CN103873422B - 水声正交频分复用系统符号内多径干扰消除方法 - Google Patents

Abstract

水声正交频分复用系统符号内多径干扰消除方法，涉及水声无线通信。包括水声正交频分复用通信系统发送端信号处理和水声正交频分复用通信系统接收端信号处理；发送端信号处理包括：对发送的比特信息进行正交相移键控符号映射和串并转换；在并行信号中插入梳状导频，导频个数小于子载波的总个数；对插入导频的信号进行OFDM调制，加入循环前缀；对信号进行数模变换，上变频发送；接收端信号处理包括：将接收到的信号进行下变频和模数变换操作；信号进行串并转换，OFDM解调；进行基于压缩感知的信道估计，利用估计的数据集(a_p,τ_p)（其中a_p为每径的幅值，τ_p为每径的时延）进行多径干扰消除；将干扰消除后的信号经过解码，判决输出。

Description

水声正交频分复用系统符号内多径干扰消除方法

技术领域

本发明涉及水声无线通信，特别涉及一种基于压缩感知理论的水声正交频分复用系统符号内多径干扰消除方法。

背景技术

水声是水下无线远距离通信传输手段。多载波通信方式是实现高速水声通信的有效手段，在高速水声通信中最为主要的障碍是随机多径干扰造成相互的符号干扰。正交频分复用是一种特殊的多载波调制方式，它的优点主要是抗多径干扰能力强，传输速率高，能充分利用频带的宽度。该技术已成功的应用于许多领域，如非对称数字用户环路，数字音频广播，高清晰度电视，无线局域网电视等系统。近年来，正交频分复用技术也广泛的应用于水声通信中。

信道的物理特性决定着通信质量的好坏，在水声正交频分复用通信系统中需要考虑如何克服信道特性对信息传输的影响。水声信道的大时延扩展会造成符号的多径干扰，信道估计是解决这个问题的关键技术之一（张继东,郑宝玉.基于导频的OFDM信道估计及其研究进展[J].通信学报,2003,24(11):116-124）。从最早的无分集单载波信道估计到现在的有分集的多载波信道估计，从时域或频域的信道估计到现在的时频域二维信道估计，信道估计的性能在不断的提高。由于水声通信信道通常还具有稀疏的特性，时域脉冲响应只在一部分时间上具有较大幅值，而在其他时间都为零或很小，信道估计技术研究了多径时延衰落特性，是系统中进行相关检测、解调和均衡的基础。但是，在已有的信道估计中，只考虑了符号本身的多径干扰影响，并没有考虑循环前缀对符号本身造成多径干扰的影响，信道估计不准确，因此，采取何种措施能把循环前缀造成的符号内多径干扰消除，提高系统误码率性能是本发明的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于压缩感知理论的水声正交频分复用系统符号内多径干扰消除方法。

本发明包括水声正交频分复用通信系统发送端信号处理和水声正交频分复用通信系统接 收端信号处理；

所述水声正交频分复用通信系统发送端信号处理包括以下步骤：

（1）先将经过QPSK符号映射后的信号，进行串并转换得到并行信号，在并行信号中插入梳状导频值，其中插入的个数满足：

M＜＜N (1)

式（1）中M是插入的导频个数，N是子载波总的个数；

（2）对插入导频的并行信号进行IFFT变换，得到OFDM调制信号；

（3）将OFDM调制信号末尾的L_cp个子载波信号进行复制，放在所述的OFDM调制信号前面，得到加入循环前缀的OFDM调制信号，其中L_cp满足：

L_cp·T_s≤τ_max (2)

