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CN110324065B - 一种基于循环移位键控扩频调制的多用户水声通信方法 - Google Patents

一种基于循环移位键控扩频调制的多用户水声通信方法 Download PDF

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CN110324065B CN201910488731.8A CN201910488731A CN110324065B CN 110324065 B CN110324065 B CN 110324065B CN 201910488731 A CN201910488731 A CN 201910488731A CN 110324065 B CN110324065 B CN 110324065B
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Abstract

本发明属于水声通信技术领域，具体涉及一种基于循环移位键控扩频调制的多用户水声通信方法。第一步：发射端，利用第m个用户的比特交织器πm对cm进行交织，后进行CSK调制来提高通信速率，再进行交织以区分用户；第二步：利用水声通信发射机将数据经载波调制后发射；第三步：接收端，对预处理后的多路接收信号进行被动时反处理，用以压缩信道和提高信干比。接下来采用CSK软解调方式，将CSK调制与传统IDMA迭代解调系统完美结合，能有效提高系统检测性能。本发明的方法能有效提高每个用户的通信速率，同时能提高用户数量。

Description

一种基于循环移位键控扩频调制的多用户水声通信方法
技术领域
本发明属于水声通信技术领域，具体涉及一种基于循环移位键控扩频调制的多用户水声通信方法。
背景技术
随着海洋开发对水下通信网络的需求不断扩大，水声通信已经成为当前海洋领域的研究热点。但是，水声信道的长时延扩展、带宽受限、快速时变和背景噪声高等特征也限制了水声通信的发展。对于多用户水声通信系统，信道特征对通信系统性能的影响则更为明显。频分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)、时分多址(Time DivisionMultiple Access，TDMA)、码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)是无线通信中三种常用的多址技术，但这三种技术在多用户水声通信系统中的应用都面临着各自的问题。对于FDMA，由于水声信道的可用带宽有限，导致系统可支持的用户数受限，在水声通信中应用较少。而TDMA系统需要较好的时间同步，同时其信道利用率较低，这也限制其在水声通信中应用。CDMA利用扩频码区分用户，不同的用户可以共享时间和频谱，同时扩频增益还能提高系统在高背景噪声水声信道下的性能。因此，CDMA在多用户水声通信中应用较广。但是，受到水声信道多径的长时延扩展影响，现有的CDMA多用户水声通信系统所支持的用户数量相对较少，远远低于陆上多用户无线通信的用户数量。另外，受扩频通信特性，CDMA系统每个用户的通信速率很低，远远不能满足当前快速增长的通信需求。
近年来，研究人员提出了通过交织器来区分用户的交织多址(InterleaveDivision Multiple Access，IDMA)技术。IDMA系统不仅具有CDMA系统抗多址干扰和抗衰落能力，还可以有效的提高多址接入用户个数，在无线通信中具有较为广阔的研究前景，但是目前IDMA技术在水声通信中的应用较少。
循环移位键控(CSK)扩频调制技术利用扩频码的移位大小来表示信息，能有效的提高扩频通信的通信速率，近年来在水声通信中得到了广泛的应用。
专利《一种基于CCSK调制的IDMA系统通信方法(CN 107612861 A)》中提到将CSK技术应用到多用户IDMA系统。但是该发明中是在IDMA系统的基础上另行增加了一个CSK调制，这样虽然增加了抗干扰能力，但是进一步降低通信系统速率，因此不适合在通信速率已经很低的水声通信系统中使用。另外，该发明中的CSK解调属于硬判决，损失了一定的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是当前多用户水声通信系统中可接入用户较少，且每个用户通信速率低的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于循环移位键控扩频调制的多用户水声通信方法，包含以下步骤：
第一步：发射端
1.1设有M个用户，第m个用户的原始数据信息用bm表示，经过速率为R的信道编码，得到编码后的信号是cm；m＝1、2、3……M。
1.2利用第m个用户的比特交织器πm对cm进行交织，得到数据dm；该比特交织器的作用是用来打散集中的突发错误。
1.3对数据dm进行CSK调制，得到序列sm；
1.4利用第m个用户的码片交织器Πm对sm进行交织，得到数据xm。该码片交织器的作用是用来区分用户；
第二步：利用水声通信发射机将数据xm经载波调制后发射。
第三步：接收端
3.1对每个接收换能器收到的信号进行预处理，预处理包括同步、下变频和抽样处理等。
3.2对经过预处理后的接收信号进行信道估计；
3.3对预处理后的多路接收信号进行被动时反处理，用以压缩信道和提高信干比；
3.4初始化每个用户信号的均值、方差以及对应的CSK符号概率，即预设一个要解调信号的初值；
3.5计算第i个用户经过被动时反处理后信号的均值和方差；
3.6计算第i个用户的干扰信号的均值和方差；
3.7计算第i个用户发送信号的外似然比，并利用第i个用户的解码片交织器
