一種應用於遠程水聲信道的分組擴頻ofdm通信方法
2023-10-05 13:46:54 1
一種應用於遠程水聲信道的分組擴頻ofdm通信方法
【專利摘要】一種應用於遠程水聲信道的分組擴頻OFDM通信方法，從海水吸收性出發，以傳統OFDM技術為基礎，根據不同頻率處的海水吸收衰減對OFDM子載波進行分組，將OFDM中若干個連續的子載波傳輸一個或幾個信息符號來提高每一個信息符號的發射功率，以補償不同頻率處由海水吸收性造成的功率損失，從而改善系統的誤碼率性能。在發送端對數據依次進行信道編碼和分組擴頻OFDM調製處理，在接收端對數據依次進行分組擴頻OFDM解調和信道解碼處理。相比於傳統的OFDM系統,本發明具有低信噪比環境下系統誤碼率性能較好的優點。
【專利說明】一種應用於遠程水聲信道的分組擴頻OFDM通信方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種OFDM水聲通信方法，尤其是採用一種分組擴頻OFDM通信方法進行遠距離水聲通信，屬於水聲信號處理【技術領域】。
【背景技術】
[0002]正交頻分復用(OFDM)技術是一種多載波調製技術，該技術不僅有著很高的頻帶利用率，而且有很強的抗ISI能力，可以很好的克服多徑效應。OFDM技術的基本思想是將一個頻率選擇性衰落信道分割成多個並行的平坦衰落信道。目前OFDM技術已經被廣泛應用於各個通信領域，如廣播式的音頻、無線區域網(WLAN)、長期演進技術(LTE)和超寬帶通信(UffB)等新一代無線通信技術。從上世紀90年代中後期開始，逐漸有人開始了將OFDM技術應用於水聲通信的研究，但是大多數都集中在中近程水聲通信，對其在遠程水聲通信中的應用研究較少。
[0003]最早的關於擴頻技術和OFDM技術結合的研究出現在1993年9月，Berkeley大學的 Linnartz、Fettweis 和德國的 Fazel、Papke 分別提出 MC-CDMA 方案。MC-CDMA 是一種多載波頻域擴頻系統，在發射端將發送數據通過複製器並且串並轉變成N路相同的並行信號，然後每一路分別乘以擴頻碼的一個碼元，再調製到多個子載波上，最後將N路信號相加得到發送信號。多載波擴頻系統是通過在頻域進行擴頻，得到頻率分集帶來的增益，從而有很好的抗多徑衰落能力。
[0004]海水對聲波的吸收性是造成遠程水聲通信困難的主要原因之一，隨頻率和傳播距離增大而增大的信號衰減導致傳統OFDM系統很難實現可靠的遠程水聲通信。在進行近距離和中等距離OFDM水聲通信時，海水吸收性對系統誤碼率性能的影響較小，而當傳輸距離較大時，海水吸收性隨著距離增增大而變強，系統誤碼率性能急劇下降，接收端無法正確接收信息。導致誤碼率降低的主要是由於當傳輸距離較大時，經過海水信道到達接收端的發送信號衰減很大，高頻部分的信號甚至完全淹沒在噪聲中。因此，要想提高水下遠距離通信質量，需要採取相關技術來補償由海水吸收性造成的隨頻率變化的信號衰減，使得信號經過信道衰減到達接收端時每個信息符號仍有較高的信噪比。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是使用OFDM技術在低信噪比環境下仍然能實現可靠的遠程水聲通信，一種基於傳統OFDM的適用於遠程水聲通信的分組擴頻方案，其核心思想是若干個連續的子載波傳輸一個或幾個信息符號來提高每一個符號的發射功率，以補償不同頻率處由海水吸收性造成的功率損失，改善系統誤碼率性能。本發明包括以下幾個步驟:
[0006]I)信道編碼，具體方法為卷積碼編碼和交織。
[0007]2)分組擴頻調製，具體方法為:
[0008]①子載波分組數目k的計算方法。分組擴頻OFDM系統在發射端根據通信環境進行子載波分組，將分組後每組中的子載波合起來稱為虛子載波，子載波分組理想的目標是使得分組後所有虛子載波的衰減情況相同。以第一個子載波的衰減為參考，式(I)是海水對聲波的吸收係數的經驗公式，定義由海水吸收性造成的衰減係數為β (f)，則β (f)=-α (f)0首先根據式(I)計算出所有N個子載波頻率點&，f\，…，fN_i處的衰減係數βνβρ…，，其中再分別減去^得到相對於第一個子載波的衰減係數Ytl, Y1,…，
Yη，其中 Yi= β「β。。
[0009]
【權利要求】
1.一種應用於遠程水聲信道的分組擴頻OFDM通信方法，其特徵在於:若干個連續的子載波傳輸一個或幾個信息符號來提高每一個符號的發射功率，以補償不同頻率處由海水吸收性造成的功率損失。
