水聲正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)幀間干擾消除方法
【專利摘要】水聲正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)幀間干擾消除方法，涉及水聲正交頻分復(fù)用通信。包括：建立多徑干擾信號(hào)模型，分別研究對(duì)于多徑干擾信號(hào)的時(shí)延值小于或大于符號(hào)間隔兩種情形下的消除模型，利用壓縮感知理論估計(jì)多徑干擾信號(hào)的時(shí)延和幅值，根據(jù)算法設(shè)計(jì)利用時(shí)延和幅值信息對(duì)原始信號(hào)消除干擾；最后對(duì)消除干擾后的OFDM信號(hào)進(jìn)行頻域的均衡處理。提出的干擾信號(hào)時(shí)延和幅值估計(jì)不同于傳統(tǒng)的估計(jì)算法，是基于壓縮感知理論的估計(jì)算法，對(duì)噪聲不敏感，估計(jì)更準(zhǔn)確，可以有效消除由于多徑時(shí)延造成的碼間干擾影響，提高系統(tǒng)的性能。
【專利說明】水聲正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)幀間干擾消除方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水聲正交頻分復(fù)用通信，尤其涉及一種水聲正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)幀間干擾消除方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水聲信道高速數(shù)據(jù)傳輸，是水聲通信的重要組成部分。近年來正交頻分復(fù)用(OFDM)通信系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于水聲通信中，它的優(yōu)點(diǎn)主要是抗多徑干擾能力強(qiáng)，傳輸速率高，能充分利用頻帶的寬度。但是水聲信道是極其復(fù)雜的時(shí)間-空間-頻率變化、強(qiáng)多途、有限頻帶和高噪聲的信道，會(huì)給信號(hào)帶來嚴(yán)重的載波間干擾和符號(hào)間干擾問題，限制了OFDM通信系統(tǒng)性能。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于OFDM研究文獻(xiàn)中已經(jīng)提出很多技術(shù)用來提高系統(tǒng)性能，如自適應(yīng)均衡，加保護(hù)間隔，自適應(yīng)波束成形和分解等技術(shù)，但這些技術(shù)都沒有考慮多徑干擾信號(hào)非常嚴(yán)重(大于保護(hù)間隔或者符號(hào)間隔)的情況，也沒有對(duì)這種多徑帶來的幀間干擾進(jìn)行消除。
[0003]壓縮感知理論是在信號(hào)處理領(lǐng)域內(nèi)提出的新技術(shù)(石光明，劉丹華，高大化，等.壓縮感知理論及其研究進(jìn)展[J].電子學(xué)報(bào)，2009，37 (5): 1070-1081)。它允許從非常有限的采樣值中有效的重建稀疏信號(hào)。許多研究已將壓縮感知理論應(yīng)用與信道估計(jì)中(Berger C R, Zhou S，Preisig J C，et al.Sparse channel estimation for multicarrierunderwater acoustic communication: From subspace methods to compressedsensing [J].Signal Processing, IEEE Transactions on, 2010，58 (3): 1708-1721),這是壓縮感知在通信中的重要應(yīng)用。與傳統(tǒng)的導(dǎo)頻輔助信道估計(jì)方法相比，基于壓縮感知理論的信道估計(jì)方法無需通過插值來得到數(shù)據(jù)子載波上的沖激響應(yīng)，可有效的降低信道估計(jì)誤差和提高系統(tǒng)的頻譜利用率。同時(shí)，對(duì)噪聲不敏感。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種可消除由于多徑時(shí)延帶來的碼間干擾影響的基于壓縮感知理論的水聲正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)幀間干擾消除方法。
[0005]本發(fā)明包括水聲OFDM系統(tǒng)發(fā)送端信號(hào)處理和水聲OFDM系統(tǒng)接收端信號(hào)處理；
