CN115514425A

CN115514425A - 基于ofdm的自适应多制式水声通信方法及装置

Info

Publication number: CN115514425A
Application number: CN202211427297.0A
Authority: CN
Inventors: 徐立军
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2022-11-15
Filing date: 2022-11-15
Publication date: 2022-12-23
Anticipated expiration: 2042-11-15
Also published as: CN115514425B

Abstract

本发明提出一种基于OFDM的自适应多制式水声通信方法及装置，其中方法包括，获取传输数据；通过发射机向接收机发送传输请求命令，获取允许传输的接收信号；通过接收信号的同步序列进行信道感知，确定调制方式和传输帧数；通过发射机根据调制方式和传输帧数将传输数据传输至接收机；通过接收机对传输数据进行CRC校验处理，对传输数据中校验错误的帧进行标记，并计算误帧率；根据误帧率调整调制方式，通过发射机按照调整后的调制方式对校验错误的帧进行回传。通过本发明提出的基于OFDM的自适应多制式水声通信方法，实现了快速有效的自适应多制式通信。

Description

基于OFDM的自适应多制式水声通信方法及装置

技术领域

本发明属于水声通信领域。

背景技术

水声通信已成为军民领域水下信息获取与传输的关键技术。水声信道特别是浅海信道恶劣条件表现在信道的复杂性、随机多变性和有限带宽，海水边界、海洋动力因素、时空变化和噪声都会对信号的传输产生一定的影响。因此，单一通信体制往往不足以应对不同水文环境、不同时刻的信道衰落状况，很难满足高质量的通信要求。自适应调制是指通过改变发射端的星座图映射方式、调制方式、编码方案、码率等，来提高通信系统吞吐量的一种技术，它能够根据信道状态来快速切换调制方案，使得系统能够满足多种复杂信道下的通信要求，具有非常高的应用价值，迅速成为水声通信研究的重点。

现有的多制式水声通信机多采用直接序列扩频（DSSS）、正交相位键控（QPSK）、多进制频移键控（MFSK）等传统调制方式，频谱利用率低，抗多径能力差。正交频分复用（OFDM）是一种新兴的多载波调制技术，所有子载波之间相互重叠，通过波形正交消除不同载波之间的相互干扰，具有抗多途能力强、频谱利用率高的优点，能够有效解决水声信道多径复杂、带宽受限的问题，近些年在水声通信领域获得广泛的应用与发展。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于OFDM的自适应多制式水声通信方法，用于实现快速有效的自适应多制式通信。

为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于OFDM的自适应多制式水声通信方法，包括：

获取传输数据；通过发射机向接收机发送传输请求命令，获取允许传输的接收信号；

通过所述接收信号的同步序列进行信道感知，确定调制方式和传输帧数；通过所述发射机根据所述调制方式和所述传输帧数将所述传输数据传输至所述接收机；

通过所述接收机对所述传输数据进行CRC校验处理，对所述传输数据中校验错误的帧进行标记，并计算误帧率；

根据所述误帧率调整调制方式，通过所述发射机按照调整后的调制方式对所述校验错误的帧进行回传。

另外，根据本发明上述实施例的一种基于OFDM的自适应多制式水声通信方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通过发射机向接收机发送传输请求命令，获取允许传输的接收信号，还包括：

若所述接收机可以进行数据的接收，则对发射机进行回复，允许进行数据的传输。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述调制方式包括：OFDM-FH、OFDM-4FSK、OFDM-BPSK和OFDM-QPSK。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通过所述接收信号的同步序列进行信道感知，确定调制方式和传输帧数，包括：

通过所述接收信号中的同步序列进行信道参数估计，并根据所述信道参数的估计结果进行自适应调制；

其中，所述同步序列包括双曲调频HFM序列，所述信道参数包括：信噪比、相关系数、多普勒速度和时延。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述信道参数的估计结果进行自适应调制，包括：

根据所述信噪比和所述相关系数估计结果，选择通信方式；

根据所述多普勒速度估计结果，确定子载波数目；

根据所述时延的估计结果，确定保护间隔长度。

为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种基于OFDM的自适应多制式水声通信装置，包括以下模块：