2.如權利要求1所述應用於遠程水聲信道的分組擴頻OFDM通信方法，其包括以下步驟: 1)使用卷積碼編碼和交織進行信道編碼； 2)分組擴頻調製；
3)CFDM 調製；
4)OFDM 解調； 5)相關解擴擴頻碼逆映射解調； 6)使用解交織和卷積碼解碼進行信道解碼。
3.如權利要求2所述應用於遠程水聲信道的分組擴頻OFDM通信方法，所述分組擴頻調製包括以下步驟: ①計算子載波分組數目k: 分組擴頻OFDM系統在發射端根據通信環境進行子載波分組，將分組後每組中的子載波合起來稱為虛子載波，子載波分組理想的目標是使得分組後所有虛子載波的衰減情況相同，以第一個子載波的衰減為參考，式(I)是海水對聲波的吸收係數的經驗公式，定義由海水吸收性造成的衰減係數為β (f)，則β (f) =-α (f)，首先根據式⑴計算出所有N個子載波頻率點...,、處的衰減係數Pci, β 1；..., ,其中再分別減去β (!得到相對於第一個子載波的衰減係數Y Cl，Y I，…，ΥΝ-1，其中Yi= β O? a(+ _- + 2.75x10 4/'?'+0.003 d^/kra(I) V' I+/2 4100 + /2 其中，f是以kHz為單位的聲波頻率，單位dB/km表示每公裡衰減的分貝數； 假設某個虛子載Va波包含k個子載波，頻率分別為fa，fa+1,…，則其中心頻率為fa+k/2，該頻率處的相對衰減係數分別為Y a+k/2，虛子載波獲得的符號功率增益為lOlgk，虛子載波的最大相對衰減係數為其最大頻率點處的相對衰減係數，為了獲得足夠的符號功率增益，k應當滿足以下不等式: 1lgk 彡 I Ynl(2) 即虛子載波Va獲得的功率增益不能小於其所包含的頻率最高的子載波的相對衰減係數的絕對值，能滿足上式的最小的正整數k就是虛子載波Va中包含的子載波數目； ②對子載波進行分組: 有了子載波合併數目k的計算方法後便可以對整個通帶內的子載波進行分組，分組的實現過程就是不斷搜索最小的正整數k滿足不等式(2)的過程，由於擴頻碼的長度不是任意的正整數，因此每次分組的子載波數目也無法是任意正整數，常用的擴頻碼有m序列，Gold序列和Walsh序列，不妨以m序列為例，m序列的長度為2n_l，分組過程分為以下兩個部分: a.為了使高頻部分信號獲得足夠的功率增益，子載波的分組過程從最高頻率fN_i處的子載波CV1開始，k的初始值為1，將k代入不等式(3.7)驗證，若滿足條件，則找到不小於k並且二者差值最小的正整數2"。-1，則2H。-1為該虛子載波包含子載波數目；若不滿足條件則令k = k+Ι，再次代入不等式(2)驗證，直到找到滿足不等式的正數k，再找到相應的正數2"。-1，子載波CV1低頻方向連續的2-- -1個子載波即為虛子載波Vtl ； b.接著從子載波^^—η。處開始重複a找到滿足條件的-1 ,子載波Cam+低頻方向連續的2Bl -1個子載波即為虛子載波V1，按此方法合併子載波直到N個子載波全部分組完畢，由於相鄰的兩個虛子載波包含的子載波數-1和2"? -1往往相同或者比較接近，因此為了減少搜索時間，搜索2s.-1時可以將k的初始值設為2?-1然後向下遞減搜索，而不是像步驟(I)那樣k從I開始向上遞增搜索。在使用m序列和gold序列作為擴頻碼時，由於它們的最小周期長度為7，而低頻部分的虛子載波包含的子載波數目較少，若每組包含7個子載波，則會造成頻帶資源的浪費，因此在低頻段不再採用擴頻碼，而使用重複碼； ③擴頻碼映射調製: 對每一組子載波上的數據進行M進位擴頻，實際上是一種(N，k)的編碼，用長為N的偽隨機碼去表示k位信息，k位信息共有2k個狀態，則需要2k個長為N的偽隨機碼來與k位信息碼的2k個狀態，k位信息碼與2k個長為N的偽隨機碼之間是一一映射的關係。
4.如權利要求2所述應用於遠程水聲信道的分組擴頻OFDM通信方法，所述相關解擴擴頻碼逆映射解調具體為:將OFDM解調後每一組子載波上的數據分別與該組中每一個相關器做相關運算，再通過比較器找出其中的最大值，根據與該最大值對應的相關器中的擴頻序列做步驟③的逆映射得到解調後的輸出數據。
【文檔編號】H04L1/00GK104184694SQ201410462452
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月11日 優先權日:2014年9月11日
【發明者】高翔, 黃磊 申請人:東南大學