CN109379320A - 一种时移频分复用水声通信调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时移频分复用水声通信调制方法，所述方法减少了正交频分复用所用的循环前缀，包括以下步骤：发射端：将要传送的二进制比特流进行编码，经过调制符号映射成为复数符号d，d为N*1的向量(N＝K*M)，N个元素被调制到K个正交子载波组上，每个正交子载波组是正交子载波在时域上时移M次形成的；发送信号为所有子载波上的已调符号的叠加；在发送端的最后加上循环前缀得到发送向量接收端：发送向量经过水声信道，接收端接收到的数据标记为去除循环前缀，得到信号y，经过信道均衡得到向量z，随后向量z经过解调器解码为向量最后经过解映射和解码得到输出信号。本发明提高了通信系统的频谱效率，高效利用带宽，降低误码率，进一步提高系统的灵活性。

Description

一种时移频分复用水声通信调制方法

技术领域

本发明涉及水声通信数字多载波传输技术领域，本发明在正交频分复用(OFDM)的基础上，在时域上进行扩展，提出一种时移频分复用(TS-FDM)时移频分复用水声通信调制方法。

背景技术

水声通信成为海上的主要无线通信方式，并且已经被应用于收集海洋数据，环境监测与远程控制等等。但水声信道仍然是被认为最具有挑战的信道之一，水声信道的主要问题是：有限的带宽、严重的时变多径衰落、环境噪音、时域和频域双重选择性等等，这也导致水声通信的传输速率低。

正交频分复用(OFDM)调制解调技术具有高速率传输、抗多径干扰、脉冲噪声能力强、频谱利用率高等优势，并且结合水声信道的特点，它被广泛应用于水声通信中，成为研究热点。OFDM在水声通信中效果显著，可以用正交的子载波在有限的带宽中进行高速率传输，但其对正交性有严格要求。为了消除子载波间干扰和符号间干扰，循环前缀(CP)成为OFDM必要的一部分，CP长度一般要占OFDM符号长度的六分之一到四分之一并且其长度有严格要求—要大于最大时延，这必然是以降低频谱效率为代价的。

因此如何降低CP所占的资源，进一步提高频谱效率对于带宽有限的水声通信具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种时移频分复用水声通信调制方法，本发明立足于水声通信的OFDM多载波传输系统，结合时域扩展概念，提出时移频分复用(TS-FDM)新型多载波调制技术，旨在提高通信系统的频谱效率，高效利用带宽，降低误码率，进一步提高系统灵活性，详见下文描述：

一种时移频分复用水声通信调制方法，所述方法减少了正交频分复用所用的循环前缀，所述方法包括以下步骤：

发射端：

将要传送的二进制比特流进行编码，经过调制符号映射成为复数符号d，d为N*1的向量(N＝K*M)，N个元素被调制到K个正交子载波组上，每个正交子载波组是正交子载波在时域上时移M次形成的；发送信号为所有子载波上的已调符号的叠加；在发送端的最后加上循环前缀得到发送向量

接收端：

发送向量经过水声信道，接收端接收到的数据标记为去除循环前缀，得到信号y，经过信道均衡得到向量z，随后向量z经过解调器解码为二进制输出向量最后经过解映射和解码得到输出信号。

进一步地，所述子载波组为：

n＝0，1，2，3，……，N-1

m＝0，1，2，3，……，W-1

k＝0，1，2，3，……，K-1

其中，k＝0，1，…，K-1代表子载波的序列号，m＝0，1，...，M-1表示扩展的子载波组内符号序列号，n＝0，1，...，M-1是采样索引，δ[n]是单位脉冲，g_k，m[n]是由δ[n]在时间和频率上的移位而构成的，mod为取余操作。

其中，所述方法的一个符号能传输N＝K*M个数据，与正交频分复用符号占用相同的带宽。

进一步地，所述发送信号为所有子载波上的已调符号的叠加具体为：

其中，d_k，m表示向量d中第k个子载波组上的第m个子符号。

其中，所述信号y具体为：

y＝Hx+ω＝HAd+ω

其中，H是一个N*N的信道循环卷积矩阵，ω为N*1的高斯白噪声向量，y经过信道均衡得到向量z，则z＝H^-1HAd+H^-1ω＝Ad+H^-1ω。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明提高了通信系统的频谱效率，减少OFDM技术中所用的循环前缀(CP)，高效利用带宽，降低误码率，进一步提高系统的灵活性。

