本發(fā)明主要涉及通信領(lǐng)域，尤其涉及一種載波頻偏干擾下基于mimo?ocdm的水聲通信方法。

背景技術(shù)：

1、在水聲通信中，高速率調(diào)制技術(shù)對單輸入單輸出系統(tǒng)的通信性能提升是有限的，由于水下帶寬資源受限，想要進(jìn)一步提升通信性能只能依靠空間維度的擴展，即采用多輸入多輸出(multi?input?multi?output,mimo)系統(tǒng)進(jìn)行通信。mimo系統(tǒng)中，使用空間復(fù)用技術(shù)能夠使得不同的發(fā)射換能器發(fā)送獨立的數(shù)據(jù)流，進(jìn)而提升系統(tǒng)的通信速率，隨著發(fā)射換能器的增加，系統(tǒng)通信速率線性增加，這對于帶寬有限的水聲通信系統(tǒng)是非常具有吸引力的，當(dāng)接收端天線大于發(fā)送端天線時，可以聯(lián)合多個接收端，獲取不同路徑影響下的接收信號，也能一定程度上提升系統(tǒng)通信性能。對于集中式mimo水聲通信系統(tǒng)，來自集中式的發(fā)送端信號在接收端是準(zhǔn)同步的，經(jīng)歷不同路徑的信號被相似的多普勒擴展效應(yīng)影響，挑戰(zhàn)主要來源于信道間干擾和載波頻偏干擾。

2、正交啾分復(fù)用(orthogonal?chirp?division?multiplex,ocdm)是近年來提出的一種新型調(diào)制技術(shù)，由于其在時頻域的衰落和干擾表現(xiàn)出的良好的魯棒性，被廣泛運用于各個領(lǐng)域。ocdm運用一組正交的啁啾子載波傳輸信息，具有掃頻特性，與正交頻分復(fù)用(orthogonal?frequency?division?multiplex,ofdm)類似，ocdm是一種高速率的調(diào)制技術(shù)。目前mimo?ocdm僅在陸地?zé)o線電通信開展了部分研究，考慮其針對水聲通信的運用，還應(yīng)著重考慮水下載波頻偏干擾對集中式mimo系統(tǒng)帶來的影響。此外，水下能量有限，也應(yīng)在設(shè)計中統(tǒng)一考慮能量利用率的問題。因此，綜合上述現(xiàn)狀，考慮水下mimo系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)，設(shè)計發(fā)送端信號和接收端多天線載波頻偏估計算法，是提升mimo?ocdm水聲通信系統(tǒng)性能的重要思路。

3、國內(nèi)申請?zhí)枮?02310486672.7的名稱為“一種菲涅爾域零導(dǎo)頻ocdm水聲通信的載波頻偏估計補償方法”提供了針對單輸入單輸出水聲通信系統(tǒng)的載波頻偏干擾應(yīng)對方法。國內(nèi)申請?zhí)枮?02310473500.6的名稱為“一種基于ocdm水聲通信系統(tǒng)的多峰多普勒估計補償方法，設(shè)計了一種針對ocdm水聲通信過程中多普勒估計的算法。國內(nèi)申請?zhí)枮?02210179209.3的名稱為“一種mimo-ofdm水聲信道估計方法”，提出了一種mimo?ofdm系統(tǒng)中基于改進(jìn)yolo網(wǎng)絡(luò)估計信道的方法。上述方法雖然一定程度上探究了ocdm在水聲通信中的解決方法，以及現(xiàn)有調(diào)制方式在mimo系統(tǒng)中的運用，但仍未考慮ocdm在mimo水聲通信系統(tǒng)中的需要應(yīng)對的載波頻偏干擾這一主要挑戰(zhàn)，限制了mimo?ocdm信號在水聲通信中的通信效果。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題包括：

2、如何設(shè)計一種載波頻偏干擾下基于mimo?ocdm的水聲通信方法，從而克服上述技術(shù)問題。

3、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種載波頻偏干擾下基于mimo?ocdm的水聲通信方法，包括步驟：

