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低復(fù)雜度單載波頻域Turbo均衡水聲通信技術(shù)

席 瑞, 黨謙謙, 何成兵, 張瑞玉, 張群飛

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

淺海水聲通信具有嚴(yán)重多徑擴(kuò)展、衰落以及低信噪比的特點(diǎn)。為克服常規(guī)時(shí)域判決反饋均衡器計(jì)算量大和對接收機(jī)參數(shù)敏感的不足, 基于擴(kuò)頻碼的單載波塊傳輸結(jié)構(gòu)提出了一種適用于稀疏水聲信道的低復(fù)雜度頻域Turbo迭代均衡方法。發(fā)射端數(shù)據(jù)塊之間插入擴(kuò)頻碼作為循環(huán)前綴。接收端利用已知擴(kuò)頻碼進(jìn)行稀疏信道估計(jì)以及對由多普勒偏移引起的旋轉(zhuǎn)相位進(jìn)行估計(jì), 并采用基于最小均方誤差準(zhǔn)則下的頻域Turbo均衡技術(shù)和多通道聯(lián)合處理方法消除多途效應(yīng)產(chǎn)生的碼間串?dāng)_, 顯著改善了系統(tǒng)性能。通過湖上試驗(yàn)驗(yàn)證, 在通信距離為10.8 km條件下, 采用QPSK和8PSK調(diào)制方式分別實(shí)現(xiàn)了3 kbps和4.5 kbps的有效數(shù)據(jù)率的水聲通信, 并在3次迭代均衡之下均實(shí)現(xiàn)了無誤碼傳輸。文中所做工作可為高數(shù)據(jù)率穩(wěn)健水聲通信研究提供參考。

水聲通信; 單載波頻域; 稀疏信道估計(jì); 頻域Turbo迭代均衡

引言

水聲信道是一種帶寬有限、多徑干擾嚴(yán)重的時(shí)、頻、空變信道[1-2], 這導(dǎo)致無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)等各種水下設(shè)備通信的難度大大增加。保障UUV之間及UUV與控制臺(tái)之間有效的通信是UUV平臺(tái)發(fā)展的關(guān)鍵。UUV平臺(tái)的發(fā)展集成了許多高新技術(shù), 高速水聲通信技術(shù)也是UUV平臺(tái)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一, 其保障了UUV平臺(tái)水下通信的效能[3-4]。

高速水聲通信主要采用相干通信技術(shù)和多載波調(diào)制技術(shù)。其中相位相干通信技術(shù)是以載波的不同相位直接表示響應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信號。主要技術(shù)是20世紀(jì)90年代初期美國學(xué)者Stojanovic等[5]提出的內(nèi)嵌2階數(shù)字鎖相環(huán)的自適應(yīng)多通道時(shí)域判決反饋均衡器單載波水聲通信方法, 并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制技術(shù)在遠(yuǎn)程高數(shù)據(jù)率水聲通信的可行性。但是水聲信道的多徑擴(kuò)展通常比較嚴(yán)重, 導(dǎo)致該方法計(jì)算的復(fù)雜度較高, 同時(shí)這種接收機(jī)對均衡器和2階數(shù)字鎖相環(huán)參數(shù)的選擇非常敏感。

正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)技術(shù)具有良好的頻譜利用率和抗頻率選擇性衰落性能, 成為UUV水聲通信的研究熱點(diǎn)[6-7]。然而OFDM具有2個(gè)主要缺點(diǎn), 即峰均功率比高及對頻率偏移敏感。特別在水聲通信系統(tǒng)中, 高峰平功率比將嚴(yán)重影響功放和發(fā)射換能器的性能; 此外UUV在水下航行中會(huì)引起嚴(yán)重的多普勒頻率偏移, 使得OFDM系統(tǒng)在實(shí)際工作時(shí)性能嚴(yán)重下降。