[0006]所述水聲OFDM系統(tǒng)發(fā)送端信號(hào)處理包括以下步驟:
[0007](I)先將經(jīng)過QPSK符號(hào)映射后的信號(hào)，進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換得到并行信號(hào)，在并行信號(hào)中插入梳狀導(dǎo)頻值，其中插入的個(gè)數(shù)滿足:
[0008]M?N (I)
[0009]式(I)中，M是插入的導(dǎo)頻個(gè)數(shù)，N是子載波總的個(gè)數(shù)；
[0010](2)對(duì)插入導(dǎo)頻的并行信號(hào)進(jìn)行傅里葉反變換(IFFT)，得到OFDM調(diào)制信號(hào)；
[0011](3)將OFDM調(diào)制信號(hào)末尾的Lcp個(gè)子載波信號(hào)進(jìn)行復(fù)制，放在OFDM調(diào)制信號(hào)前面，得到加入循環(huán)前綴的OFDM調(diào)制信號(hào)，循環(huán)前綴是一種有效克服碼間干擾的保護(hù)間隔，但是也會(huì)降低系統(tǒng)的傳輸效率，因此，所選取的保護(hù)間隔的長(zhǎng)度滿足:[0012]Lcp = T/4 (2)
[0013]式(2)中，T表不符號(hào)時(shí)間；
[0014](4)將步驟(3)所述加入循環(huán)前綴的OFDM調(diào)制信號(hào)依次經(jīng)過數(shù)模變換、上變頻后發(fā)送出去；
[0015]所述水聲OFDM系統(tǒng)接收端信號(hào)處理是針對(duì)水聲OFDM通信系統(tǒng)接收信號(hào)中前一幀符號(hào)對(duì)下一巾貞符號(hào)的多徑干擾時(shí)延是Tep < τ p < T的情況,所述水聲OFDM系統(tǒng)接收端信號(hào)處理包括以下步驟:
[0016]Α、建立多徑干擾信號(hào)模型:
[0017]對(duì)于前一幀符號(hào)的多徑干擾時(shí)延可能出現(xiàn)的情況有:多徑時(shí)延小于符號(hào)時(shí)間τρ
<T,其中T為符號(hào)周期；另一種情況是前一巾貞符號(hào)的多徑干擾時(shí)延大于符號(hào)時(shí)間τρ>τ,其中T為符號(hào)周期；
[0018]B、基于步驟A中不同的干擾信號(hào)模型，利用壓縮感知理論估計(jì)出多徑干擾信號(hào)的時(shí)延和幅值，然后消除干擾信號(hào)，最后進(jìn)行均衡處理和判決輸出。
[0019]優(yōu)選地，在步驟A中，水聲信道存在著較大的時(shí)延擴(kuò)展，其中主要能量集中在部分多徑信道上，信道可以看成是稀疏的；對(duì)于不同的水聲環(huán)境，多徑干擾時(shí)延可以表示為兩種基本的信號(hào)模型。
[0020]優(yōu)選地，在步驟B中，多徑干擾信號(hào)的時(shí)延和幅值估計(jì)對(duì)于步驟A中的Tcp < τρ
<T情況時(shí)，具體包括以下步驟:
[0021]a、在系統(tǒng)接收端，基于壓縮感知信道估計(jì)原理，利用接收到的前一幀符號(hào)的頻域?qū)ьl值和對(duì)應(yīng)的發(fā)送導(dǎo)頻值，可以估計(jì)出信道的時(shí)域脈沖響應(yīng)，得到(ap; τρ)；
[0022]b、根據(jù)多徑信號(hào)的(ap; τρ)，把接收到的前一幀時(shí)域符號(hào)延遲移位τρ，并乘以干擾抑制因子Wp ；
[0023]C、從接收到的時(shí)域信號(hào)中減去前一幀信號(hào)移位后的末尾τ p/Ts長(zhǎng)度的干擾信號(hào)，其中Ts為采樣間隔；
[0024]d、對(duì)干擾消除后的信號(hào)進(jìn)行均衡處理，判決輸出。
[0025]優(yōu)選地，在步驟B中，多徑干擾信號(hào)的時(shí)延和幅值估計(jì)對(duì)于步驟A中的τ p > T時(shí)，具體包括以下步驟:
[0026]a、在系統(tǒng)接收端，基于壓縮感知原理，利用接收到的當(dāng)前符合的頻域?qū)ьl值和前一幀符號(hào)的發(fā)送的導(dǎo)頻值，可以估計(jì)出信道的時(shí)域脈沖響應(yīng)，得到(ap; τρ)；
[0027]b、根據(jù)多徑信號(hào)的(ap; τρ)，把接收到的前一幀時(shí)域符號(hào)延遲移位τρ，并乘以干擾抑制因子Wp ；
[0028]C、從接收到的時(shí)域信號(hào)中減去前一幀信號(hào)移位后的前面(Τ+Τερ-τρ)/%*度的干擾信號(hào)，其中Ts為采樣間隔；
