CN105634633A - 用于水声协作通信中的自适应多分支合并频域检测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉水声协作通信技术领域，具体的说是一种用于水声协作通信中的自适应多分支合并频域检测器，其特征在于设有用于对Y_SD信号进行处理的Y_SD信号分支处理器、用于对Y_RD信号进行处理的Y_RD信号分支处理器、加法器以及与加法器输出相连接的检测与解码模块，其中Y_SD信号分支处理器设有依次相连接的FFT模块、均衡系数相乘模块、FFT反变换模块、乘法器，本发明与现有技术相比，能根据每一分支的稳态MSE，自适应地调整相应分支的合并系数，且不需假设各节点间的信道状态信息已知，可取得更好的性能。

Description

用于水声协作通信中的自适应多分支合并频域检测器

技术领域：

本发明涉水声协作通信技术领域，具体的说是一种用于水声协作通信中的自适应多分支合并频域检测器。

背景技术：

近年来，水声通信作为传统有线通信的一种极有竞争力的替代者，已经引起了水下通信领域的广泛关注。这是由日益增长的需求所导致的，因水声通信无需电缆，故不受电缆长度的限制，使用灵活方便，其应用范围广泛，包括水下目标检测、污染检测、海上采油平台的远程监控、海洋勘探、海洋数据采集、海啸预报等方面。为了解决水声通信中的链路可靠性问题，陆上无线通信研究的最新进展，协作通信技术已被考虑用于水声通信。

对水声协作通信来说，源节点发出的信息经由不同的路径到达目的节点，一种为由源节点直接到达目的节点，其它的为通过中继节点转发到达目的节点。因而，***的性能将部分地依赖于对经由不同路径的接收信号的合并处理技术。现有的合并处理技术包括等增益合并和最大比合并方式。相对来说，最大比合并方式能取得更好的性能。然而，最大比合并方式的实现是以假设各节点间的信道状态信息已知为前提的。对于实际的水声协作通信***，这些信道状态信息是很难获得的。除了这一假设外，水声信道具有环境相关性，不同环境下的水声信道是不同的。因而由于环境的不同，信道包络也是不同的。而所需的能获得最优误码率性能的最优合并系数依赖于相应分支的具体信道状态。因此，为了获得更好的误码率性能，多分支检测器需要根据每一分支的具体信道包络，自适应地调整相应的合并系数。目前，还缺少对自适应合并技术的研究。

发明内容：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种基于单载波频域均衡(SC-FDE)体制实现，针对放大转发水声协作通信的用于水声协作通信中的自适应多分支合并频域检测器。

本发明可以通过以下措施达到：

一种用于水声协作通信中的自适应多分支合并频域检测器，其特征在于设有用于对Y_SD信号进行处理的Y_SD信号分支处理器、用于对Y_RD信号进行处理的Y_RD信号分支处理器、加法器以及与加法器输出相连接的检测与解码模块，其中Y_SD信号分支处理器设有依次相连接的FFT模块、均衡系数相乘模块、FFT反变换模块、乘法器，所述Y_SD信号经FFT变换模块处理后与M个均衡系数相乘，再经FFT反变换模块处理后，与C_SD经乘法器相乘送入加法器；Y_SD信号分支处理器设有依次相连接的FFT模块、均衡系数相乘模块、FFT反变换模块、乘法器，所述Y_RD信号经FFT变换模块处理后与M个均衡系数相乘，再经FFT反变换模块处理后，与C_RD经乘法器相乘送入加法器，加法器的输出信号经检测与解码模块处理后输出数据。

本发明基于三节点水声协作通信模型，包含一个发射节点S，一个中继节点R和一个目的节点D，所有节点均为单天线结构，工作于半双工传输模式，且有相同的发射平均功率限制，中继节点的转发模式为放大转发；

从源节点到目的节点的协作传输分为两个阶段，在第一阶段，源节点向目的节点和中继节点广播信号，在第二阶段，中继节点对在第一阶段接收到的信号进行放大，而后转发至目的节点；