式（2）中T_s表示采样间隔，τ_max表示多径信道的最大时延；

（4）将步骤（3）得到的所述加入循环前缀的OFDM调制信号依次经过数模变换、上变频后发送出去；

所述水声正交频分复用通信系统接收端信号处理包括以下步骤：

（a）将经过水声信道的接收信号由模数变换、下变频得到低频数字信号；

（b）再将接收信号经过串并转换得到并行的数字信号，去掉循环前缀；

（c）对步骤（b）中的信号进行FFT解调，获得OFDM解调信号；

（d）对频域的OFDM解调信号进行信道估计，估计方法是基于压缩感知技术，利用正交匹配追踪算法重构未知的信道脉冲响应h，获得数据集(a_p;τ_p)；

（e）利用步骤（d）中的数据集(a_p;τ_p)对接收的时域信号进行移位相减，时域信号是在去循环前缀之前的信号；

（f）对步骤（e）中输出的信号进行均衡、解码和判决输出。

优选地，在步骤（a）中，水声信道中存在着较大的时延扩展，其中主要能量集中在部分多径信道上，信道可以看成是稀疏的。

优选地，在步骤（d）中，所述信道估计具体包括以下步骤：

d1:利用接收到的导频信号为观测向量，发送端的导频信号进行对角化为观测矩阵，水声信道在时域是多径稀疏的，因此，接收信号和发送信号之间满足观测向量等于观测矩阵与时域多径信道的乘积，符合压缩感知的基本结构；

d2：从接收信号是满足压缩感知的结构中，可以通过正交匹配追踪算法进行信道的重构，估计出稀疏信道的多径时延和幅度值。

优选地，在步骤（e）中，所述移位相减具体包括以下步骤：

e1、对接收的信号进行串并转换，取出每帧信号；

e2、根据帧信号、压缩感知重构的多径信道的时延信息以及幅度值信息，对每帧信号按照每径的时延值进行对应的移位，并将移位后的信号乘以干扰抑制因子（衰落幅值）；

e3、将e1中的信号减去e2中的信号，可以将其中的大幅度干扰相互抵消，由于干扰抑制因子的作用，使得余下的干扰部分能量非常小，达到消除多径干扰的目的。

优选地，在步骤（f）中，所述均衡、解码和判决输出具体包括以下步骤：

f1、信道均衡采用的是ZF均衡算法；

f2、QPSK解调输出信息比特。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种基于压缩感知技术的OFDM符号内多径干扰消除方法，该方法是在发送端信号处理后，再进行接收端的信号处理；与传统的导频辅助信道估计方法相比，基于压缩感知理论的信道估计方法无需通过插值来得到数据子载波上的冲激响应，对噪声不敏感，可有效降低信道估计误差和提高系统的频谱利用率。根据信道估计出的(a_p;τ_p)，对接收的信号进行延迟移位、乘以干扰抑制因子，从原始接收的信号中减去移位后的信号，完成干扰消除。由图4中可以看出，信号经过恶劣的多径环境下，接收端对信号进行干扰消除的性能比没有经过消除的会得到明显的改善，在误码率为20dB时，性能提高了一个数量级。从图5中可以看出，经过干扰消除后的系统性能比没有干扰消除的性能更好，同时，比图4的性能提升更显著，所提出的算法可以有效消除多径干扰影响，考虑了循环前缀的多径影响，解决了水声恶劣环境中多径衰落产生的符号内干扰问题，从而提高了系统的抗干扰能力。

本发明提出了一种基于压缩感知理论的信道估计技术。压缩感知理论是在信号处理领域内提出的新的技术（Donoho D L.Compressed sensing[J].Information Theory,IEEE Transactions on,2006,52(4):1289-1306）。它允许从非常有限的采样值中有效的重建稀疏信号。与传统的导频辅助信道估计方法相比，基于压缩感知理论的信道估计方法无需通过插值来得到数据子载波上的冲激响应，可有效的降低信道估计误差和提高系统的频谱利用率，同时对噪声不敏感。

附图说明

图1是本发明提供的OFDM水声通信系统的结构框图；

图2是本发明提供的OFDM系统接收端数据符号的移位过程图；

图3是本发明提供的一种去除多径干扰的算法流程图；

图4是τ_max＜L_cp下，本发明提供的基于压缩感知信道估计的符号内有多径干扰消除和无多径干扰的性能仿真比较图；

图5是τ_max＞L_cp下，本发明提供的基于压缩感知信道估计的符号内有多径干扰消除和无多径干扰的性能仿真比较图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的说明。

本发明是考虑一个基于循环前缀的正交频分复用（OFDM）通信系统，其框图如图1所示，在基于梳状导频的正交频分复用系统发送端，每个OFDM符号的子载波总数是N，插入M个导频符号，这M个导频符号占据相应的M个子信道，其中L＝N/M，也就是说每隔L-1个数据子信道插入一个导频符号，X_p(m)为插入的第m个导频符号的值，X_D(m)为插入的有用数据符号，X(k)为OFDM符号中的数据。发送的原始比特信息经过QPSK调制后均匀插入导频，频域信号可以表示为：

对应的时域信号x(n)可以通过IFFT得到:

设OFDM符号的持续时间为T，循环前缀的长度为T_CP，子载波的频率间隔为Δf＝1/T，假设总共有N个子载波，用f_c表示载波频率，则第k个子载波的载波频率可以表示为：

f_k＝f_c+kΔf,k∈{-N/2,…,N/2-1} （5）

设第n个符号块中的第k个子载波上的传输信号符号为x[k;n]。数据子载波集合，导频集合分别为S_D，S_P。总共发送的符号数为N_b。发送的信号x(t)可以表示为：

假设在OFDM系统中，信道的相关时间要远大于OFDM的符号周期，信道冲激响应h(t)被认为是时不变的，可描述为：

其中a_p和τ_p分别表示第p条路径的幅度和延时，δ(t)为冲激函数。在无线数据传输中，信号能量通常集中在某几个路径时，只有少数几个时延τ_p存在幅度值a_p，其余时刻为零或幅度很小，即传输信道为时域稀疏的信道。

经过水声信道后，接收端的信号y(t)可以表示为多个符号的叠加：

其中，每个数据块的信息存在多径干扰为：

y(t)以T/K抽样（T为符号时间，K为子载波总数），每个符号的离散信号表示为

y(n)＝h^Tx(n)+w(n) （10）

h^T为信道脉冲响应的转置，x(n)为发送符号信息，w(n)为高斯白噪声。

频域向量表示为：

Y＝XH+w＝XDh+w （11）

从N个子载波中选择p个导频的位置，收端的导频信号可以表示为：

Y_p＝X_pH_p+w＝X_pD_ph+w (12)

从式（12）中估计出向量h，即(a_p,τ_p)这是一个典型的稀疏信号重建问题，其中H_p=D_ph表示对信道冲激响应h进行N点FFT后得到的向量，D_p是一个DFT变换阵。令X_pD_p＝θ为 恢复矩阵，h为待估计的稀疏信道向量，基于压缩感知的信道估计过程是在已知y_p和θ的条件下快速，有效重构h。本发明中采用正交匹配追踪（OMP）算法重构。与传统的信道估计方法相比，本发明中的压缩感知算法可以减少导频数量，对噪声不敏感。它的特点是结构简单，运算量小。

通过压缩感知算法估计出多径时延τ_p，假设分别表示第一径，第二径，…，第N_p径，根据多径时延值的大小，有几种干扰消除情况：

下面是对所述情况进行一次干扰消除的表示，其算法流程如图3所示，消除的过程是：接收的第n帧信号如公式（9）所示，将这帧信号分别移位时间τ_p为y_n(t-τ_p),(p＝1,2,…,N_p)，具体的移位时序图如图2所示，乘以干扰抑制因子w_p得重构的多径时延信号z(t)

联合公式(9)和公式(13)得出移位后的信号

将合并后输出z(t)

z(t)＝s(t)+(a₁-w₁)s(t-τ₁)+(a₂-w₂)s(t-τ₂)+…+(a_n-w_n)s(t-τ_n))+...

-(w₁+w₂)s(t-t₁-t₂)-(w₁+w₃)s(t-t₁-t₃)-…-(w_n-1+w_n)s(t-τ₁-τ₃)+…

-w₁s(t-2τ₁)-w₂s(t-2τ₂)-…-w_ns(t-2τ_n) （15）

＝s(t)-I(t)

公式中的干扰部分I(t)

I(t)＝(a₁-w₁)s(t-τ₁)+(a₂-w₂)s(t-τ₂)+…+(a_n-w_n)s(t-τ_n))-...

-(w₁+w₂)s(t-t₁-t₂)-(w₁+w₃)s(t-t₁-t₃)-…-(w_n-1+w_n)s(t-τ_n-1-τ_n)+ （16）

-w₁s(t-2τ₁)-w₂s(t-2τ₂)-…-w_ns(t-2τ_n)

