CN103391268A - 多输入多输出正交频分复用浅海水声通信图样选择峰均比抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种多输入多输出正交频分复用浅海水声通信图样选择峰均比抑制方法。通过将发送数据乘以加扰图样的方式减少OFDM符号峰值出现概率，利用不同分布图样的导频携带加扰信息，结合浅海水声信道的稀疏特征在接收端对加扰图样的自主区分，实现了无边带信息的图样选择峰均比抑制，同时有效提高了通信***的效率和可靠性。本发明中的无边带信息传输的图样选择峰均比抑制算法可以在不损失PAPR抑制性能的前提下，准确解算出分布图样，实现无边带信息传输的可靠水声通信。

Description

多输入多输出正交频分复用浅海水声通信图样选择峰均比抑制方法

技术领域

本发明涉及的是一种水声通信的峰均功率比抑制方法，具体地说是一种基于MIMO-OFDM（输入多输出-正交频分复用）水声通信的峰均功率比抑制方法。

背景技术

水声通信中可用的带宽资源十分有限，严重限制了水声通信的质量和速率。在这一背景下，有着高频谱利用率的正交频分复用技术结合不需要增加可利用带宽或提高发射功率而能使信道容量获得实质提高的多输入多输出技术，成为近年来高速水声通信的新热点。浅海声信道通常被看作为一个缓慢时变稀疏信道，可以用一个时不变滤波器来描述。压缩感知作为一种针对线性限定***的稀疏解的求解方法，可以用少量的信息来准确恢复稀疏信号，因此适合对具有稀疏性质的浅海声信道进行重建。影响MIMO-OFDM在水声通信中广泛应用的一个重要障碍是其存在高峰值平均功率比(Peak-to-average-power-ratio，PAPR)的缺陷。这一缺陷不仅会限制发射***效率，降低接收信号的信噪比，也会引起信号畸变、造成非线性失真、破坏子载波正交性，降低***性能。国内外关于研究无线电MIMO_OFDM通信技术中峰均比抑制方法的文献丰富，但是由于水声信道通信带宽资源有限，低信噪比、缓慢时变特性，简单采用传统峰均比抑制方法会明显降低***通信速率。

选择性映射（Selective Mapping，SLM）技术是在1996年R.w.Bauml提出的，其基本原理是利用M个加扰相位序列

与输入信号X=[X(0),X(1),...X(N-1)]相乘，其中

n=0,1,...N-1,m=1,2,...M，加扰后数据为X^m=[X^m(0),X^m(1),...X^m(N-1)]。对{X^m(n)}的M个不同OFDM符号进行独立的IFFT变换得到x^m=[x^m(0),x^m(1),...x^m(N-1)]，选择其中峰均比最小的OFDM符号

作为传输序列。其中

该方法相比于直接限幅的方法虽抑制PAPR效果稍差一些但没有误比特率性能损失，不足之处在于需要进行多次的IFFT变换，计算复杂度较高。并且为了准确的恢复原始数据，需要将发射机所采用的辅助信息准确无误的传递到接收机。一旦辅助信息发生错误，会导致一个符号中所携带的信息全部错误，因此需要对该信息进行特殊的编码，或者多次重复发送以保证在接收端能够准确地恢复信号。这样就需要传输大量的边带信息，导致***通信效率的降低以及频带的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实现高可靠性的加扰图样判别，在不损失峰均比抑制性能的基础上有效提高频带利用率的多输入多输出正交频分复用浅海水声通信图样选择峰均比抑制方法。

本发明的谜底是这样实现的：

（1）在数据发送端，将待发送数据X_D与所有M组加扰图样P^m相乘，得到加扰后的全部数据序列

（2）定义M组不同的梳状导频位置Po^m作为标记，对应不同的加扰图样；

（3）将加扰后数据序列

与梳状导频序列X_P按照对应位置Po^m分别组成候选OFDM符号X^m；此时每个候选OFDM符号中已携带加扰图样序号信息，即为传统方法中的边带信息。

（4）对候选OFDM符号进行快速傅里叶逆变换得到时域信号x^m，最后选择其中PAPR（峰值平均功率比）值最小的符号

作为传输符号；

（5）在接收端对接收信号进行傅里叶变换，得到的频域数据Y(k)；

（6）分别提取M组导频位置所对应的频域接收信息，信道估计后得到信道部分频域响应估计信息

（7）通过匹配追踪方法匹配信道，恢复出M组信道时域冲激响应

（8）归一化得到M组信道时域冲激响应计算的自相关系数，获得的M个相关系数中最小值所对应的

即为信道的实际的信道时域冲激响应估计所对应的m值即为加扰图样的序号；

（9）利用上一步中得到的加扰图样对接收频域信号解扰码，并对其解映射、信道解码，恢复发送数据。

所述步骤（3）的中的导频序列X_P，选择对PAPR抑制效果无负面影响的序列，避免添加导频后的峰值再生。

本发明在发送端通过加扰相位序列降低OFDM符号的峰均功率比，利用梳状导频在频域的分布图样携带加扰序列选择信息，在接收端通过对接收到的导频频域响应进行匹配追踪，实现了高可靠性的加扰图样判别，在不损失PAPR抑制性能的前提下，实现了无边带信息传输的图样选择方法，减少了因边带辅助信息错误而导致整个符号全部错误的概率，同时也提高了***的通信效率和频带利用率。