在第一阶段，中继和目的节点接收到的信号可分别表示为

$Y_{SR}=\sqrt{P_s}{h}_{SR}{X}_S+n_{SR}---\left(1\right)$

$Y_{SD}=\sqrt{P_s}{h}_{SD}{X}_S+n_{SD}---\left(2\right)$

其中P_S表示信号发送功率，X_S为能量归一化的发送信号，h_SR和h_SD分别表示S→R和S→D信道的信道增益，n_SR和n_SD分别表示相应的加性高斯白噪声(均值为0，方差为σ²)；

在第二阶段，目的节点接收到的来自于中继的接收信号可表示为

$Y_{RD}=\sqrt{P_R}{h}_{RD}\left({\mathrm{\β}}_R{Y}_{SR}\right)+n_{RD}---\left(3\right)$

其中n_RD为加性高斯白噪声，β_R为放大因子，由下式给出

${\mathrm{\β}}_R=\sqrt{\frac{1}{|h_{SR}{|}^2{P}_S+{\mathrm{\σ}}^2}}---\left(4\right)$

其中h_SR表示源节点和中继节点间信道的衰落系数，P_S为信号发送功率，σ²为S→R信道中的噪声功率。

本发明所述检测器将对接收到的Y_SD和Y_RD信号分别处理。每一个分支的M个抽头系数采用自适应频域滤波算法进行训练调整。在训练阶段，利用训练序列训练，根据每一分支的信道，完成检测器的自适应工作。而后，可以获得相应于每一分支的稳态均方误差(MSE)。每一分支的稳态MSE定义由下式给出

${\mathrm{MSE}}_j=E\[|d_n-y_n{|}^2\]=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{e}_i^2}{n}---\left(5\right)$

其中，j表示第j个分支，j∈{SD,RD}。

本发明不同于最大比合并方式，其为了获得合并系数，是以假设所有节点间的信道状态信息已知为前提的，本发明提出的自适应多分支合并频域均衡检测器是基于每一分支的稳态MSE获得合并系数，稳态MSE是频域均衡检测性能的一个很重要的指标，其值越小，则检测器就能获得更好的性能，相反，若稳态MSE越大，则检测器性能就会越差，因此，合并系数可根据稳态MSE得出，如下：

$c_j=\frac{1/{\mathrm{MSE}}_j}{1/{\mathrm{MSE}}_{SD}+1/{\mathrm{MSE}}_{RD}}---\left(6\right)$

其中，j表示第j个分支，j∈{SD,RD}。由(7)式可以看出，明显地，稳态MSEMSE_j越小，则相应的合并系数c_j的值越大。这一简单公式的计算即可实现对每一分支信号的加权处理，性能越好的分支，加权系数越大，反之，则越小，从而可有效地提高检测器的性能。值得一提的是，所提的检测器并不需要假设各节点间的信道状态信息是已知的，因此其更适合于实际的水声协作通信***。

本发明与现有技术相比，能根据每一分支的稳态MSE，自适应地调整相应分支的合并系数，且不需假设各节点间的信道状态信息已知，可取得更好的性能。

附图说明：

附图1是本发明中水声协作通信***框图。

附图2是本发明的结构框图。

附图3是本发明与现有方法的误码率性能比较曲线图。

具体实施方式：

下面结合附图和仿真结果，对本发明作进一步的说明。

如附图1及附图2所示，调制方式采用正交相移键控(QPSK)，所有的节点假设有相同的功率限制。仿真中，采用简单的三节点模型，水声信道采用BELLHOP模型产生。

本发明提出了一种用于水声协作通信中的自适应多分支合并频域检测器，其特征在于设有用于对Y_SD信号进行处理的Y_SD信号分支处理器、用于对Y_RD信号进行处理的Y_RD信号分支处理器、加法器以及与加法器输出相连接的检测与解码模块，其中Y_SD信号分支处理器设有依次相连接的FFT模块、均衡系数相乘模块、FFT反变换模块、乘法器，所述Y_SD信号经FFT变换模块处理后与M个均衡系数相乘，再经FFT反变换模块处理后，与C_SD经乘法器相乘送入加法器；Y_SD信号分支处理器设有依次相连接的FFT模块、均衡系数相乘模块、FFT反变换模块、乘法器，所述Y_RD信号经FFT变换模块处理后与M个均衡系数相乘，再经FFT反变换模块处理后，与C_RD经乘法器相乘送入加法器，加法器的输出信号经检测与解码模块处理后输出数据。