本发明提出了两种迭代多径干扰消除的方法：

第一种迭代干扰消除方法的具体步骤为：

1、初始化：消除多径干扰的阶数（干扰信号系数的次方数）为i＝1，压缩感知估计出的数据集(τ_p;a_p)；

2、根据时延估计值τ_p，同时消除多径信号，移位相减输出的信号为其中z_n(t)为干扰消除后的信号，w_p是一阶干扰消除因子（多径幅值a_p的一次方项）；

3、更新干扰阶数i＝i+1，重复步骤2，进行下一次的移位消除；

4、对干扰消除后的信号z_n(t)再经过信道估计和均衡技术，进一步消除干扰；

5、最后输出无多径干扰的信号进行判决输出。

第二种迭代干扰消除方法的具体步骤为：

1、初始化：消除多径干扰的阶数（干扰信号系数的次方数）为i＝1，压缩感知估计出的数据集(τ_p;a_p)；

2、根据时延估计值τ_p，先消除最后一径的信号，把消除干扰后的信号作为下一次干扰消除的移位信号，移位相减输出的信号为其中z_n(t)为干扰消除后的信号，w_p是一阶干扰消除因子（多径幅值a_p的一次方项）；

3、更新干扰阶数i＝i+1，重复步骤2，对所有的i阶干扰项进行消除；

4、对干扰消除后的信号z_n(t)再经过信道估计和均衡技术，进一步消除干扰；

5、最后得到无多径干扰的信号进行判决输出。

以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.水声正交频分复用系统符号内多径干扰消除方法，其特征在于包括水声正交频分复用通信系统发送端信号处理和水声正交频分复用通信系统接收端信号处理；

所述水声正交频分复用通信系统发送端信号处理包括以下步骤：

(1)先将经过QPSK符号映射后的信号，进行串并转换得到并行信号，在并行信号中插入梳状导频值，其中插入的个数满足：

M＜＜N (1)

式(1)中M是插入的导频个数，N是子载波总的个数；

(2)对插入导频的并行信号进行IFFT变换，得到OFDM调制信号；

(3)将OFDM调制信号末尾的L_cp个子载波信号进行复制，放在所述的OFDM调制信号前面，得到加入循环前缀的OFDM调制信号，其中L_cp满足：

L_cp·T_s≤τ_max (2)

式(2)中T_s表示采样间隔，τ_max表示多径信道的最大时延；

(4)将步骤(3)得到的所述加入循环前缀的OFDM调制信号依次经过并串转换、数模变换、上变频后发送出去；

所述水声正交频分复用通信系统接收端信号处理包括以下步骤：

(a)将经过水声信道的接收信号由模数变换、下变频得到低频数字信号；

(b)再将接收信号经过串并转换得到并行的数字信号，去掉循环前缀；

(c)对步骤(b)中的信号进行FFT解调，获得OFDM解调信号；

(d)对频域的OFDM解调信号进行信道估计，估计方法是基于压缩感知技术，利用正交匹配追踪算法重构未知的信道脉冲响应_h，获得数据集(a_p；τ_p)，其中，a_p表示信道每径的幅度，τ_p表示信道每径的时延；

所述信道估计具体包括以下步骤：

d1:利用接收到的导频信号为观测向量，发送端的导频信号进行对角化为观测矩阵，水声信道在时域是多径稀疏，接收信号和发送信号之间满足观测向量等于观测矩阵与时域多径信道的乘积，符合压缩感知的基本结构；

d2：从接收信号是满足压缩感知的结构中，通过正交匹配追踪算法进行信道的重构，估计出稀疏信道的多径时延和幅度值；

(e)利用步骤(d)中的数据集(a_p；τ_p)对接收的时域信号进行移位相减，时域信号是在去循环前缀之前的信号；

所述移位相减具体包括以下步骤：

e1、对接收的信号进行串并转换，取出每帧信号；

e2、根据帧信号、压缩感知重构的多径信道的时延信息以及幅度值信息，对每帧信号按照每径的时延值进行对应的移位，并将移位后的信号乘以干扰抑制因子，即衰落幅值；

e3、将e1中的信号减去e2中的信号，将其中的大幅度干扰相互抵消，由于干扰抑制因子的作用，使得余下的干扰部分能量非常小，达到消除多径干扰的目的；

(f)对步骤(e)中输出的信号先经过去循环前缀、FFT解调，然后进行均衡、解码和判决输出。

2.如权利要求1所述水声正交频分复用系统符号内多径干扰消除方法，其特征在于在步骤(a)中，水声信道中存在着较大的时延扩展，其中主要能量集中在部分多径信道上，信道可以看成是稀疏的。

3.如权利要求1所述水声正交频分复用系统符号内多径干扰消除方法，其特征在于在步骤(f)中，所述均衡、解码和判决输出具体包括以下步骤：

f1、信道均衡采用的是ZF均衡算法；

f2、QPSK解调输出信息比特。