[0029]d、對(duì)干擾消除后的信號(hào)進(jìn)行均衡處理，判決輸出。
[0030]本發(fā)明的有益效果如下:
[0031]本發(fā)明提供了一種基于壓縮感知理論的水聲OFDM通信系統(tǒng)幀間干擾消除方法，通過建立多徑干擾信號(hào)模型。利用壓縮感知理論估計(jì)多徑干擾信號(hào)的時(shí)延和幅值，根據(jù)時(shí)延和幅值信息可以消除干擾信號(hào)；最后對(duì)消除干擾后的OFDM信號(hào)進(jìn)行頻域的均衡處理。所提出的方法對(duì)噪聲不敏感，估計(jì)更準(zhǔn)確，可以有效消除由于多徑時(shí)延造成的幀間干擾影響，提高系統(tǒng)的性能。由圖5中可以看出，信號(hào)經(jīng)過惡劣的多徑環(huán)境下，當(dāng)干擾信號(hào)的多徑時(shí)延Tcp < τρ < T時(shí)，經(jīng)過干擾消除的系統(tǒng)性能比沒有干擾消除的性能要好，在信噪比為15dB時(shí)，誤碼率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。由圖6中可以看出，當(dāng)干擾信號(hào)τρ> T時(shí)，經(jīng)過干擾消除的系統(tǒng)性能比沒有干擾消除的性能要要好很多，且性能提高是顯著的。解決了水聲惡劣環(huán)境中多徑衰落產(chǎn)生的符號(hào)間干擾問題，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)，也可以應(yīng)用與單載波頻域均衡(SC-FDE)系統(tǒng)中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是水聲OFDM系統(tǒng)框圖；
[0033]圖2是多徑時(shí)延τ p < Tb情況下的建模；
[0034]圖3是多徑時(shí)延τ p > T情況下的建模；
[0035]圖4是對(duì)干擾消除的算法流程圖；
[0036]圖5是對(duì)干擾信號(hào)Tep < τρ < T情況的仿真誤碼率性能圖；
[0037]圖6是對(duì)干擾信號(hào)τ p > T情況的仿真誤碼率性能圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0039]本發(fā)明是考慮一個(gè)基于循環(huán)前綴的正交頻分復(fù)用(OFDM)通信系統(tǒng)，如圖1所示，在基于梳狀導(dǎo)頻的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)送端，每個(gè)OFDM符號(hào)的子載波總數(shù)是N，插入M個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)，這M個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)占據(jù)相應(yīng)的M個(gè)子信道，其中導(dǎo)頻間隔為L(zhǎng)=N/M，也就是說每隔L 一I個(gè)數(shù)據(jù)子信道插入一個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)，Xp (m)為插入的第m個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)的值，Xd (m)為加入的有用數(shù)據(jù)符號(hào)。發(fā)送的原始比特信息經(jīng)過QPSK調(diào)制后均勻插入導(dǎo)頻，頻域信號(hào)可以表示為:
[0040]
【權(quán)利要求】
1.水聲正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)幀間干擾消除方法，其特征在于包括水聲OFDM系統(tǒng)發(fā)送端信號(hào)處理和水聲OFDM系統(tǒng)接收端信號(hào)處理； 所述水聲OFDM系統(tǒng)發(fā)送端信號(hào)處理包括以下步驟: (1)先將經(jīng)過QPSK符號(hào)映射后的信號(hào)，進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換得到并行信號(hào)，在并行信號(hào)中插入梳狀導(dǎo)頻值，其中插入的個(gè)數(shù)滿足: M?N (I) 