4、步驟1，設(shè)計mimo?ocdm發(fā)送信號；

5、步驟2，經(jīng)過具有載波頻偏干擾的信道后，生成mimo?ocdm接收信號；

6、步驟3，對接收信號執(zhí)行重疊相加操作；

7、步驟4，估計多水聽器的載波頻偏干擾，接收信號中每個傳輸塊內(nèi)有個空符號被用于估計載波頻偏，不同水聽器的載波頻偏估計方式相同，可對不同水聽器分別補償；

8、步驟5，對補償后信號進(jìn)行預(yù)處理操作；

9、步驟6，推導(dǎo)多水聽器接收信號的緊湊型表達(dá)；

10、步驟7，估計mimo?ocdm系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移矩陣；

11、步驟8，均衡接收信號，

12、步驟9，估計發(fā)送信息。

13、進(jìn)一步地，所述步驟1包括：

14、步驟11：設(shè)計發(fā)射換能器菲涅爾域發(fā)送符號；

15、考慮集中式mimo?ocdm水聲通信系統(tǒng)，共有mt個發(fā)射換能器，mr個水聽器，采用空間復(fù)用技術(shù)以提升發(fā)送信息速率，為滿足信號可恢復(fù)性，系統(tǒng)發(fā)送端換能器和接收端水聽器的數(shù)量需要滿足mr≥mt≥1；在第q個發(fā)射換能器中，第i個菲涅爾域的信息流表示為dq(i)＝[dq(in),dq(in+1),…,dq(in+n-1)]t，長度為n，導(dǎo)頻符號p＝[b,0,…,0]t，長度為l，分配固定功率設(shè)置用于載波頻偏估計的空符號數(shù)量為其中l(wèi)h是最大信道延遲擴展；

16、步驟12：設(shè)計發(fā)射換能器分配策略矩陣；

17、為不同發(fā)射換能器設(shè)計分配策略矩陣c＝blkdiag([pt,…,pt])，大小為mt×mtl，其中blkdiag(·)表示矩陣的分塊對角矩陣元素，該矩陣的第q行的行向量cq，作為第q個發(fā)射換能器采用的導(dǎo)頻策略，長度為mtl；

18、步驟13：生成mimo?ocdm發(fā)送信號；

19、mimo?ocdm信號中菲涅爾域符號構(gòu)建為長度為m＝n+(mt+1)l，其中是長度為l的空符號。發(fā)送符號xq(i)

20、在復(fù)用一組正交啁啾信號后進(jìn)行傳輸，具體地使用dfnt矩陣，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

21、

22、其中m為ocdm系統(tǒng)的子載波數(shù)量；對調(diào)制后的信號執(zhí)行添加零后綴的操作，表示為第q個發(fā)射換能器的發(fā)送信號為所述基帶信號經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換和上變頻操作后，在開頭和結(jié)尾加上保護(hù)間隔和前后導(dǎo)碼，而后進(jìn)行傳輸。

23、進(jìn)一步地，所述步驟2中，第p個水聽器接收到的信號表示為

24、

25、其中大小為(m+l)×m的托普利茲矩陣hp,q(i)是mimo系統(tǒng)中從第q個發(fā)射換能器到第p個水聽器的信道系數(shù)矩陣，其中第一列表示為

26、

27、對角矩陣第p個水聽器上存在歸一化的載波頻偏干擾εp＝2πfp/b,εp∈[0,1)，其中fp為單位為hz的載波頻偏，b是帶寬；第p個水聽器添加零均值方差為的加性高斯白噪聲wp(i)。

28、進(jìn)一步地，所述步驟3中，重疊相加操作表示為矩陣pzp＝[imizp]，其中izp是im矩陣的前l(fā)列；對不同水聽器接收信號中的載波頻偏干擾分別進(jìn)行補償，表示為

29、

30、進(jìn)一步地，所述步驟4還包括：

31、步驟41：在變化范圍內(nèi)選取一個候選值預(yù)補償接收信號；

32、需要從載波頻偏的變化范圍[0,1)中選取一個候選值用于補償接收信號，補償后的接收信號表示為

33、

34、步驟42：將補償后的接收信號從時域轉(zhuǎn)換至菲涅爾域；

35、利用dfnt矩陣，將從時域轉(zhuǎn)換至菲涅爾域之后，接收信號表達(dá)為

36、

37、其中有色噪聲信道矩陣是循環(huán)矩陣，xq(i)是由xq(i)構(gòu)成的循環(huán)矩陣；

38、步驟43：設(shè)計載波頻偏估計度量；

39、設(shè)計選擇矩陣選取接收信號中只受噪聲和載波頻偏干擾的空符號，其表達(dá)式為

40、

41、其中⊙是是元素乘法運算，統(tǒng)一的選擇矩陣定義為長度為m，其中收集菲涅爾域空符號能量，載波頻偏估計度量表示為

42、

43、步驟44：構(gòu)建多水聽器載波頻偏優(yōu)化函數(shù)；

44、將第p個水聽器里個空符號上的能量視為優(yōu)化目標(biāo)，通過在[0,1)范圍內(nèi)選取載波頻偏候選值，第p個水聽器的載波頻偏可估計為

45、

46、進(jìn)一步地，所述步驟5還包括：

47、得到補償載波頻偏后接收信號

48、

49、將大小為m×m的dft矩陣運用在預(yù)處理過程中,整個預(yù)處理過程表示為，

50、

51、其中是大小為m×m的循環(huán)矩陣，可以被fm對角化為λp,q(i)，λp,q(i)是第q個發(fā)射換能器和第p個水聽器之間的信道頻率響應(yīng)，將對角化，可以得到大小為m×m的對角矩陣其對角線上元素為

