CN116248206B - 一种水声通信信道质量量化分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水声通信信道质量量化分析方法及系统，所述方法包括：获取水声信道响应；根据水声信道响应计算维纳误差限；根据维纳误差限对信道质量进行量化评价；维纳误差限数值越大，表示信道质量越好。本发明的优势在于：依托海试实测信道进行分析，考察多种信道质量量化分析指标与通过大量仿真获得的通信系统的误码率性能的相关性，结果维纳误差限与通信误比特率的相关性最强，明显优于时延扩展、相干带宽、信号多径比等其他传统信道质量量化分析指标。本申请所提信道质量量化分析方法更适合用于水声通信信道质量量化分析，可为水声通信性能预报以及水声通信系统设计提供重要参考。

Description

一种水声通信信道质量量化分析方法及系统

技术领域

本发明属于水声通信领域，具体涉及一种水声通信信道质量量化分析方法及系统。

背景技术

由于无线电波无法在水下远距离传播，采用声波作为通信载体的水声通信是一种常用的水下信息传输方式。相比于无线电通信信道，水声通信信道存在严重的多途效应，信号通过多个路径在不同时刻到达接收端，并造成严重的相互干扰，称为码间干扰(intersymbol interference,ISI)。水声信道的多途到达特性会受到地理环境、发射距离、信号频带等多种因素影响，导致多途结构十分复杂，不同的多途结构的响应参数具有较大差异，造成的通信性能影响也差别较大，给水声通信系统设计与水声通信性能预估都造成较大困难。所以，量化分析多途结构对通信性能的影响十分必要，是衡量通信信道质量的一个重要方面，相关研究对于水声通信系统设计以及通信性能预报等具有重要意义。

目前，在无线电通信领域，已有信道质量量化分析的相关研究。例如从信道的时延扩展长度与相干带宽宽度的角度分析信道特性，一般认为信道时延拓展越长或者相干带宽越窄，信道质量越差；或者从信道多途结构所引发频谱衰落深度的角度分析信道质量，认为衰落越深，信道质量越差。在水声信道质量量化分析领域，借鉴无线通信相关分析方法，通过散射函数、功率延迟线、时延扩展、相干带宽等函数和参量对于水声信道特性进行了研究。针对水声信道的复杂性，1995年还有研究人员提出了信号多径比(Signal MultipathRatio,SMR)的概念，用于描述水声信道的多途特性。然而当前的信道质量量化方法均从信道结构本身的特性角度出发，与通信性能的相关性普遍不够理想，难以精细化的指导通信系统的设计。

发明内容

本发明的目的在于克服当前的信道质量量化方法均从信道结构本身的特性角度出发，与通信性能的相关性普遍不够理想，难以精细化的指导通信系统设计的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提出了一种水声通信信道质量量化分析方法，所述方法包括：

步骤1：获取水声信道响应；

步骤2：根据水声信道响应计算维纳误差限；

步骤3：根据维纳误差限对信道质量进行量化评价；维纳误差限数值越大，表示信道质量越好。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1为：对脉冲声响应信号或者连续声信号的脉冲压缩结果进行处理获取信道响应。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1为：通过信道估计方法获取水声信道响应。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2包括：

步骤2.1：构建信道响应矩阵；

步骤2.2：根据信道响应矩阵计算最小均方误差；

步骤2.3：根据最小均方误差计算维纳误差限。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2.1包括：

构建信道响应矩阵G，其大小为N_a+N_c行2N_a+2N_c-1列，表示为：

用列向量表示为：

其中，g(·)表示水声信道的信道响应；N_a表示水声信道的信道响应的非因果抽头；N_c表示水声信道的信道响应的因果抽头；设定维纳滤波器响应的非因果抽头和因果抽头分别等于N_c-1和N_a+1。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2.2包括：

计算最小均方误差J’_min：

其中，h表示共轭转置；N₀表示噪声方差；I表示N_a+N_c维单位矩阵。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2.3包括：

计算维纳误差限WEB：

其中N_0max和N_0min为选取的最大和最小噪声方差。

本发明还提供一种水声通信信道质量量化分析系统，所述系统包括：

获取信道响应模块，用于获取水声信道响应；

计算维纳误差限模块，用于根据水声信道响应计算维纳误差限；和

评价模块，用于根据维纳误差限对信道质量进行量化评价；维纳误差限数值越大，表示信道质量越好。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本申请所提出的基于维纳误差限的信道质量量化分析方法将维纳滤波的残留误差作为衡量信道多途结构对于通信性能影响的一个量化指标，从而实现对信道质量的量化分析。依托海试实测信道进行分析，考察多种信道质量量化分析指标与通过大量仿真获得的通信系统的误码率性能的相关性，结果维纳误差限与通信误比特率的相关性最强，明显优于时延扩展、相干带宽、信号多径比等其他传统信道质量量化分析指标。