Figure GDA0002730508980000031
进行解交织；
3.8对解交织后的信号外似然比进行CSK软解调，得到解调后的软信息；
所述的CSK软解调为：利用解交织后的发送信号外似然比计算发送信号的估计值。将得到的信号估计值与CSK调制所用的扩频序列进行相关处理，得到相关结果θi。θi的值受两个因素影响：发送信号的估计误差和扩频序列的自相关结果的旁瓣。假设这两个因素都符合高斯分布，并计算出各自的方差，可以推导θi的后验概率密度函数。结合CSK符号的先验概率，计算出解调后编码数据的外似然比。至此，即已完成CSK软解调过程。
3.9利用第i个用户的解比特交织器
Figure GDA0002730508980000032
对CSK软解调后的外似然比进行解交织，之后采用译码器进行信道译码，得到估计的信息比特和译码后的编码数据的外似然比；
3.10利用第i个用户的比特交织器πi对译码器输出的译码后的外似然比交织，并重新进行CSK软映射。将得到的CSK符号概率重新输入CSK软解调器，用于下一次CSK软解调；
所述的CSK软映射为：利用交织后译码器输出的外似然比，计算每个编码比特的概率。设每个编码比特相互独立，按照CSK调制的映射规则，计算出由编码比特映射的CSK符号概率。
进一步的，在CSK软映射过程中，去除不能映射成CSK符号的概率，以提高系统性能。
3.11重复(3.8)-(3.10)直至到达CSK软解调迭代次数上限；
3.12利用第i个用户的码片交织器Πi对CSK软映射的结果进行重新交织，并重新计算第i个用户信号的均值和方差；
3.13计算下一个用户信号。重复(3.5)-(3.12)，直至计算完所有用户。
3.14重复(3.5)-(3.13)，直至到达设置的IDMA迭代上限。
本发明的有益效果：
本发明的通信方法在传统IDMA基础上，利用CSK调制来提高通信速率。在接收端，首先采用被动时反技术来压缩信道，同时能有效提高每个用户的信干比。接下来采用CSK软解调方式，将CSK调制与传统IDMA迭代解调系统完美结合，能有效提高系统检测性能。和已有的多用户水声通信方法相比，本发明的方法能有效提高每个用户的通信速率，同时能提高用户数量。
附图说明
图1是本发明的发射端结构示意图。
图2是本发明的接收端结构示意图。
图3(a)是经过被动时反处理后用户1的等价信道。
图3(b)是经过被动时反处理后来自用户2的干扰信道。
图3(c)是经过被动时反处理后来自用户3的干扰信道。
图3(d)是经过被动时反处理后来自用户4的干扰信道。
图3(e)是经过被动时反处理后来自用户5的干扰信道。
图3(f)是经过被动时反处理后来自用户6的干扰信道。
图3(g)是经过被动时反处理后来自用户7的干扰信道。
图3(h)是经过被动时反处理后来自用户8的干扰信道。
具体实施方式
以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。
本发明仅涉及通信系统中的基带调制阶段，因此着重讲述该部分方法，对于载波调制与解调阶段内容忽略。
发射端结构如图1所示。设系统的用户个数为M，对于第m(m＝1、2、3……M)个用户，其发射端主要由5个模块组成：信道编码器、比特交织器πm(用来打散集中的突发错误)、CSK调制器、码片交织器Πm(用来区分用户)和载波调制器。下面以第m个用户的发射端具体实施方式为例说明。
发射端的具体实施方式包括以下分步骤：
T1.第m个用户的信息数据bm经过信道编码后，得到编码后的信号是cm。利用第m个用户的比特交织器πm对cm进行交织，得到数据dm；T2.用α＝[α1,α2,…,αG]来表示扩频序列，其长度为G，则对应的CSK调制阶数为Q＝log2 G。对数据dm按照长度Q分组。设共分为Z组，将每组中的Q位二进制数据转换为十进制Δz。
T3.对Z个扩频序列α分别向右循环移位Δz位，经过并串转换后，得到序列sm，sm即为数据dm经过CSK调制后的信号。
T4.利用第m个用户的码片交织器Πm对cm进行交织，得到数据xm。
T5.对数据xm进行载波调制，并发送到水声信道中。
接收端结构如图2所示。接收端包括：预处理模块、信道估计器、被动时反处理器、基本信号估计器、解码片交织器
Figure GDA0002730508980000061
CSK软解调器、解比特交织器
Figure GDA0002730508980000062
信道译码器、比特交织器πm、CSK软映射器和码片交织器Πm，其中预处理模板包括同步、下变频和抽样等处理，主要是将接收到的通带信号变成基带信号，这里不进行描述。
接收端基带信号处理的具体实施方式包括以下分步骤：
R1.设有N个接收水听器，第m个用户到第n个接收水听器的信道用hn,m＝[hn,m(0),hn,m(1),…,hn,m(L-1)]T表示，其中L表示信道冲击响应长度，那么第n个接收水听器接收到的信号为
Figure GDA0002730508980000063
其中wn(j)是加性高斯白噪声，方差为
Figure GDA0002730508980000064
对接收信号进行信道估计，得到
Figure GDA0002730508980000065
信道估计方法可采用常规的信道估计算法。
R2.初始化所有用户信号的均值E(xi(j))＝0和方差Var(xi(j))＝1，比特di(q)的先验概率P(di(q)＝0)＝P(di(q)＝1)＝1/2，i＝1,2,…M。
R3.初始化系统参数。设置IDMA迭代次数为Nouter，iouter＝1。设置i＝1。
R4.设置CSK软解调器的迭代次数为Ninter，iinter＝1。对接收信号rn(j)进行被动时反处理。对于第i个用户，得到
Figure GDA0002730508980000071
其中