请求模块，用于获取传输数据；通过发射机向接收机发送传输请求命令，获取允许传输的接收信号；

发送模块，用于通过所述接收信号的同步序列进行信道感知，确定调制方式和传输帧数；通过所述发射机根据所述调制方式和所述传输帧数将所述传输数据传输至所述接收机；

校验模块，用于通过所述接收机对所述传输数据进行CRC校验处理，对所述传输数据中校验错误的帧进行标记，并计算误帧率；

回传模块，用于根据所述误帧率调整调制方式，通过所述发射机按照调整后的调制方式对所述校验错误的帧进行一次回传。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述发送模块，还用于：

根据所述信噪比和所述相关系数估计结果，选择通信方式；

根据所述多普勒速度估计结果，确定子载波数目；

根据所述时延的估计结果，确定保护间隔长度。

为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述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，实现如上所述的一种基于OFDM的自适应多制式水声通信方法。

为达上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的一种基于OFDM的自适应多制式水声通信方法。

本发明实施例提出的基于OFDM的自适应多制式水声通信方法，充分发掘OFDM的技术优势，将OFDM与跳频（FH）、频移键控（FSK）、相位键控（PSK）相结合，设计四种（OFDM-FH、OFDM-4FSK、OFDM-BPSK、OFDM-QPSK）不同速率和性能的通信制式，并提出基于信道感知的自适应调制方法，自动选择通信制式、OFDM子载波数据和保护间隔长度，满足复杂水声信道环境下的通信需求。针对数据传输过程中可能出现的误码情况，引入回传机制，并提出基于传输反馈的自适应调制技术，根据传输情况，重新调整回传方式，进一步提升信息传输的可靠性和有效性。最后设计该自适应多制式水声通信系统的工作流程和协议，尽量降低握手次数与协议开销，实现快速有效的自适应多制式通信。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例所提供的一种基于OFDM的自适应多制式水声通信方法流程示意图。

图2为本发明实施例所提供的一种基于OFDM的水声通信处理流程图示意图。

图3为本发明实施例所提供的一种OFDM-4FSK的调制示意图示意图。

图4为本发明实施例所提供的一种自适应调制工作流程示意图。

图5为本发明实施例所提供的一种基于OFDM的自适应多制式水声通信方法装置示意图。

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。

下面参考附图描述本发明实施例的基于OFDM的自适应多制式水声通信方法。

图1为本发明实施例所提供的一种基于OFDM的自适应多制式水声通信方法的流程示意图。

本发明提出一种基于OFDM的自适应多制式水声通信系统及方法，包括多制式通信方案、信道感知自适应调制、传输反馈自适应调制和系统工作流程四个关键部分。

如图1所示，该基于OFDM的自适应多制式水声通信方法包括以下步骤：

S101：获取传输数据；通过发射机向接收机发送传输请求命令，获取允许传输的接收信号；

本发明采用基于OFDM的多制式水声通信方式，通信处理流程图如图2所示。根据映射方式不同，实现不同的通信体制。本系统共设计四种制式，分别是OFDM-FH、OFDM-4FSK、OFDM-BPSK和OFDM-QPSK。

OFDM-FH。FH是一种通过伪随机序列控制信号载频的扩频技术，收发双方按照事先约定好的跳频图案，同步进行跳变。OFDM-FH将

和

两个频点在所有子载波上随机跳变，接收端根据跳频图案和频点能量对比，判断比特为0或1。OFDM-FH采用四分之一码率的卷积编码，具有很好的抗干扰、抗噪声、抗多径和多普勒特性，能够在非常复杂的水声信道环境下实现超远距离传输。但通信速率非常低，每秒只能传输十几到几十个比特信息。

OFDM-4FSK。如图3所示，FSK是一种通过不同的频率代表多种数字信息的调制方式，接收端通过判断信号频率得到比特信息。OFDM-4FSK将所有子载波按照相邻四个为一组进行分割，然后在每个子带进行4FSK映射，接收端对各个子带能量进行检测，输出符号软信息。下图为OFDM-4FSK的调制示意图。OFDM-4FSK采用四分之一码率的卷积编码，传输性能稳定，通信速率约为300bps，接收端实现无误码传输所需信噪比约为0~3dB。