附图3给出了本发明与现有方法的误码率性能比较。从图中可以看出，本发明所提检测器、等增益合并和最大比合并方案，可比点对点(无中继节点参与协作)方案取得更好的误码率性能。这是因为这三种方案在中继节点的协作下，可以获得分集增益。从图中还可以看出，与等增益合并方案相比，所提检测器和最大比合并方案显著地提高了误码率性能。这是因为对多分支合并来说，合并系数是影响误码率性能的一个很重要的参数，所提检测器和最大比合并方案使用的合并系数要优于等增益合并的系数。此外，值得注意的是所提检测器和最大比合并方案取得了接近的误码率性能。但是，与最大比合并方案相比，所提检测器方案不需要在接收端假设各节点间的信道状态信息已知。因此，所提出的方案更适合于实际的水声协作通信***。

Claims (4)

1.一种用于水声协作通信中的自适应多分支合并频域检测器，其特征在于设有用于对Y_SD信号进行处理的Y_SD信号分支处理器、用于对Y_RD信号进行处理的Y_RD信号分支处理器、加法器以及与加法器输出相连接的检测与解码模块，其中Y_SD信号分支处理器设有依次相连接的FFT模块、均衡系数相乘模块、FFT反变换模块、乘法器，所述Y_SD信号经FFT变换模块处理后与M个均衡系数相乘，再经FFT反变换模块处理后，与C_SD经乘法器相乘送入加法器；Y_SD信号分支处理器设有依次相连接的FFT模块、均衡系数相乘模块、FFT反变换模块、乘法器，所述Y_RD信号经FFT变换模块处理后与M个均衡系数相乘，再经FFT反变换模块处理后，与C_RD经乘法器相乘送入加法器，加法器的输出信号经检测与解码模块处理后输出数据。

2.根据权利要求1所述的一种用于水声协作通信中的自适应多分支合并频域检测器，其特征在于

$Y_{SD}=\sqrt{P_s}{h}_{SD}{X}_S+n_{SD}---\left(7\right),$

其中P_S表示信号发送功率，X_S为能量归一化的发送信号，h_SR和h_SD分别表示S→R和S→D信道的信道增益，n_SR和n_SD分别表示相应的加性高斯白噪声(均值为0，方差为σ²)，

$Y_{RD}=\sqrt{P_R}{h}_{RD}\left({\mathrm{\β}}_R{Y}_{SR}\right)+n_{RD}$ $\left(8\right)$

其中n_RD为加性高斯白噪声，β_R为放大因子，由下式给出

${\mathrm{\β}}_R=\sqrt{\frac{1}{|h_{SR}{|}^2{P}_S+{\mathrm{\σ}}^2}}---\left(9\right)$

其中h_SR表示源节点和中继节点间信道的衰落系数，P_S为信号发送功率，σ²为S→R信道中的噪声功率。

3.根据权利要求1所述的一种用于水声协作通信中的自适应多分支合并频域检测器，其特征在于所述检测器将对接收到的Y_SD和Y_RD信号分别处理，每一个分支的M个抽头系数采用自适应频域滤波算法进行训练调整，在训练阶段，利用训练序列训练，根据每一分支的信道，完成检测器的自适应工作，而后，可以获得相应于每一分支的稳态均方误差(MSE)，每一分支的稳态MSE定义由下式给出

${\mathrm{MSE}}_j=E\[|d_n-y_n{|}^2\]=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{e}_i^2}{n}---\left(10\right)$

其中，j表示第j个分支，j∈{SD,RD}。

4.根据权利要求1所述的一种用于水声协作通信中的自适应多分支合并频域检测器，其特征在于合并系数根据稳态MSE得出，如下：

$c_j=\frac{1/{\mathrm{MSE}}_j}{1/{\mathrm{MSE}}_{SD}+1/{\mathrm{MSE}}_{RD}}---\left(11\right)$

其中，j表示第j个分支，j∈{SD,RD}。