Figure GDA0002730508980000072
表示卷积操作，
Figure GDA0002730508980000073
Figure GDA0002730508980000074
根据被动时反性质，Qi,i(t)是一个近似Sinc函数，并且其增益远远大于Qm,i(t)(m≠i)。图3给出了某次8个用户水声通信实验中，对于用户1经过被动时反处理后的等价信道，从图上可以看出，期望的等价信道增益远远高于其他用户的干扰信道增益，而且期望信道已经经过了压缩，能量都集中在主径位置。所以采用被动时反技术能有效的进行信道压缩，并提高每个用户的信干比，进而提高了检测性能。
R5.计算信号y(i)(t)的均值和方差：
Figure GDA0002730508980000075
Figure GDA0002730508980000076
其中
Figure GDA0002730508980000077
是经过被动时反处理后的等价信道Qi,i(l)的长度。
R6.计算第i个用户在第l条路径上的干扰信号
Figure GDA0002730508980000078
的均值和方差，l＝1,2,…
Figure GDA0002730508980000081
Figure GDA0002730508980000082
Figure GDA0002730508980000083
R7.计算第i个用户经过基本信号估计器后的得到外信息：
Figure GDA0002730508980000084
Figure GDA0002730508980000085
R8.利用第i个用户的解码片交织器
Figure GDA0002730508980000086
对eESE(xi(j))进行解交织，得到eESE(si(j))。
R9.对eESE(si(j))按照长度G进行分组，并计算信号si(g)的均值和方差
Figure GDA0002730508980000087
Figure GDA0002730508980000088
Figure GDA0002730508980000089
R10.利用
Figure GDA00027305089800000810
与本地扩频序列α进行相关，得到相关后的结果
Figure GDA00027305089800000811
其中，·表示向量中的元素进行点乘，*表示共轭，F是傅里叶变换矩阵，F-1是傅里叶变换矩阵的逆矩阵。
R11.计算本地扩频序列α自相关的方差
Figure GDA00027305089800000812
Figure GDA0002730508980000091
Figure GDA0002730508980000092
R12.计算编码后数据的di(q)的先验信息:
Figure GDA0002730508980000093
R13.计算di(q)的后验信息
Figure GDA0002730508980000094
其中P(di)是根据比特di(q)的先验信息计算，
Figure GDA0002730508980000095
Figure GDA0002730508980000096
对应转换为十进制后值大小为Δ-1的二进制序列。
R14.计算di(q)的外似然比eCSK(di(q))＝Lposter(di(q))-Lpriori(di(q))，eCSK(di)就是CSK软解调的结果。
R15.利用第i个用户的解比特交织器
Figure GDA0002730508980000097
对eCSK(di)进行解交织，并输入信道译码器，得到第i个用户的信息比特估计
Figure GDA0002730508980000098
和编码比特的外似然信息eDEC(ci)。
R16.利用第i个用户的比特交织器πi对eDEC(ci)交织，得到eDEC(di)。
R17.根据eDEC(di)计算P(di(q)＝0)，P(di(q)＝1)，
Figure GDA0002730508980000101
P(di(q)＝0)＝1-P(di(q)＝1)
R18.如果iinter＜Ninter，iinter＝iinter+1，回到步骤R12；
R19.计算经过CSK软映射后得到的信号
Figure GDA0002730508980000102
的概率，
Figure GDA0002730508980000103
其中，
Figure GDA0002730508980000104
Figure GDA0002730508980000105
是
Figure GDA0002730508980000106
经过CSK调制后得到的序列。
R20.利用第i个用户的码片交织器Πi对
Figure GDA0002730508980000107
交织，得到
Figure GDA0002730508980000108
计算相应的均值和方差。
Figure GDA0002730508980000109
Figure GDA00027305089800001010
R21.如果i<M，计算下一用户，令i＝i+1，回到步骤R4；
R22.如果iouter＜Nouter，令iouter＝iouter+1，i＝1，回到步骤R4；
R23.结束解调。
从上述说明可以看出，本发明的方法和传统的多用户水声通信方法有着巨大的不同。在发射端，利用CSK调制代替了常规的直接序列扩频调制，能有效的提高每个用户的通信速率，同时采用了IDMA系统中的码片交织技术，提高用户数量；在接收端，首先采用了被动时反技术来进行信道压缩和提高每个用户的信干比，接下来采用基本信号估计器来进行估计符号概率，之后利用估计的符号概率进行迭代CSK软解调。本发明的方法能很好的与传统IDMA的迭代检测算法结合，能有效提高现有水声多用户通信系统的通信质量和用户个数。