OFDM-BPSK。PSK是一种通过不同的相位代表多种数字信息的调制方式。OFDM-BPSK在所有子载波位置进行BPSK映射，每个子载波传输一个比特信息，接收端通过信道估计与均衡后，恢复相位信息，得到比特数据。OFDM-BPSK采用二分之一码率的卷积码，通信速率约为1kbps，近距离高速率的通信系统中具有很高的应用价值。与前两种通信方式相比，OFDM-BPSK稳健性较差，对信道环境具有一定的要求。

OFDM-QPSK。OFDM-QPSK通信与OFDM-BPSK通信处理流程基本一致，只是映射方式不同， QPSK映射为一个符号对应两个比特，而BPSK映射为一个符号对应一个比特，因此OFDM-QPSK传输速率更高，能够实现2kbps的传输速率，但传输性能也更差，只能在信道环境很好的情况下使用。

基于上述讨论，四种调制方式的传输性能为：OFDM-FH>OFDM-4FSK>OFDM-BPSK>OFDM-QPSK，而传输速率则刚好相反。

S102：通过接收信号的同步序列进行信道感知，确定调制方式和传输帧数；通过发射机根据调制方式和传输帧数将传输数据传输至接收机；

水声信道具有可逆性，发射机可以利用接收信号波形实现信道感知。本发明选择双曲调频（HFM）序列作为同步序列，将信噪比、相关系数、多普勒速度和时延作为信道特征参数，利用接收信号中的HFM序列实现信道参数估计，并根据参数估计结果实现自适应调制。

根据所述信噪比和所述相关系数估计结果，选择通信方式；

根据所述多普勒速度估计结果，确定子载波数目；

根据所述时延的估计结果，确定保护间隔长度。

自适应调制分为三步：一是根据信噪比和相关系数估计结果，选择通信方式。根据四种通信方式的特点以及在不同信道参数下的传输性能，建立通信方式选择表。信噪比和相关系数计算完毕后，通过查表的方式进行自动选择。如表1所示。

二是根据多普勒速度估计结果，确定子载波数目。总带宽固定的情况下，子载波数目越多，子载波带宽越小，OFDM符号越长，抗多普勒性能越差，抗多径性能却越好。表2为子载波数目选择表。根据多普勒速度估计结果，查表确定OFDM子载波数目。

三是根据时延估计结果，确定保护间隔长度。OFDM通过增加保护间隔，能够有效避免相邻符号间的相互干扰，保护间隔范围为T/4<=T_g<=T,其中T为OFDM符号长度。将时延估计结果加2ms作为保护间隔长度，超出范围则取边界。

S103：通过接收机对传输数据进行CRC校验处理，对传输数据中校验错误的帧进行标记，并计算误帧率；

传输过程中，接收机通过CRC校验结果判断该帧数据传输是否正确，并对传输错误的数据帧进行标记，等到所有帧传输完毕后，通知发射机对错误数据帧进行一次重传。在误帧率很高的情况下，采用原本的调制方式进行重传，仍然会出现很高的误码率，无法有效提升传输性能。因此，本系统采用基于传输反馈的自适应调制技术，根据数据传输的误帧率，重新调整通信方案，保证回传的有效性。

将OFDM-FH、OFDM-4FSK、OFDM-BPSK通信和OFDM-QPSK通信四种调制方式分别设置为1、2、3、4号，确定基于传输反馈的自适应调制实施方案。用i表示数据传输时采用的调制方式编号，表3为误帧率与回传时调制方式之间的对应关系。

接收机计算出误帧率后，根据上表重新调整调制方式，并将调整后的方案和错误帧编号发送给发射机，发射机按照新的调制方式对错误帧进行一次重传。

S104：根据误帧率调整调制方式，通过发射机按照调整后的调制方式对校验错误的帧进行回传。

本发明的方法具备OFDM-FH、OFDM-4FSK、OFDM-BPSK、OFDM-QPSK四种通信方式，首先采用基于信道感知的自适应调制技术，确定数据传输方式，实现数据传输。然后利用基于传输反馈的自适应调制技术，调整数据回传方式，对错误帧进行一次回传。