相比于時(shí)域均衡, 單載波頻域均衡(single- carrier frequency domain equalization, SC-FDE)有著較低的復(fù)雜度。同時(shí)相對于OFDM系統(tǒng), SC-FDE傳輸能克服峰均功率比過大的問題, 高效地利用功率放大器且對頻偏的敏感性稍小, 在復(fù)雜度接近的情況下能達(dá)到與OFDM系統(tǒng)一致甚至更好的性能[8-10]。SC-FDE系統(tǒng)作為能替換OFDM的系統(tǒng)吸引了很大的關(guān)注[11-14], 特別是在無線通信上行鏈路[15]和水聲通信[16-17]中。Turbo均衡技術(shù)通過迭代處理可提高通信系統(tǒng)的性能[18-19], 將SC-FDE系統(tǒng)與Turbo迭代均衡結(jié)合可以達(dá)到滿意的性能[20]。Zheng等[21-23]研究了單載波頻域Turbo均衡技術(shù)并運(yùn)用于高速水聲通信系統(tǒng)中。

針對這些問題, 文中提出基于擴(kuò)頻碼單載波塊傳輸(PN-based single carrier block transmission, PN-SCBT)結(jié)構(gòu)的頻域迭代Turbo均衡高數(shù)據(jù)率水聲通信方法。發(fā)射端利用擴(kuò)頻碼插入每一個(gè)數(shù)據(jù)塊并作為循環(huán)前綴(cyclic prefix, CP), 接收端根據(jù)水聲信道的稀疏特性, 利用擴(kuò)頻碼進(jìn)行信道估計(jì)、多普勒頻移估計(jì)補(bǔ)償后進(jìn)行最小均方誤差(minimum mean square error, MMSE)準(zhǔn)則下的頻域迭代均衡用以補(bǔ)償水聲信道造成的碼間干擾(intersymbol interference, ISI)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了高數(shù)據(jù)率水聲通信湖上試驗(yàn), 通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果證明了該方法的有效性。

1 系統(tǒng)模型

1.1 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)

發(fā)射端先對輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積編碼生成新的信息, 經(jīng)交織之后進(jìn)行符號映射。對映射符號按長度N-P進(jìn)行分塊, 在每組數(shù)據(jù)后插入PN碼(pseudo-noise code), 并在首個(gè)數(shù)據(jù)塊前端插入同樣的PN碼。其幀格式如圖1所示。

由于數(shù)據(jù)塊前后都存在PN序列, PN序列可作為循環(huán)前綴, 消除數(shù)據(jù)塊間干擾(inter-block interference, IBI)的影響, 同時(shí)使接收信號為循環(huán)卷積形式, 此外, 在同步、信道估計(jì)、多普勒頻移估計(jì)及多用戶擴(kuò)展等方面均具有一定優(yōu)勢。整體發(fā)射機(jī)原理圖如圖2所示。

采用PN序列作為循環(huán)前綴的優(yōu)點(diǎn)之一是利用PN序列進(jìn)行信道估計(jì)。在時(shí)變水聲信道環(huán)境下, 每個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行獨(dú)立的信道估計(jì)和均衡可緩解水聲信道時(shí)變性對通信系統(tǒng)性能的影響。從多普勒估計(jì)的角度來看, 首先利用在PN-SCBT中的PN 信號估計(jì)平均多普勒頻移導(dǎo)致的符號擴(kuò)展和壓縮; 在補(bǔ)償平均多普勒頻移之后, 利用PN 信號估計(jì)殘余多普勒頻移引起的相位旋轉(zhuǎn)后再次進(jìn)行補(bǔ)償, 可以有效提升系統(tǒng)性能。

1.2 接收機(jī)結(jié)構(gòu)

圖3所顯示的是單發(fā)多收(single-input multiple-output, SIMO)單載波塊傳輸系統(tǒng)的接收機(jī)框圖。對于多路接收信號, 進(jìn)行同步和初步多普勒補(bǔ)償之后移除最前端的PN部分從而對剩余信號以長度進(jìn)行分塊。后續(xù)以數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行獨(dú)立的信道估計(jì)與頻域均衡處理, 這樣可以有效減少信道時(shí)變特性造成的影響。均衡器輸出的多路信號逆快速傅里葉變換(inverse fast Fourier transform, IFFT)轉(zhuǎn)化為時(shí)域信號進(jìn)行合并判決, 獲取多路增益效果。