2、本申请所提基于维纳误差限的信道质量量化分析方法更适合用于水声通信信道质量量化分析，可为水声通信性能预报以及水声通信系统设计提供重要参考。

附图说明

图1所示为水声信道质量量化分析方法流程图；

图2所示为RMS时延扩展与通信系统误比特率关系图；

图3所示为归一化相干带宽与通信系统误比特率关系图；

图4所示为信号多径比与通信系统误比特率关系图；

图5所示为维纳误差限与通信系统误比特率关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

目前大多数水声通信系统均利用均衡器抵抗ISI，均衡器输出端的残余误差大小体现了信道对通信系统性能的影响程度，若对此残余误差进行量化并关联信道参数，则能更好地反映出信道对通信性能的影响。遵循以上思路，考虑到维纳霍夫方程的解相当于通信系统线性均衡最优解，本申请提出了根据维纳滤波后的残余误差大小衡量信道质量的分析方法，对应的量化指标称为维纳误差限。该指标仅通过水声信道响应参数计算获得，与通信系统参数无关，相比于其他几种现有信道质量量化指标，维纳误差限与通信系统误比特率的相关性更强，能够更为准确地量化衡量信道多途结构对于通信性能的影响。

不同多途信道对通信系统的影响的差别主要体现在均衡器输出端的残余误差上。在同一均衡方法下，信道质量越差，残余误差越大，所以与信道关联的残余误差可用于对信道质量进行定量分析，而维纳滤波器为线性最优滤波器，将此滤波器输出端的残余误差量化并转化为只与信道参数相关联的指标，可用于量化分析水声信道质量，称此指标为维纳误差限。

实施例1：

如图1所示，水声通信信道质量量化分析方法的步骤如下：

步骤1：获取水声信道响应g(n)。

可利用对脉冲声响应信号或者连续声信号的脉冲压缩结果进行处理获取信道响应，也可通过信道估计方法获取水声信道响应。

步骤2：根据信道响应g(n)计算维纳误差限。

维纳误差限与接收信号维纳滤波后的残余误差相关，维纳滤波器输入为经过信道后的通信符号u(n)，滤波器响应为h(n)，输出符号为定义水声信道的信道响应为g(n)，其非因果抽头和因果抽头分别为N_a和N_c，设维纳滤波器响应h(n)的非因果抽头和因果抽头分别等于N_c-1和N_a+1。维纳误差限的计算过程如下。

步骤2.1：构建信道响应矩阵G(n)，其大小为N_a+N_c行2N_a+2N_c-1列，表示为：

用列向量表示：

步骤2.2：计算最小均方误差，依照以下公式计算最小均方误差，上标h表示共轭转置。

其中R_u,u和R_u,d分别满足：

R_u,u＝GG^h+N₀I，R_u,d＝g₀ (4)

其中，N₀表示噪声方差。

因此，

为简化公式，去掉上式常数项和负号，定义此简化最小均方误差为：

步骤2.3：计算维纳误差限WEB：

其中N_0max和N_0min为选取的最大和最小噪声方差。

步骤3：根据计算得到的维纳误差限对信道质量进行量化评价，维纳误差限数值越大，表示信道质量越好。

利用本发明的水声信道质量量化分析方法进行水声信道质量评价的一个实例如下：

步骤1，利用脉冲声对信道响应进行测量，获得信道响应参数

步骤2.1，构建信道响应矩阵G(n)；

信道冲激响应g(n)应归一化，满足抽头平方累加和为1。根据g(n)以及信道的因果抽头个数N_c和非因果抽头个数N_a构建信道响应矩阵G(n)，其大小为N_a+N_c行2N_a+2N_c-1列，表示为：

信道非因果抽头个数N_a＝2，因果抽头N_c＝4，则信道总长度为N＝N_a+N_c＝6。因此可以得到大小为6行11列的信道响应矩阵G(n)为：

G(n)＝[g₅,…,g₁,g₀,g_-1,…,g_-5]

