CN116055272B - 面向水声通信的差分混沌比特交织编码系统短码设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向水声通信的差分混沌比特交织编码系统短码设计方法，涉及信道编码技术领域。步骤为：随机生成P个基矩阵；在特定信噪比环境下建立面向水声通信的差分混沌比特交织编码调制系统；以基矩阵作为码型设计优化个体，建立种群，采用PEG算法生成基矩阵对应的奇偶检验矩阵，将奇偶检验矩阵输入到调制系统中，获取每个奇偶检验矩阵在特定信噪比下的误比特率；对个体进行交叉和变异操作，并根据个体前后代误比特率比较情况决定是否进行个体的更新，种群中的个体迭代到预设次数，获取最终的优化结果。本发明针对混沌编码调制系统在水声通信信道下进行码型设计，设计的短码有效提高了混沌编码调制技术在水声通信下传输的可靠性。

Description

面向水声通信的差分混沌比特交织编码系统短码设计方法
技术领域
本发明涉及信道编码技术领域，更具体的说是涉及一种面向水声通信的差分混沌比特交织编码系统短码设计方法。
背景技术
水声传感器网络（underwater acoustic sensor networks，UASN）作为水下物联网（underwater Internet of Things，UIoT）的重要组成部分，能够有效的支撑海洋科学的研究。在USAN中，水声（underwateracoustic，UWA）通信技术在信息传输汇总发挥了重要的作用。然而，当前UWA通信技术面临着吞吐量低、可靠性低以及功率消耗高等问题。这些问题归结于水声信道的复杂性，具体包括了多径时延、多径衰落以及各种时变损失。近年来，差分混沌位移键控（differential chaotic shift keying, DCSK）调制技术在水声通信领域展现了巨大的潜力，然而将DCSK调制技术应用于水声通信的编码上还鲜有研究，因此，对本领域技术人员来说，如何有效提高DCSK调制技术在水声通信下传输的可靠性是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种面向水声通信的差分混沌比特交织编码系统短码设计方法，能够有效提高DCSK调制技术在水声通信下传输的可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种面向水声通信的差分混沌比特交织编码系统短码设计方法，具体步骤包括如下：
S1、根据相关参数随机生成P个基矩阵；
S2、在特定信噪比的测试环境下建立面向水声通信的差分混沌比特交织编码调制系统；
S3、以所述基矩阵作为码型设计优化过程中的个体，建立种群，所述种群的总数为P，采用PEG算法对P个基矩阵生成对应的奇偶检验矩阵，将P个所述奇偶检验矩阵输入到所述差分混沌比特交织编码调制系统中，获取每个所述奇偶检验矩阵在特定信噪比下的误比特率；
S4、利用码型搜索算法对所述个体进行交叉和变异操作，同时根据所述误比特率决定是否进行所述个体的更新，当种群中的个体迭代到预设次数，获取最终的优化结果，实现所述差分混沌比特交织编码调制系统在水声通信的短码码型优化。
可选的，步骤S1中的相关参数包括原模图基矩阵基本参数以及关键参数、码型搜索过程的参数。
可选的，所述原模图基矩阵基本参数包括尺寸大小、码率、删余位置；所述关键参数包括度为1和2的变量节点的数量；所述码型搜索过程的参数包括个体总数、交叉概率、变异概率。
可选的，S2具体包括以下步骤：
S21、确定水声信道环境，所述水声信道环境为：水声信道采用24径信道模型，每径服从瑞利衰落分布，同时指数衰减功率时延分布为每径1.66dB；
S22、建立在所述水声信道环境下的特定信噪比的差分混沌键控编码调制系统。
可选的，利用码型搜索算法对所述个体进行变异操作的过程为：
Figure SMS_1
，
其中，
Figure SMS_2
表示第g次迭代过程第p个个体的变异体，/>
Figure SMS_3
表示第g次迭代过程第r个个体，/>
Figure SMS_4
表示变异概率，/>
Figure SMS_5
表示向上取整函数，r 1、r 2和r 3随机取自1-P的任意正整数，P表示种群个体的总数。
可选的，利用码型搜索算法对所述个体进行交叉操作的过程为：
Figure SMS_6
；
其中，
Figure SMS_7
表示第g次迭代过程第p个个体的交叉体，/>
Figure SMS_8
表示第g次迭代过程第p个个体，/>
Figure SMS_9
表示交叉概率。
可选的，在S4中确定是否进行所述个体的更新的过程为：
S41、若当前迭代个体经过所述差分混沌比特交织编码调制系统所获得的BER水平低于上一代的BER水平，则当前个体保持不变，留待下一个迭代，否则，利用交叉操作后的个体对当前个体进行更新，即若
Figure SMS_10
，那么/>
Figure SMS_11
，否则，
Figure SMS_12
；其中，/>
Figure SMS_13