考慮到水聲信道的稀疏性, 同時(shí)在復(fù)雜度和收斂速度之間實(shí)現(xiàn)折中, 文中利用改進(jìn)型比例歸一化最小均方算法(improved proportional normalized least mean square algorithm, IPNLMS)進(jìn)行稀疏信道估計(jì)。IPNLMS信道估計(jì)器的更新過程可表示為

在常規(guī)迭代均衡系統(tǒng)中, 每次迭代都需要將來自上次迭代的反饋信號結(jié)合接收信號重新進(jìn)行信道估計(jì)。但是在PN-SCBT系統(tǒng)進(jìn)行迭代均衡的情況下, 由于本地PN序列是完全已知的, 最初的信道估計(jì)結(jié)果可以在后續(xù)迭代更新前向和反向?yàn)V波器系數(shù)中重復(fù)使用, 減少了因迭代信道估計(jì)而增加的計(jì)算量。

2 頻域軟反饋頻域均衡器

接收信號經(jīng)過初步處理之后輸入到頻域均衡器進(jìn)行均衡處理來消除ISI, 如圖4所示的是基于PN-SCBT結(jié)構(gòu)的頻域Turbo均衡結(jié)構(gòu)圖。圖中頻域均衡聯(lián)合頻域軟反饋(frequency domain equalization with frequency-domain soft-decision feedback, FDE-FDDF-soft)算法中2個(gè)部分, 前向?yàn)V波和反向?yàn)V波都是在頻域上完成的, 因此有著較低的計(jì)算復(fù)雜度。

在接收端經(jīng)同步和多普勒補(bǔ)償之后的多路信號經(jīng)過FFT處理轉(zhuǎn)化為頻域信號, 并且聯(lián)合上一次迭代所獲取的軟判決信號的頻域形式進(jìn)行基于最小均方誤差(minimum mean square error, MMSE)準(zhǔn)則下的聯(lián)合均衡。所得到的多路輸出信號經(jīng)逆快速傅里葉變換(inverse fast Fourier transform, IFFT)轉(zhuǎn)化為時(shí)域信號之后進(jìn)行合并判決, 同時(shí)輸出軟判決信號反饋到頻域均衡器使得迭代能夠進(jìn)行下去。要注意的是, 最開始均衡處理即第0次迭代的時(shí)候, 由于沒有反饋信息進(jìn)行聯(lián)合均衡, 輸入信號僅經(jīng)過前向?yàn)V波器, 相當(dāng)于常規(guī)線性頻域MMSE均衡。

將式(12)代入式(11)中, 并用拉格朗日乘因子法可以得到后向?yàn)V波器系數(shù)為

每次迭代處理之后頻域均衡器的輸出信號可表示為

3 仿真分析

發(fā)射端采用編碼效率為1/2的卷積編碼, 生成多項(xiàng)式為[171, 133]。編碼生成的二進(jìn)制信息隨機(jī)交織之后進(jìn)行正交相移鍵控(quadrature phase shift keying, QPSK)/8相移鍵控(8 phase shift key- ing, 8PSK)符號映射。設(shè)定為512, 即接收端每次FFT處理的長度為512。PN長度為126, 對應(yīng)的單個(gè)數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)符號個(gè)數(shù)為386。每次循環(huán)過程中數(shù)據(jù)塊個(gè)數(shù)為20, QPSK/8PSK調(diào)制方式的原始比特?cái)?shù)目為7720/11520。仿真信道為Yang教授[24]所提供的多組慢時(shí)變復(fù)雜多徑信道, 相關(guān)信道沖擊響應(yīng)如圖5所示, 仿真噪聲為信號帶寬內(nèi)的高斯白噪聲。橫軸為信道響應(yīng)隨時(shí)間的擴(kuò)展, 縱軸為時(shí)間變化。

為了進(jìn)行比較, 仿真也給出了最小二乘(least square, LS)和正交匹配追蹤(orthogonal matching pursuit, OMP)信道估計(jì)算法下的誤碼性能。QPSK和8PSK調(diào)制方式下頻域Turbo均衡的性能曲線分別如圖6和圖7所示。由圖可以看出, 不論何種信道估計(jì)方式, 隨著迭代次數(shù)的增多系統(tǒng)的誤碼性能是逐漸提高的但是提升幅度越來越小。IPNLMS信道估計(jì)方式下, 在10-4量級, QPSK調(diào)制第1次迭代比未迭代性能提升約3.5 dB, 而第3次迭代相比第1次迭代則提升不到1 dB。8PSK調(diào)制下第1次迭代比未迭代的性能提升約7 dB, 第3次迭代比第1次迭代提升1.5 dB左右。實(shí)際使用中要綜合考慮計(jì)算量和誤碼性能選擇合適的迭代次數(shù)。