发明提供了一种适合稀疏水声信道环境下的MIMO-OFDM无边带信息的SLM方法，该方法以选择性映射技术为基础，结合水声信道的稀疏特点对方法进行改进。改进的方法利用不同重量分布的梳状导频携带相位旋转序列信息，通过对接收到的导频频域响应进行匹配追踪，实现了高可靠性的加扰图样判别，在不损失传统方法峰均比抑制性能的基础上，有效地提高了频带利用率。

本发明的主要优点为：

1)针对OFDM符号高峰值平均值功率比的特点，采用点乘多个加扰图样、从中选择PAPR值较小的符号进行传输的方式避免高峰值的出现，降低符号的PAPR值，提高发射换能器的效率。

2)本发明提出的改进方法利用梳状导频在频域的分布图样携带加扰序列选择信息，避免了占用水声通信中本不宽裕的频带资源，提高***的频带利用率，同时通过检测信道来检测加扰图样序号，也保证了通信***的实时性。

3)本发明所提出的改进图样选择方法以压缩感知理论为基础，利用浅海水声信道的稀疏性质，通过对信道匹配寻找加扰图样选择信息，节约了传统图样选择方法所必须的边带信息、降低了因边带信息解读错误而造成的误码灾难风险，降低了***发送端能量消耗、提高了***频带利用效率。

附图说明

图1MIMO-OFDM***中无边带信息图样选择抑制峰均功率比方法***框图。

图2基于压缩感知理论的图样检测器结构框图。

图3仿真信道冲激响应。

图4本发明与传统图样选择方式以及未加扰信号CCDF曲线对比图。

图5高斯白噪声下本发明与传统方式以及边带信息已知的图样选择方式的***BER性能对比图。

图6Alpha稳定分布的突发噪声环境下本发明与传统图样选择方式以及边带信息已知的图样选择方式的***BER性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明专利进一步说明。

改进的图样选择峰均比抑制方法需要定义M组不同的梳状导频位置

对应M组不同加扰图样P^m=[P^m(0),P^m(1),…,P^m(N-1)],0≤m≤M，同时选择一组对PAPR抑制效果没有负面影响的导频序列X_P=[X_P(0),X_P(1),...,X_P(N-1)]。

待发送数据为X_D，加扰后数据子载波位置的信号可表示为：

$X_D^m=P^{\mathrm{mT}}{X}_D---\left(1\right)$

此时发送端加扰后信号在频域可表示为：

$X^m\left(k\right)=a{X}_D^m\left(k\right)+b{\mathrm{XD}}_P\left(k\right)---\left(2\right)$

其中：

$a=1,b=0,k\∉{\mathrm{Po}}^m---\left(3\right)$

a=0,b=1    k∈Po^m

对所有加扰后得到的M组时域信号根据峰均功率比的定义公式：

$\mathrm{PAPR}\left(\mathrm{dB}\right)=10{\log }_{10}\frac{\max {\left|x\right|}^2}{E\left({\left|x\right|}^2\right)}---\left(4\right)$

分别计算其PAPR值，选择峰均比最小的序列

作为传输序列。

在接收端利用基于压缩感知理论的图样检测器，通过检测导频图样来确定选择的加扰相位序列，这是本发明的图样选择峰均功率比抑制方法的核心部分。

假设在接收端经过傅里叶变换后得到的频域Y(k)数据满足公式（5）：

Y(k)=X(k)H(k)+W(k)                 （5）

其中H(k)为频域第k个子信道响应，W(k)为频域第k个子信道上的噪声。

定义

为信道H(k)的估计值，对应第m组导频位置Po^m提取的频域接收信息为Y_P ^m，导频信息此时获得M组信道部分频域响应估计信息

${\hat{H}}_P^m=\frac{Y_P}{X_P^m}---\left(6\right)$

通过匹配追踪方法匹配信道，恢复出M组信道时域冲激响应

${\hat{h}}_P^m=f_{\mathrm{MP}}\left({\hat{H}}_P^m\right)---\left(7\right)$

其中f_MP(·)表示匹配追踪。

归一化

得到M组信道时域冲激响应

${\hat{h}}_P^{\′m}=\mathrm{Normlize}\left({\hat{h}}_P^m\right)---\left(8\right)$

M组

有且只有一组为信道时域冲激响应估计

的真实值，计算

的自相关系数，

获得的M个相关系数中最小值所对应的

即为信道的实际的信道时域冲激响应估计

$\hat{h}=\underset{m=1,...,M}{\min }\left(\mathrm{xcorr}\left({\hat{h}}_P^{\′m}\right)\right)---\left(9\right)$