表示第g次迭代过程第p个个体在差分混沌键控编码调制系统特定信噪比下的BER值，/>
Figure SMS_14
表示第g-1次迭代过程第p个个体在差分混沌键控编码调制系统特定信噪比下的BER值，/>
Figure SMS_15
表示第g+1次迭代过程第p个个体；
S42、迭代终结判定：迭代次数达到限定的最大迭代次数，则停止迭代；
S43、输出最优个体：选取种群中BER值最低的个体作为当前迭代的最优个体。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种面向水声通信的差分混沌比特交织编码系统短码设计方法，具有以下有益的技术效果：针对混沌调制系统在水声通信信道下进行码型设计，设计的原模图低密度奇偶校验（Protograph low-density parity-check，P-LDPC）码短码能够有效提高DCSK调制技术在水声通信下传输的可靠性。
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的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的BER性能比较图；
图3为本发明的平均收敛迭代次数比较图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种面向水声通信的差分混沌比特交织编码系统短码设计方法，如图1所示，具体步骤包括如下：
S1、根据相关参数随机生成P个基矩阵；
S2、在特定信噪比的测试环境下建立面向水声通信的差分混沌比特交织编码调制系统；
S3、以基矩阵作为码型设计优化过程中的个体，建立种群，种群的总数为P，采用PEG算法对P个基矩阵生成对应的奇偶检验矩阵，将P个奇偶检验矩阵输入到差分混沌比特交织编码调制系统中，获取每个奇偶检验矩阵在特定信噪比下的误比特率；
S4、利用码型搜索算法对个体进行交叉和变异操作，同时根据误比特率决定是否进行个体的更新，当种群中的个体迭代到预设次数，获取最终的优化结果，实现差分混沌比特交织编码调制系统在水声通信的短码码型优化。
进一步的，S1中的相关参数包括原模图基矩阵基本参数以及关键参数、码型搜索过程的参数。原模图基矩阵基本参数包括尺寸大小、码率、删余位置；关键参数包括度为1和2的变量节点的数量；码型搜索过程的参数包括个体总数、交叉概率、变异概率；根据以上确定的相关参数随机生成P个基矩阵。
进一步的，S2具体包括以下步骤：
S21、确定水声信道环境，水声信道环境为：水声信道采用24径信道模型，每径服从瑞利衰落分布，同时指数衰减功率时延分布为每径1.66dB；
S22、建立在S21水声信道环境下的特定信噪比的差分混沌键控编码调制系统。
进一步的，S3具体为：
S31、利用PEG算法生成种群相对应的奇偶校验矩阵群；
S32、将S31生成的奇偶校验矩阵群输入S2的测试系统下，测试种群中每个奇偶校验矩阵在特定信噪比下的BER性能，并将该结果储存起来。
进一步的，S4具体为：
S41、利用码型搜索算法对个体进行变异操作的过程为：
Figure SMS_16
，
其中，
Figure SMS_17
表示第g次迭代过程第p个个体的变异体，/>
Figure SMS_18
表示第g次迭代过程第r个个体，/>
Figure SMS_19
表示变异概率，/>
Figure SMS_20
表示向上取整函数，r 1、r 2和r 3随机取自1-P的任意正整数，P表示种群个体的总数。
利用码型搜索算法对个体进行交叉操作的过程为：
Figure SMS_21
；
其中，
Figure SMS_22
表示第g次迭代过程第p个个体的交叉体，/>
Figure SMS_23
表示第g次迭代过程第p个个体，/>
Figure SMS_24
表示交叉概率。
S42、确定是否更新当前个体：若当前迭代个体经过所述差分混沌比特交织编码调制系统所获得的BER水平低于上一代的BER水平，则当前个体保持不变，留待下一个迭代，否则，利用交叉操作后的个体对当前个体进行更新，即若
Figure SMS_25
，那么
Figure SMS_26
，否则，/>
Figure SMS_27
；其中，/>
Figure SMS_28
表示第g次迭代过程第p个个体在差分混沌键控编码调制系统特定信噪比下的BER值，/>
Figure SMS_29
表示第g-1次迭代过程第p个个体在差分混沌键控编码调制系统特定信噪比下的BER值，/>
Figure SMS_30
表示第g+1次迭代过程第p个个体；
S42、迭代终结判定：迭代次数达到限定的最大迭代次数，则停止迭代；
S43、输出最优个体：选取种群中BER值最低的个体作为当前迭代的最优个体，即
Figure SMS_31
，其中，/>
Figure SMS_32
表示BER值最低的个体对应的编号，将/>
Figure SMS_33
作为整个设计过程的最优个体。
更进一步的，利用具体数据证明本发明设计出来的码型的有益效果。
表1