此外對3種估計(jì)信道算法下的誤碼性能進(jìn)行比較, 可以看出, IPNLMS信道估計(jì)下的性能相對于其他2種估計(jì)方式也有較明顯的提升。以3次迭代誤碼率達(dá)到10-4量級為準(zhǔn), 在QPSK調(diào)制下IPNLMS信道估計(jì)的誤碼性能相對于OMP信道估計(jì)下的性能提升約0.5 dB, 相對于LS估計(jì)方法則提升0.8 dB左右。8PSK調(diào)制下IPNLMS信道估計(jì)的誤碼性能則比OMP與LS信道估計(jì)下的性能提升0.5 dB左右。這是由于IPNLMS算法進(jìn)行信道估計(jì)時(shí)考慮到水聲信道的稀疏特性, 因此所估計(jì)的信道結(jié)果更加精確。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證單載波頻域Turbo均衡水聲通信系統(tǒng)的性能, 2015年1月在河南丹江口水庫進(jìn)行了湖上試驗(yàn)研究。平均水深小于50 m, 發(fā)射換能器在水下20 m處, 發(fā)射聲源級約為183 dB。通信試驗(yàn)時(shí), 發(fā)射和接收兩船分別用GPS定位, 測量出其水平距離約為10.8 km。系統(tǒng)工作頻帶為4~8 kHz, 120 kHz采樣。采用1/2編碼速率(171,133), 編碼生成的二進(jìn)制信息隨機(jī)交織之后進(jìn)行符號映射。分組并插入PN碼后上變頻處理發(fā)射。接收端則采用多水聽器接收處理。

圖8顯示的是丹江口水庫水聲通信試驗(yàn)時(shí)的信道沖擊響應(yīng), 它反映了信道響應(yīng)隨時(shí)間的變化。由圖8可見, 信道最大多徑擴(kuò)展約為15ms, 相當(dāng)于60個(gè)碼元寬度。

PN碼對應(yīng)時(shí)間長度為31 ms, 該時(shí)間長度大于多徑時(shí)延擴(kuò)展。每個(gè)數(shù)據(jù)塊長度為512, 信息符號數(shù)目即為386?？偣?00個(gè)數(shù)據(jù)塊分10幀傳輸。采用QPSK調(diào)制, 有效信息速率可達(dá)3 kbps,共計(jì)77200 bit數(shù)據(jù); 采用8PSK調(diào)制, 有效信息速率達(dá)到4.5 kbps, 共計(jì)11580 bit數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)處理的多通道結(jié)果如表1所示, 迭代均衡之后的星座圖如圖9所示。隨著迭代均衡的進(jìn)行, 系統(tǒng)的性能是逐漸提升的。在四通道合并增益下QPSK和8PSK在3次迭代下都可以實(shí)現(xiàn)無誤碼傳輸。同時(shí)相對而言IPNLMS信道估計(jì)下的性能最好, 證明了所提的基于稀疏信道估計(jì)的單載波頻域Turbo均衡水聲通信系統(tǒng)的優(yōu)良性能。