即可利用选出

的真实值及其对应的加扰图样，实现接收信号频域响应的去扰和均衡。

基于压缩感知理论的图样检测器结构如图2所示。

下面的仿真实验是本发明的一个具体实例，通过此例可以对本发明的性能进行验证。

仿真条件：

在Matlab仿真平台中，构建2发2收MIMO-OFDM水声通信***，FFT长度8192，子载波数目1025，通信频带6～12kHz，随机生成10³个OFDM符号，QPSK映射，采用空时编码和卷积码编码，仿真信道冲激响应如图3所示，4倍过采样。

为了说明本发明方法相比于传统SLM方法PAPR抑制性能没有损失的特点，图4给出了本发明与传统SLM方式以及未加扰信号CCDF曲线对比图，从图中可以看出，本发明方法与传统SLM方法的CCDF曲线基本重合，表明其PAPR抑制性能并未损失。

本发明方法是一种无边带信息的图样选择峰均比抑制方法，在提高频带利用率，降低发射功率损耗，以及降低由于通信***受噪声等因素影响未能正确解读边带信息而造成误码灾难的风险等方面具有较大优势。传统的图样选择峰均比抑制方法需要在发送信号中增加相位序列选择信息，每个数据符号需要

比特的边带信息，用来确定所选择的加扰相位序列的序号，其中

表示的是小于x的最大整数，M为所采用的加扰序列的总数。并需要添加大量冗余（通常是编码冗余）以保证***接收端能够正确解读这一信息，以避免由于边带信息解调错误而导致的整个符号信息解调错误灾难。对于多输入多输出的***来说，这个冗余所占用的信息量是巨大的。相比于传统图样选择方法，本发明方法无需将所选加扰相位序列的序号作为边带信息传输给接收端，利用梳状导频在频域的分布图样携带加扰序列选择信息，通过在接收端对导频图样的有效识别，实现对加扰图样选择信息有效解读。本发明方法节约了数据量，提高了数据传输效率和频带利用率，减少了因边带辅助信息错误而导致整个符号全部错误的概率，同时也提高了***的通信效率，保证了通信的实时性，而付出的代价则是计算量的增加。但是由于水声通信的特点，提高***接收端的复杂度以降低发送端的消耗，从而提高***整体效率和稳定性是十分合适的。

图5、图6分别给出了本发明与传统图样选择方式以及边带信息已知的图样选择方式在高斯白噪声和Alpha稳定分布的突发噪声环境下***误比特率性能对比，从图中可以看出本发明方法要优于传统的SLM方法，与边带信息已知的方法误比特率性能基本相当，可以充分说明本发明方法能够正确判断所选相位序列的序号，为接收机提供可靠的边带信息。并且由于浅海信道的稀疏特性，压缩感知方法能够更加准确的估计信道频域响应，同样可以提升***的BER性能，使其达到可靠通信的要求。本发明方法在6dB时即可保证水声通信的正常、可靠进行，优于传统图样选择方法。从图6中还可以看出，本发明方法具有一定的抗突发噪声能力，在突发噪声的环境中也能够可靠有效的解读加扰图样信息，适合于存在突发噪声情况的水声通信。

综上所述，本发明方法是一种适合浅海水声通信的抑制峰均功率比的改进图样选择方法。本发明方法改进了边带信息的传输和判断方式，克服了传统的SLM方法对边带信息的依赖，在不损失PAPR抑制性能的前提下，提高了***的BER性能。通过检测信道的方式保证了接收端加扰图样序号的正确解算，提高了***的通信效率和频带利用率，保证了MIMO-OFDM水声通信***的实时性和可靠性。

以上实例仅为本发明应用的一个例子，本发明内容应不仅局限于MIMO-OFDM***中，对于单入单出、单入多出以及多入单出的OFDM***中抑制峰均功率比均使用，因此均受到本发明专利的保护。

Claims (2)

1.一种多输入多输出正交频分复用浅海水声通信图样选择峰均比抑制方法，其特征是包括如下步骤：

（1）在数据发送端，将待发送数据X_D与所有M组加扰图样P^m相乘，得到加扰后的全部数据序列

（2）定义M组不同的梳状导频位置Po^m作为标记，对应不同的加扰图样；

（3）将加扰后数据序列

与梳状导频序列X_P按照对应位置Po^m分别组成候选OFDM符号X^m；

（4）对候选OFDM符号进行快速傅里叶逆变换得到时域信号x^m，最后选择其中峰值平均功率比值最小的符号

作为传输符号；

（5）在接收端对接收信号进行傅里叶变换，得到的频域数据Y(k)；

（6）分别提取M组导频位置所对应的频域接收信息，信道估计后得到信道部分频域响应估计信息

（7）通过匹配追踪方法匹配信道，恢复出M组信道时域冲激响应

（8）归一化

得到M组信道时域冲激响应

计算

的自相关系数，获得的M个相关系数中最小值所对应的

即为信道的实际的信道时域冲激响应估计

所对应的m值即为加扰图样的序号；

（9）利用上一步中得到的加扰图样对接收频域信号解扰码，并对其解映射、信道解码，恢复发送数据。

2.根据权利要求1所述的多输入多输出正交频分复用浅海水声通信图样选择峰均比抑制方法，其特征是步骤（3）的中的导频序列X_P，选择对峰值平均功率比抑制效果无负面影响的序列。

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