Figure SMS_34
利用表1中的基矩阵参数和码型搜索算法参数，利用本发明设计出的码型为：
Figure SMS_35
在水声信道环境下进行码长为500比特的码型测试。水声信道采用24径信道模型，每径服从瑞利衰落分布，同时指数衰减功率时延分布为每径1.66 dB。差分混沌编码调制系统的扩频因子为256，最大迭代次数设置为50，归一化多普勒频率
Figure SMS_36
为/>
Figure SMS_37
。优化的码型与现有应用于差分混沌编码调制系统的码型的误码率性能（Bit Error Rate，BER）比较和平均收敛迭代次数比较分别如图2、图3所示。
如图2所示，所设计的码型
Figure SMS_39
在BER水平为/>
Figure SMS_43
时，与/>
Figure SMS_47
和/>
Figure SMS_41
相比，能够分别取得0.6 dB和0.9 dB增益，/>
Figure SMS_44
和/>
Figure SMS_46
分别表示现有技术中的基矩阵；在BER水平为/>
Figure SMS_49
时，与/>
Figure SMS_38
相比，/>
Figure SMS_42
能够取得1.53 dB增益。如图3所示，在信噪比为16.5dB时，与/>
Figure SMS_45
和/>
Figure SMS_48
相比，/>
Figure SMS_40
能够减少大约40.9%和69.5%的平均收敛迭代次数。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种面向水声通信的差分混沌比特交织编码调制系统短码设计方法，其特征在于，具体步骤包括如下：
S1、根据原模图基矩阵基本参数以及关键参数、码型搜索过程的参数随机生成P个基矩阵；
S2、在特定信噪比的测试环境下建立面向水声通信的差分混沌比特交织编码调制系统；
S3、以所述基矩阵作为码型设计优化过程中的个体，建立种群，所述种群的总数为P，采用PEG算法对P个基矩阵生成对应的奇偶检验矩阵，将P个所述奇偶检验矩阵输入到所述差分混沌比特交织编码调制系统中，获取每个所述奇偶检验矩阵在特定信噪比下的误比特率；
S4、利用码型搜索算法对所述个体进行交叉和变异操作，同时根据所述误比特率决定是否进行所述个体的更新，当种群中的个体迭代到预设次数，获取最终的优化结果，实现所述差分混沌比特交织编码调制系统在水声通信的短码码型优化；
利用码型搜索算法对所述个体进行变异操作的过程为：
M(g)[p]＝round(B(g)[r1]+pm(B(g)[r2]-B(g)[r3]))，
其中，M(g)[p]表示第g次迭代过程第p个个体的变异体，B(g)[r]表示第g次迭代过程第r个个体，pm表示变异概率，round(·)表示向上取整函数，r1、r2和r3随机取自1-P的任意正整数，P表示种群个体的总数；
利用码型搜索算法对所述个体进行交叉操作的过程为：
Figure FDA0004238585380000011
其中，D(g)[p]表示第g次迭代过程第p个个体的交叉体，B(g)[p]表示第g次迭代过程第p个个体，pc表示交叉概率；
在S4中确定是否进行所述个体的更新的过程为：
S41、若当前迭代个体经过所述差分混沌比特交织编码调制系统所获得的BER水平低于上一代的BER水平，则当前个体保持不变，留待下一个迭代，否则，利用交叉操作后的个体对当前个体进行更新，即若
Figure FDA0004238585380000021
那么B(g+1)[p]＝B(g)[p]，否则，
B(g+1)[p]＝D(g)[p]；其中，
Figure FDA0004238585380000022
表示第g次迭代过程第p个个体在差分混沌比特交织编码调制系统特定信噪比下的BER值，/>
Figure FDA0004238585380000023
表示第g-1次迭代过程第p个个体在差分混沌比特交织编码调制系统特定信噪比下的BER值，B(g+1)[p]表示第g+1次迭代过程第p个个体；
S42、迭代终结判定：迭代次数达到限定的最大迭代次数，则停止迭代；
S43、输出最优个体：选取种群中BER值最低的个体作为当前迭代的最优个体。
2.根据权利要求1所述的一种面向水声通信的差分混沌比特交织编码调制系统短码设计方法，其特征在于，所述原模图基矩阵基本参数包括尺寸大小、码率、删余位置；所述关键参数包括度为1和2的变量节点的数量；所述码型搜索过程的参数包括个体总数、交叉概率、变异概率。
3.根据权利要求1所述的一种面向水声通信的差分混沌比特交织编码调制系统短码设计方法，其特征在于，S2具体包括以下步骤：
S21、确定水声信道环境，所述水声信道环境为：水声信道采用24径信道模型，每径服从瑞利衰落分布，同时指数衰减功率时延分布为每径1.66dB；
S22、建立在所述水声信道环境下的特定信噪比的差分混沌比特交织编码调制系统。
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