图4为一次水声通信数据传输的工作流程。

分别对工作流程中的各个步骤介绍如下：

1）当发射机出现待发送的数据时，发射机会停止休眠状态，并对接收机进行唤醒，向其发送传输请求命令；

2）接收机被唤醒并收到传输请求命令后，若可以进行数据的接收，则对发射机进行回复，允许进行数据的传输；

3）发射机收到传输允许后，首先利用回复帧中的同步序列进行信道感知，由此确定合适的调制方式，然后根据数据量和调制方式确定传输帧数，最后将上述信息通知接收机；

4）接收机收到信息后，若校验无误，则回复ACK给发射机，并开始准备数据的接收；

5）发射机收到ACK后，按照步骤3）中确定的调制方式进行数据传输，直到数据发送完毕；

6）接收机接收数据，并进行解调、译码、CRC校验等一系列处理。对校验错误的帧进行标记，待所有数据帧接收完毕后，计算误帧率，并根据误帧率重新调整调制方式。将调整后的调制方式和错误帧编号通知发射机；

7）发射机收到信息后，按照新的调整方式，对传输错误的帧进行一次回传；

8）接收机对回传数据进行接收和处理，传输结束。

本发明提出一种基于OFDM的自适应多制式水声通信方法，将OFDM技术与FH、FSK、PSK调制相结合，实现OFDM-FH、OFDM-4FSK、OFDM-BPSK、OFDM-QPSK四种水声通信算法，提高系统在复杂多途信道下的传输性能。引入回传机制确保信息传递的准确性，提出基于信道感知和传输反馈的双重自适应调制方案，根据信道感知状况和传输反馈结果自适应调整数据传输和回传的调制方案，并能够根据多普勒和时延，灵活调整OFDM的子载波数目和保护间隔长度，优化抗多普勒和抗多途能力。该自适应多制式水声通信系统及方法能够兼顾数据传输的有效性和可靠性，满足多种环境下的水声通信需求，具有很好的应用价值。

为了实现上述实施例，本发明还提出基于OFDM的自适应多制式水声通信装置。

图5为本发明实施例提供的一种基于OFDM的自适应多制式水声通信装置的结构示意图。

如图5所示，该基于OFDM的自适应多制式水声通信装置包括：请求模块100，发送模块200，校验模块300,回传模块400,其中，

根据所述信噪比和所述相关系数估计结果，选择通信方式；

根据所述多普勒速度估计结果，确定子载波数目；

根据所述时延的估计结果，确定保护间隔长度。

为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述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，实现如上所述的基于OFDM的自适应多制式水声通信方法。

为达上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于OFDM的自适应多制式水声通信方法。

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。

此外，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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

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

1.一种基于OFDM的自适应多制式水声通信方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过发射机向接收机发送传输请求命令，获取允许传输的接收信号，还包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调制方式包括：OFDM-FH、OFDM-4FSK、OFDM-BPSK和OFDM-QPSK。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述接收信号的同步序列进行信道感知，确定调制方式和传输帧数，包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述信道参数的估计结果进行自适应调制，包括：

根据所述信噪比和所述相关系数估计结果，选择通信方式；

根据所述多普勒速度估计结果，确定子载波数目；

根据所述时延的估计结果，确定保护间隔长度。

6.一种基于OFDM的自适应多制式水声通信装置，其特征在于，包括以下模块：

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述发送模块，还用于：

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述发送模块，还用于：

根据所述信噪比和所述相关系数估计结果，选择通信方式；

根据所述多普勒速度估计结果，确定子载波数目；

根据所述时延的估计结果，确定保护间隔长度。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述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，实现如权利要求1-5中任一所述的基于OFDM的自适应多制式水声通信方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任意一项所述的基于OFDM的自适应多制式水声通信方法。