IMAGE052
时，各子信道的BER变化剧烈，当
Figure 889206DEST_PATH_IMAGE051
在
Figure 275188DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 54925DEST_PATH_IMAGE053
之间时，各子信道的BER小幅变化，而当
Figure 387818DEST_PATH_IMAGE051
大于
Figure 671031DEST_PATH_IMAGE053
时，各子信道BER值趋于稳定。用蒙特卡罗法构造Polar码时，计算量和运算时间随循环次数的增大而线性增加，实际应用时，应综合性能和运算时间选择合适的循环次数，综合考虑图6-7的统计信息和图6-8的BER曲线，后续在不同浅海水声信道中构造Polar码时，循环次数
Figure 493494DEST_PATH_IMAGE051
取值为
Figure 494948DEST_PATH_IMAGE054
。
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9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蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的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9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：
采用蒙特卡罗法构造的极化码对初始序列进行编码，得到编码信号包括：
基于导频信号进行信道估计，得到信道状态信息；
基于所述信道状态信息和蒙特卡罗法，构造蒙特卡罗极化码；
采用蒙特卡罗极化码对初始序列进行编码，得到编码序列。
所述基于所述信道状态信息和蒙特卡罗法，构造蒙特卡罗极化码包括：
基于预设的码长和预设的码率生成二进制随机序列；
将所述二进制随机序列进行极化码编码和信道调制后输入所述信道状态信息对应的水声信道；
将所述信道状态信息对应的水声信道输出的信号进行信道解调和极化码译码；
重复执行基于预设的码长和预设的码率生成二进制随机序列的步骤M次，统计极化码译码过程中各个子信道的出错个数；
基于预设的公式，根据重复执行次数M和所述出错个数，得到各个子信道的误码率；
根据各个子信道的误码率，构造蒙特卡罗极化码。
所述根据各个子信道的误码率，构造蒙特卡罗极化码包括：
将各个子信道的误码率按照从小到大进行排序；
将排序靠前的K个误码率对应的子信道作为信息位集合；
将信息位集合作为蒙特卡罗极化码的构造结果。
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。
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码重编码和信道调制，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。
将初始序列进行蒙特卡罗极化码编码和调制处理之后包括：
将进行蒙特卡罗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。
将包含噪声的声波进行模数转换、混合信道估计、均衡、解调和蒙特卡罗极化码译码包括：
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、解调和蒙特卡罗极化码译码，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蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统，所述系统包括：发射端装置，用于将初始序列进行蒙特卡罗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，所述蒙特卡罗极化码基于蒙特卡罗法和信道状态信息构造；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、解调和蒙特卡罗极化码译码，得到译码序列；其中，所述接收端装置中的蒙特卡罗极化码译码器与混合信道估计模块、均衡器级联。本发明实施例在发射端装置采用蒙特卡罗法和信道估计构造极化码，可以在不同浅海水声信道中构造采用蒙特卡罗极化码构造结果进行极化码译码，在接收端装置采用混合信道估计，提高信道估计准确性，将混合信道估计模块、均衡器与蒙特卡罗极化码译码器级联，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蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的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 (13)

1.一种基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统，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蒙特卡罗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，所述蒙特卡罗极化码基于信道估计结果进行蒙特卡罗构造；
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、解调和蒙特卡罗极化码译码，得到译码序列；其中，所述接收端装置中的蒙特卡罗极化码译码器与混合信道估计模块、均衡器级联。
2.根据权利要求1所述的基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统，其特征在于，所述发射端装置包括：
蒙特卡罗极化码编码器，用于采用蒙特卡罗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。
3.根据权利要求1所述的基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统，其特征在于，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QPSK解调后的信号进行OFDM解调；
信道解调器，用于对信道均衡器输出的信号进行QPSK解调；
蒙特卡罗极化码译码器，用于对OFDM解调器输出的信号进行译码；
极化码编码器，用于将所述蒙特卡罗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。
4.根据权利要求3所述的基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统，其特征在于，所述蒙特卡罗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。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统的信号处理方法，其特征在于，采用蒙特卡罗法构造的极化码对初始序列进行编码，得到编码信号包括：
基于导频信号进行信道估计，得到信道状态信息；
基于所述信道状态信息和蒙特卡罗法，构造蒙特卡罗极化码；
采用蒙特卡罗极化码对初始序列进行编码，得到编码信号。
6.根据权利要求5所述的基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统的信号处理方法，其特征在于，所述基于所述信道状态信息和蒙特卡罗法，构造蒙特卡罗极化码包括：
基于预设的码长和预设的码率生成二进制随机序列；
将所述二进制随机序列进行极化码编码和信道调制后输入所述信道状态信息对应的水声信道；
将所述信道状态信息对应的水声信道输出的信号进行信道解调和极化码译码；
重复执行基于预设的码长和预设的码率生成二进制随机序列的步骤M次，统计极化码译码过程中各个子信道的出错个数；
基于预设的公式，根据重复执行次数M和所述出错个数，得到各个子信道的误码率；
根据各个子信道的误码率，构造蒙特卡罗极化码。
7.根据权利要求6所述的基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统的信号处理方法，其特征在于，所述根据各个子信道的误码率，构造蒙特卡罗极化码包括：
将各个子信道的误码率按照从小到大进行排序；
将排序靠前的K个误码率对应的子信道作为信息位集合；
将信息位集合作为蒙特卡罗极化码的构造结果。
8.根据权利要求5所述的基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统的信号处理方法，其特征在于，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。
9.根据权利要求8所述的基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的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码重编码和信道调制，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。
10.根据权利要求5所述的基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的水声通信系统的信号处理方法，其特征在于，将初始序列进行蒙特卡罗极化码编码和调制处理之后包括：
将进行蒙特卡罗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。
11.根据权利要求5所述的基于蒙特卡罗极化码的译码级联迭代的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、解调和蒙特卡罗极化码译码包括：
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、解调和蒙特卡罗极化码译码，得到译码序列。
12.一种智能终端，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5-11中任意一项所述的方法。
13.一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5-11中任意一项所述的方法。
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