附图说明

图1为一种时移频分复用水声通信调制方法的流程图；

图2为TS-FDM符号和OFDM符号比较的示意图；

图3为随M增加TS-FDM相对OFDM的频谱效率增益的示意图；

图4为TS-FDM和OFDM在不同正交子载波数下随信噪比变化的误码率(BER)性能的示意图。

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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提出了TS-FDM调制技术。若TS-FDM符号是OFDM符号时域扩展M倍得到的，则在传输数据和正交子载波间隔相同的情况下，TS-FDM的带宽比OFDM降低了M倍，这对于带宽严重受限的水声信道意义重大。并且一个TS-FDM传输块包含多个子载波及多个子符号，整个块只需一个CP，可大幅提升频谱效率。OFDM其本身具有优良的抗干扰特性、快速傅里叶反变换(IFFT)算法快速传输、以及适用于水声通信的发送实数的优点，这些特点在TS-FDM中仍然能够体现。

实施例1

本发明实施例设计了一种时移频分复用水声通信调制方法，本方法在保留OFDM的优良特性基础上，减少OFDM所用的循环前缀(CP)从而提高频谱效率，该方法包括：

在正交频分复用(OFDM)系统中每个载波频率之间需要保持严格的正交性，其本质就是发送端用待调制的数据对系列复指数信号进行加权进而合成一个复信号，OFDM载波生成公式如下所示：

其中，N为子载波总数，n为采样时间，k为子载波索引号。若传输数据所用的带宽为B，使用的正交子载波数为K，子载波间隔为Δf＝B/K。而时移频分复用(TS-FDM)技术正是基于OFDM而得到的，将OFDM的K个子载波在时域扩展M倍，所以TS-FDM子载波生成如下所示：

n＝0，1，2，3，……，N-1

m＝0，1，2，3，……，M-1

k＝0，1，2，3，……，K-1

其中，k＝0，1，...，K-1代表子载波的序列号，m＝0，1，...，M-1表示扩展的子载波组内符号序列号，n＝0，1，...，N-1是采样索引，δ[n]是单位脉冲，g_k，m[n]是由δ[n]在时间和频率上的移位而构成的，mod为取余操作。所以TS-FDM符号可以传输N＝K*M个数据，却和OFDM占用相同的带宽B。

综上所述，本发明实施例提出了时移频分复用(TS-FDM)新型多载波调制技术，旨在提高通信系统的频谱效率，高效利用带宽，降低误码率，进一步提高系统灵活性。

实施例2

下面结合图1、具体的计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

在发射端，若TS-FDM是将K个子载波在时域上时移M次，则在TS-FDM发送端，将要传送的二进制比特流进行编码，之后经过调制符号映射成为复数符号d，d为N*1的向量(N＝K*M)，d＝(d₀ ^T，...，d_K-1 ^T)T，d_k＝(d_0，k，...，d_M-1，k)^T。其中，N＝K*M，表示这N个元素被调制到K个正交子载波上，且每个正交子载波在时域扩展M倍形成一组正交子载波组。

发送信号x＝(x[n])^T为所有子载波上的已调符号的叠加，即：

其中，d_k，m表示向量d中第k个子载波组上的第m个子符号，T为转置。

若令A＝(g_0，0，...，g_0，M-1，g_1，0，...，g_K-1，M-1)则式(2)可以写成向量形式：

x＝Ad(4)

其中，d为传输数据向量，g_K-1,M-1为式(1)所表示的子载波，x为经过TS-FDM调制过的信号。在发送端的最后x要加上循环前缀得到发送向量随后发送向量

发送向量经过水声信道，接收端接收到的数据标记为其后首先去除循环前缀，得到信号y，可以表示为：

v＝Hx+ω＝HAd+ω (5)

其中，H是一个N*N的信道循环卷积矩阵，ω为N*1的高斯白噪声向量。y经过信道均衡得到向量z，则z＝H^-1HAd+H^-1ω＝Ad+H^-1ω。随后向量z经过解调器，该过程可表示为：

解码为二进制输出向量最后经过解映射和解码得到输出信号。

综上所述，本发明实施例提出了时移频分复用(TS-FDM)新型多载波调制技术，旨在提高通信系统的频谱效率，高效利用带宽，降低误码率，进一步提高系统灵活性。

实施例3

下面结合图1-图4、具体计算公式、实例对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

本发明实施例是在OFDM的基础上结合水声信道的特点，更有效的利用有限的带宽，提高了频谱效率。如图2所示，每个TS-FDM符号所占带宽和OFDM符号相同，在两者传输相同数据的情况下，每个OFDM符号都要有一个CP，与之相对，本发明实施例提出的TS-FDM技术对此进行了很大的改进，每个TS-FDM符号也仅需要和OFDM符号相同长度的CP即可。