52、進(jìn)一步地，所述步驟6還包括，推導(dǎo)多水聽器接收信號的緊湊型表達(dá)；

53、堆疊不同水聽器預(yù)處理后的信號,表示為

54、

55、其中mimo信道轉(zhuǎn)移矩陣上述式子的緊湊型表達(dá)為

56、

57、其中和都是一個mrm×1的向量，是一個大小為mrm×mrm的對角矩陣，是一個mtm×1的向量；

58、進(jìn)一步地，所述步驟7還包括，

59、步驟71：將補償后信號轉(zhuǎn)移至菲涅爾域，

60、將補償載波頻偏后的接收信號zp(i)從時域轉(zhuǎn)換至菲涅爾域，表示為

61、

62、其中

63、步驟72：估計各發(fā)射換能器和水聽器之間的信道系數(shù)，

64、各發(fā)射換能器到第p個水聽器之間的信道系數(shù)可由第p個水聽器的接收信號估計出，具體為

65、

66、其中長度為m的信道選擇矩陣定義為

67、步驟73：估計各發(fā)射換能器和水聽器之間的信道頻率響應(yīng)，

68、在對信道系數(shù)左乘傅立葉變換矩陣后，第q個發(fā)射換能器到第p個水聽器之間信道頻率響應(yīng)

69、進(jìn)一步地，所述步驟8還包括，均衡后信號表示為

70、

71、其中是均衡矩陣，最小均方誤差均衡器的表示方法如下

72、

73、其中包含不同水聽器的協(xié)方差矩陣，第p個水聽器上有色噪聲的協(xié)方差矩陣表示為迫零均衡器表示為

74、

75、進(jìn)一步地，所述步驟9具體為，第q個發(fā)射換能器第i個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)被估計為

76、

77、其中數(shù)據(jù)符號的選擇矩陣表示為

78、與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明的技術(shù)效果在于：

79、針對現(xiàn)有mimo?ocdm系統(tǒng)沒有考慮載波頻偏干擾這一水聲通信過程中的主要挑戰(zhàn)，沒有進(jìn)行相應(yīng)的算法估計補償設(shè)計。本發(fā)明提出一種基于菲涅爾域空符號的多水聽器載波頻偏估計算法。該算法設(shè)計了統(tǒng)一的符號選擇方式，以收集不同水聽器中接收信號的空符號能量。實現(xiàn)了mimo?ocdm水聲通信系統(tǒng)的載波頻偏的估計補償。本發(fā)明提出的估計算法通過相鄰符號能量泄漏值作為尋找最佳載波頻偏估計值的目標(biāo)函數(shù)，通過將每個水聽器的接收信號轉(zhuǎn)換至菲涅爾域之后，構(gòu)建選擇矩陣以收集空符號能量，通過一維兩步搜索的方式尋找最小目標(biāo)函數(shù)，降低搜索次數(shù)。本發(fā)明設(shè)計算法實現(xiàn)了mimo?ocdm水聲通信系統(tǒng)中多水聽器對載波頻偏的分別補償，有效提升了ocdm系統(tǒng)在水下環(huán)境的通信準(zhǔn)確性。

80、針對現(xiàn)有mimo?ocdm系統(tǒng)沒有針對載波頻偏干擾設(shè)計具有估計載波頻偏潛力的發(fā)送信號。本發(fā)明針對mimo水聲通信系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)設(shè)計了發(fā)送信號，通過為不同換能器設(shè)計不同的導(dǎo)啁啾分配策略矩陣，使得同時發(fā)送的信號在接收端可分離，具備完成后續(xù)頻偏補償、信道矩陣估計等操作的能力。本發(fā)明設(shè)計的分配策略矩陣需考慮以下三點因素：首先，需要滿足不同換能器使用的策略相互正交；同時，需要在導(dǎo)頻符號后預(yù)留空符號，使接收端具備載波頻偏的估計能力；此外，每個天線使用的導(dǎo)頻需要具有傳輸塊內(nèi)估計信道的能力。本發(fā)明設(shè)計的發(fā)送信號在接收端可以使得mimo?ocdm接收信號能夠在載波頻偏干擾的情況下完成信道系數(shù)估計和信號解調(diào)，提升對水下環(huán)境的適應(yīng)性。

81、針對現(xiàn)有的mimo?ocdm系統(tǒng)對能量利用率考慮不足，采用添加循環(huán)前綴的方式消除塊間干擾，沒有十分注重均衡過程降低復(fù)雜度的現(xiàn)狀。本發(fā)明考慮水聲通信場景中能量受限現(xiàn)狀，創(chuàng)新性的為mimo?ocdm信號使用零后綴方式消除塊間干擾，并推導(dǎo)低復(fù)雜度計算方法。本發(fā)明針對零后綴添加方式，在接收端增加重疊相加等預(yù)處理操作降低計算復(fù)雜度，同時通過將矩陣乘法和除法轉(zhuǎn)換為元素乘法和除法的方式降低均衡器復(fù)雜度。本發(fā)明添加零后綴操作的設(shè)計降低了冗余信息的發(fā)送比例，將更多的能量有效集中至信息傳輸部分。低復(fù)雜度的均衡器設(shè)計也提升了mimo?ocdm系統(tǒng)中信息解調(diào)的速度。

82、以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。