Claims (3)

1.一种基于循环移位键控扩频调制的多用户水声通信方法，其特征在于，包含以下步骤：
第一步：发射端
1.1设有M个用户，第m个用户的原始数据信息用bm表示，经过速率为R的信道编码，得到编码后的信号是cm；m＝1、2、3……M；
1.2利用第m个用户的比特交织器πm对cm进行交织，得到数据dm；
1.3对数据dm进行CSK调制，得到序列sm；所述CSK表示循环移位键控；
1.4利用第m个用户的码片交织器Πm对sm进行交织，得到数据xm；
第二步：利用水声通信发射机将数据xm经载波调制后发射；
第三步：接收端
3.1对每个接收换能器收到的信号进行预处理；
3.2对经过预处理后的接收信号进行信道估计；
3.3对预处理后的多路接收信号进行被动时反处理，用以压缩信道和提高信干比；
3.4初始化每个用户信号的均值、方差以及对应的CSK符号概率，即预设一个要解调信号的初值；
3.5计算第i个用户经过被动时反处理后信号的均值和方差；
3.6计算第i个用户的干扰信号的均值和方差；
3.7计算第i个用户发送信号的外似然比，并利用第i个用户的解码片交织器
Figure FDA0002730508970000011
进行解交织；
3.8对解交织后的信号外似然比进行CSK软解调，得到解调后的软信息；
所述的CSK软解调为：利用解交织后的发送信号外似然比计算发送信号的估计值；将得到的信号估计值与CSK调制所用的扩频序列进行相关处理，得到相关结果θi，推导θi的后验概率密度函数，结合CSK符号概率，计算出解调后编码数据的外似然比；
3.9利用第i个用户的解比特交织器
Figure FDA0002730508970000021
对CSK软解调后的外似然比进行解交织，之后采用译码器进行信道译码，得到估计的信息比特和译码后的编码数据的外似然比；
3.10利用第i个用户的比特交织器πi对译码器输出的译码后的外似然比交织，并重新进行CSK软映射；将得到的CSK符号概率重新输入CSK软解调器，用于下一次CSK软解调；
所述的CSK软映射为：利用交织后译码器输出的外似然比，计算每个编码比特的概率；设每个编码比特相互独立，按照CSK调制的映射规则，计算出由编码比特映射的CSK符号概率；
3.11重复(3.8)-(3.10)直至到达CSK软解调迭代次数上限；
3.12利用第i个用户的码片交织器Πi对CSK软映射的结果进行重新交织，并重新计算第i个用户信号的均值和方差；
3.13计算下一个用户信号；重复(3.5)～(3.12)，直至计算完所有用户；
3.14重复(3.5)～(3.13)，直至到达设置的IDMA迭代上限，所述的IDMA是通过交织器来区分用户的交织多址。
2.如权利要求1所述的基于循环移位键控扩频调制的多用户水声通信方法，其特征在于，在步骤3.10的CSK软映射过程中，去除不能映射成CSK符号的概率，以提高系统性能。
3.如权利要求1或2所述的基于循环移位键控扩频调制的多用户水声通信方法，其特征在于，步骤3.1中，所述的预处理包括同步、下变频和抽样处理。
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Multiuser underwater acoustic communication using cyclic shift keying;Chengbing He,Lianyou Jing,Qunfei Zhang,Jianguo Huang;《IEEE Conference Publication》;IEEE;20160413;全文 *

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