例如：当M＝4时，OFDM需要四个CP，TS-FDM符号只要一个CP，CP长度相同且满足条件，这就提高了频谱效率。

假设OFDM和TS-FDM的CP长度相同，则TS-FDM相比于OFDM的频谱效率增益为：

其中，N_CP为OFDM和TS-FDM的CP长度。

随着M的增大TS-FDM对于OFDM的频率增益也会变大，并且当M趋于无穷大的时候增益最大，即lim_M→∞ρ＝5/4。

实际应用中会根据具体情况选择M的值。图3为随M增加TS-FDM相对OFDM的频谱效率增益，其中CP长度为正交子载波数的1/4，即频谱效率增益增速在M位于2-10中间较快，随着M的增大，频谱效率增益趋于稳定。更重要的是TS-FDM在提高频谱效率的同时改善了误码性能，如图4所示，图中扩展因子M＝4，CP长度为正交子载波数的1/4，即频谱利用率提高1.114，并且保证OFDM和TS-FDM所占的带宽都在8-14K范围内。总体来说，TS-FDM的误码率性能优于OFDM，在15dB时，TS-FDM性能更明显好于OFDM。因此TS-FDM在频谱效率增加的同时误码率性能得到提升，其更适用于带宽有限的水声信道。明显看出，当K＝256时，由于CP长度不满足大于最大时延的要求，误码率性能显著变差，但TS-FDM性能仍好过OFDM。此外，TS-FDM可以增加CP长度，如N_{(TS-FDM_CP)}＝K/2，即使如此TS-FDM相对于OFDM的频谱效率增益仍然是1.111倍，其误码率性能性能大大优于OFDM，如黑色曲线所示。OFDM符号长度小，其CP很难保证大于最大时延，或者能够保证其CP长度但其他性能会受到严重影响。但TS-FDM却能在保证频谱效率大于OFDM的同时，即TS-FDM的CP符号长度小于其符号长度的四分之一，T_{TS-FDM_CP}≤T_TS-FDM/4，也能够保证循环前缀大于最大时延，性能得到提高，相对具有优良性质。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种时移频分复用水声通信调制方法，其特征在于，所述方法减少了正交频分复用所用的循环前缀，所述方法包括以下步骤：

发射端：

将要传送的二进制比特流进行编码，经过调制符号映射成为复数符号d，d为N*1的向量(N＝K*M)，N个元素被调制到K个正交子载波组上，每个正交子载波组是正交子载波在时域上时移M次形成的；发送信号为所有子载波上的已调符号的叠加；在发送端的最后加上循环前缀得到发送向量

接收端：

发送向量经过水声信道，接收端接收到的数据标记为去除循环前缀，得到信号y，经过信道均衡得到向量z，随后向量z经过解调器解码为二进制输出向量最后经过解映射和解码得到输出信号。

2.根据权利要求1所述的一种时移频分复用水声通信调制方法，其特征在于，所述子载波组为：

n＝0，1，2，3，......，N-1

m＝0，1，2，3，......，M-1

k＝0，1，2，3，......，K-1

其中，K＝0，1，...，K-1代表子载波的序列号，m＝0，1，...，M-1表示扩展的子载波组内符号序列号，n＝0，1，...，N-1是采样索引，δ[n]是单位脉冲，g_k，m[n]是由δ[n]在时间和频率上的移位而构成的，mod为取余操作。

3.根据权利要求1所述的一种时移频分复用水声通信调制方法，其特征在于，所述方法的一个符号能传输N＝K*M个数据，与只能传输K个数据的正交频分复用(OFDM)符号占用相同的带宽。

4.根据权利要求2所述的一种时移频分复用水声通信调制方法，其特征在于，所述发送信号为所有子载波上的已调符号的叠加具体为：

其中，d_k，m表示向量d中第k个子载波组上的第m个子符号。

5.根据权利要求1所述的一种时移频分复用水声通信调制方法，其特征在于，所述信号y具体为：

y＝Hx+ω＝HAd+ω

其中，H是一个N*N的信道循环卷积矩阵，ω为N*1的高斯白噪声向量，y经过信道均衡得到向量z，则z＝H^-1HAd+H^-1ω＝Ad+H^-1ω。