其中

步骤2.2，计算最小均方误差J’_min；

根据上述计算可知G和g₀，根据下列公式计算小均方误差，其中I为N_a+N_c维单位矩阵。

具体地，本实施例中

其中，I为6维单位矩阵。

步骤2.3，选取合适的噪声方差积分区间，并根据最小均方误差计算维纳误差限WEB；

选取合适的N_0max和N_0min为最大和最小噪声方差，根据下式求得维纳误差限WEB。

具体地，根据经验，本实施例中可选比特信噪比EbN0在3dB和10dB对应的N₀为N_0max和N_0min，EbN0与N₀的关系满足

EbN0＝10lg(1/N₀)

可得N_0max＝0.5012，N_0min＝0.1。

根据下式可求得该信道的WEB

步骤3：根据计算得到的维纳误差限对信道质量进行量化评价，WEB＝0.67，属中等偏差信道，可为信道估计以及性能预估提供参考。

结果如附图2-5所示，可见维纳误差限与通信误比特率的相关性最强，明显优于时延扩展、相干带宽、信号多径比等其他传统信道质量量化分析指标。

实施例2：

本发明还提供一种水声通信信道质量量化分析系统，该系统包括：

获取信道响应模块，用于获取水声信道响应；

技术维纳误差限模块，用于根据水声信道响应计算维纳误差限；和

评价模块，用于根据维纳误差限对信道质量进行量化评价；维纳误差限数值越大，表示信道质量越好。

本发明还可提供一种计算机设备，包括：至少一个处理器、存储器、至少一个网络接口和用户接口。该设备中的各个组件通过总线系统耦合在一起。可理解，总线系统用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。

其中，用户接口可以包括显示器、键盘或者点击设备。例如，鼠标，轨迹球(trackball)、触感板或者触摸屏等。

可以理解，本申请公开实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double DataRate SDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(Direct Rambus RAM，DRRAM)。本文描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

在一些实施方式中，存储器存储了如下的元素，可执行模块或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集：操作系统和应用程序。

其中，操作系统，包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序，包含各种应用程序，例如媒体播放器(Media Player)、浏览器(Browser)等，用于实现各种应用业务。实现本公开实施例方法的程序可以包含在应用程序中。

在本上述的实施例中，还可通过调用存储器存储的程序或指令，具体的，可以是应用程序中存储的程序或指令，处理器用于：

执行上述方法的步骤。

上述方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行上述公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合上述公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

可以理解的是，本发明描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)、数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)、数字信号处理设备(DSP Device，DSPD)、可编程逻辑设备(ProgrammableLogic Device，PLD)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本申请所述功能的其它电子单元或其组合中。

对于软件实现，可通过执行本发明的功能模块(例如过程、函数等)来实现本发明技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。

本发明还可提供一种非易失性存储介质，用于存储计算机程序。当该计算机程序被处理器执行时可以实现上述方法实施例中的各个步骤。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种水声通信信道质量量化分析方法，所述方法包括：

步骤1：获取水声信道响应；

步骤2：根据水声信道响应计算维纳误差限；

步骤3：根据维纳误差限对信道质量进行量化评价；维纳误差限数值越大，表示信道质量越好；

所述步骤2包括：

步骤2.1：构建信道响应矩阵；

步骤2.2：根据信道响应矩阵计算最小均方误差；

步骤2.3：根据最小均方误差计算维纳误差限；

所述步骤2.1包括：

构建信道响应矩阵G，其大小为N_a+N_c行2N_a+2N_c-1列，表示为：

用列向量表示为：

其中，g(·)表示水声信道的信道响应；N_a表示水声信道的信道响应的非因果抽头；N_c表示水声信道的信道响应的因果抽头；设定维纳滤波器响应的非因果抽头和因果抽头分别等于N_c-1和N_a+1；

所述步骤2.2包括：

计算最小均方误差J′_mjn：

其中，h表示共轭转置；N₀表示噪声方差；I表示N_a+N_c维单位矩阵；

所述步骤2.3包括：

计算维纳误差限WEB：

其中N_0max和N_0min为选取的最大和最小噪声方差。

2.根据权利要求1所述的水声通信信道质量量化分析方法，其特征在于，所述步骤1为：对脉冲声响应信号或者连续声信号的脉冲压缩结果进行处理获取信道响应。

3.根据权利要求1所述的水声通信信道质量量化分析方法，其特征在于，所述步骤1为：通过信道估计方法获取水声信道响应。

4.一种水声通信信道质量量化分析系统，基于权利要求1-3任一所述方法实现，其特征在于，所述系统包括：

获取信道响应模块，用于获取水声信道响应；

计算维纳误差限模块，用于根据水声信道响应计算维纳误差限；和

评价模块，用于根据维纳误差限对信道质量进行量化评价；维纳误差限数值越大，表示信道质量越好。