表1 多通道FDE-FDDF誤碼性能表

由于試驗(yàn)環(huán)境較好, 接收端有著較高的信噪比, 因此文中方法在迭代進(jìn)行之前即可實(shí)現(xiàn)無誤碼傳輸。為了進(jìn)一步驗(yàn)證水聲通信中頻域迭代均衡的性能, 將在試驗(yàn)中采集的真實(shí)噪聲數(shù)據(jù)疊加到通信數(shù)據(jù)中, 降低接收端信噪比。將加噪數(shù)據(jù)重新處理, 結(jié)果如表2所示。從中可以看出隨著迭代的進(jìn)行, 系統(tǒng)的誤碼性能有著明顯的提升。QPSK調(diào)制方式下, 初始誤碼率為1.3×10–1, 3次迭代之后誤碼率可達(dá)7.4×10–4; 8PSK調(diào)制方式下, 初始誤碼率為1.1×10–1, 3次迭代后誤碼率可達(dá)5.2×10–5。此外也給出了軟判決符號的星座圖, 如圖10所示。相對于常規(guī)均衡后符號的星座圖形, 由解碼器輸出的外部信息得到的軟判決符號的星座圖能更直觀地看出迭代的增益效果。由于軟解碼器的使用, 軟判決符號比均衡符號的星座圖也更加可靠。由圖10可以看出, 2種調(diào)制方式下隨著迭代的進(jìn)行, 軟判決符號逐漸向映射的星座點(diǎn)收斂, 到第3次迭代時(shí)已基本收斂到有效星座點(diǎn)。

表2 加噪多通道FDE-FDDF誤碼性能表

5 結(jié)束語

文中基于擴(kuò)頻碼單載波塊傳輸結(jié)構(gòu)提出了一種適用于稀疏水聲信道的低復(fù)雜度頻域Turbo均衡水聲通信方法。在接收端利用本地?cái)U(kuò)頻碼序列進(jìn)行稀疏信道估計(jì)可有效改善估計(jì)信道的精度, 同時(shí)無需進(jìn)行迭代信道估計(jì), 降低了計(jì)算復(fù)雜度。另一方面也可以利用數(shù)據(jù)塊之間的PN序列來估計(jì)殘余多普勒引起的相位旋轉(zhuǎn)從而進(jìn)行補(bǔ)償。此后通過頻域迭代Turbo均衡和多通道聯(lián)合處理消除多途效應(yīng)產(chǎn)生的碼間串?dāng)_, 顯著改善系統(tǒng)性能。丹江口湖上試驗(yàn)結(jié)果表明, 在10.8 km通信距離下, 采用QPSK和8PSK調(diào)制方式分別實(shí)現(xiàn)了3 kbps和4.5 kbps的有效數(shù)據(jù)率(未編碼速率分別為6 kbps和9 kbps)的水聲通信, 并在3次迭代均衡之下均實(shí)現(xiàn)了無誤碼傳輸。

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Underwater Acoustic Communication Technology Adopting Low Complexity Single Carrier Frequency-Domain Turbo Equalization

XI Rui, DANG Qian-qian, HE Cheng-bing, ZHANG Rui-yu, ZHANG Qun-fei

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Underwater acoustic communication in shallow sea has the characteristics of severe multipath delay spread, channel fading and low signal-to-noise ratio(SNR). To overcome the high computation complexity and high sensitivity to receiver parameters of conventional time-domain decision feedback equalizer, a low complexity frequency-domain Turbo iterative equalization method is proposed for sparse underwater communication channel, which is based on single-carrier block transmission structure with spreading codes. At the transmitter spreading codes are inserted between data blocks as the cyclic prefixes. At the receiver known spreading codes are employed to estimate the sparse channel and the rotational phase caused by Doppler shift, then the frequency-domain Turbo equalization technique based on the minimum mean square error criteria and the multichannel joint processing method are used to eliminate the intersymbol interference(ISI) caused by the multipath effect. The performance of the system is improved significantly. Lake test shows that the underwater communication with effective data rates of 3 kbps and 4.5 kbps is achieved via QPSK and 8PSK modulation, respectively, at a communication distance of 10.8 km, and error-free transmission is always achieved in three times of iterative equalization. This study may provide a reference for the research of robust underwater acoustic communication with high data rate.

underwater communication; single carrier frequency domain; sparse channel estimation; frequency-domain turbo iterative equalization

TJ630.34; TN929.3

A

2096-3920(2018)05-0395-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.003

2017-08-09;

2017-09-10.

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC1400200)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61471298, 61771396).

席 瑞(1996-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗曂ㄐ?

席瑞, 黨謙謙, 何成兵, 等. 低復(fù)雜度單載波頻域Turbo均衡水聲通信技術(shù)[J].水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26 (5): 395-402.

(責(zé)任編輯: 許 妍)