式(I)中，M是插入的導(dǎo)頻個(gè)數(shù)，N是子載波總的個(gè)數(shù)； (2)對(duì)插入導(dǎo)頻的并行信號(hào)進(jìn)行傅里葉反變換，得到OFDM調(diào)制信號(hào)； (3)將OFDM調(diào)制信號(hào)末尾的Lct個(gè)子載波信號(hào)進(jìn)行復(fù)制，放在OFDM調(diào)制信號(hào)前面，得到加入循環(huán)前綴的OFDM調(diào)制信號(hào)，循環(huán)前綴是一種有效克服碼間干擾的保護(hù)間隔，所選取的保護(hù)間隔的長(zhǎng)度滿足: Lcp = T/4 (2) 式(2)中，T表不符號(hào)時(shí)間； (4)將步驟(3)中所述加入循環(huán)前綴的OFDM調(diào)制信號(hào)依次經(jīng)過數(shù)模變換、上變頻后發(fā)送出去； 所述水聲OFDM系統(tǒng)接收端信號(hào)處理是針對(duì)水聲OFDM通信系統(tǒng)接收信號(hào)中前一幀符號(hào)對(duì)下一幀符號(hào)的多徑干擾時(shí)延`是Tep < τ p < T的情況,所述水聲OFDM系統(tǒng)接收端信號(hào)處理包括以下步驟: Α、建立多徑干擾信號(hào)模型: 對(duì)于前一幀符號(hào)的多徑干擾時(shí)延可能出現(xiàn)的情況有:多徑時(shí)延小于符號(hào)時(shí)間τ ρ < Τ，其中T為符號(hào)周期；另一種情況是前一幀符號(hào)的多徑干擾時(shí)延大于符號(hào)時(shí)間τρ > Τ，其中T為符號(hào)周期； B、基于步驟A中不同的干擾信號(hào)模型，利用壓縮感知理論估計(jì)出多徑干擾信號(hào)的時(shí)延和幅值，然后消除干擾信號(hào)，最后進(jìn)行均衡處理和判決輸出。
2.如權(quán)利要求1所述水聲正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)幀間干擾消除方法，其特征在于在步驟A中，水聲信道存在著較大的時(shí)延擴(kuò)展，其中主要能量集中在部分多徑信道上，信道看成是稀疏的；對(duì)于不同的水聲環(huán)境，多徑干擾時(shí)延表不為兩種基本的信號(hào)模型。
3.如權(quán)利要求1所述水聲正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)幀間干擾消除方法，其特征在于在步驟B中，多徑干擾信號(hào)的時(shí)延和幅值估計(jì)對(duì)于步驟A中的Tct < τρ<Τ情況時(shí)，具體包括以下步驟: a、在系統(tǒng)接收端，基于壓縮感知信道估計(jì)原理，利用接收到的前一幀符號(hào)的頻域?qū)ьl值和對(duì)應(yīng)的發(fā)送導(dǎo)頻值，估計(jì)出信道的時(shí)域脈沖響應(yīng)，得到(ap; τρ)； b、根據(jù)多徑信號(hào)的(ap;τρ)，把接收到的前一幀時(shí)域符號(hào)延遲移位τρ，并乘以干擾抑制因子Wp ； 。、從接收到的時(shí)域信號(hào)中減去前一幀信號(hào)移位后的末尾％/%長(zhǎng)度的干擾信號(hào)，其中Ts為采樣間隔； d、對(duì)干擾消除后的信號(hào)進(jìn)行均衡處理，判決輸出。
4.如權(quán)利要求1所述水聲正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)幀間干擾消除方法，其特征在于在步驟B中，多徑干擾信號(hào)的時(shí)延和幅值估計(jì)對(duì)于步驟A中的τρ > T時(shí)，具體包括以下步驟:a、在系統(tǒng)接收端，基于壓縮感知原理，利用接收到的當(dāng)前符合的頻域?qū)ьl值和前一幀符號(hào)的發(fā)送的導(dǎo)頻值，估計(jì)出信道的時(shí)域脈沖響應(yīng)，得到(ap; τρ)； b、根據(jù)多徑信號(hào)的(ap;τρ)，把接收到的前一幀時(shí)域符號(hào)延遲移位τρ，并乘以干擾抑制因子Wp ； C、從接收到的時(shí)域信號(hào)中減去前一幀信號(hào)移位后的前面(Τ+?；ρ- τ p)/Ts長(zhǎng)度的干擾信號(hào)，其中Ts為采樣間隔； d、對(duì)干擾消 除后的信號(hào)進(jìn)行均衡處理，判決輸出。
【文檔編號(hào)】H04L27/26GK103873406SQ201410140745
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月9日
【發(fā)明者】孫海信, 蒯小燕, 齊潔, 程恩 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)