水聲迭代接收機(jī)中的超Nyquist技術(shù)和速率兼容編碼技術(shù)

張友文 ,孫大軍 ,劉璐

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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水聲迭代接收機(jī)中的超Nyquist技術(shù)和速率兼容編碼技術(shù)

張友文1,2,孫大軍1,2,劉璐1,2

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：為良好水聲信道條件設(shè)計(jì)的通信方案在惡劣信道條件下無(wú)法工作，而為惡劣水聲信道條件設(shè)計(jì)的通信方案在良好信道條件下雖然可以有效工作，但是系統(tǒng)頻譜利用率極低；為提高系統(tǒng)的頻帶利用率，通常的手段是提高調(diào)制星座的階數(shù)，然而大量實(shí)踐研究工作表明高階的調(diào)制星座很難在水聲信道有效工作。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種聯(lián)合超Nyquist信號(hào)發(fā)射技術(shù)和速率兼容打孔編碼技術(shù)的自適應(yīng)迭代接收技術(shù)；在低階星座條件下通過(guò)超Nyquist信號(hào)發(fā)射技術(shù)可提高系統(tǒng)的頻帶利用率，采用速率兼容打孔卷積碼編碼技術(shù)可適應(yīng)信道變化提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。仿真研究表明本文提出的方案的頻譜利用率在較高信噪比的加性高斯白噪聲信道條件下可以超過(guò)QPSK調(diào)制的信道容量。湖上高速(最高6 kn)走航試驗(yàn)表明：在淺水時(shí)變的多途信道條件下，本文提出的超Nyquist發(fā)射方案可是實(shí)現(xiàn)無(wú)誤碼率數(shù)據(jù)傳輸，其頻譜利用率為1.8 bit/(s·Hz)。

關(guān)鍵詞：迭代接收機(jī)；水聲通信;多途擴(kuò)展；多普勒擴(kuò)展；超Nyquist技術(shù)；速率兼容打孔編碼技術(shù)；迭代均衡

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160308.1257.008.html

水聲通信技術(shù)在軍事和民用水下信息傳輸領(lǐng)域扮演著愈來(lái)愈重要的角色，雖然水聲通信技術(shù)的研究已經(jīng)開(kāi)展了三四十年，但在高度彌散、動(dòng)態(tài)以及大延時(shí)的海洋環(huán)境中建立可靠的、逼近信道容量的水聲通信鏈路仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)[1-11]。

20世紀(jì)40年代的香農(nóng)(Shannon)存在性定理指出在加性高斯白噪聲(additivewhiteGaussiannoise，AWGN)無(wú)記憶信道條件下存在逼近信道容量通信的編碼方案，Turbo和LDPC編碼等現(xiàn)代編碼技術(shù)的出現(xiàn)使得AWGN條件下的逼近信道容量的通信成為現(xiàn)實(shí)[3-5]；然而在水聲信道條件下實(shí)現(xiàn)可靠的水下無(wú)線信息的傳輸仍然困難重重。

首先，在通信聲吶工作環(huán)境方面：1)嚴(yán)重的信道多途擴(kuò)展帶來(lái)嚴(yán)重的符號(hào)間干擾(inter-symbolinterference，ISI)，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的頻率選擇性衰落，相比于陸地?zé)o線通信而言，水聲信道多途擴(kuò)展長(zhǎng)，這給相干高速通信的信道均衡技術(shù)的計(jì)算復(fù)雜度以及收斂性能帶來(lái)極大挑戰(zhàn)；2)較低的水中聲速導(dǎo)致多普勒效應(yīng)嚴(yán)重，具有極強(qiáng)的時(shí)變、空變特性的水聲信道使得相干和非相干解調(diào)愈加困難；3)聲速的不均勻性導(dǎo)致聲影區(qū)的存在，進(jìn)而極大地限制了可通信的區(qū)域。

其次，在水聲通信信號(hào)處理技術(shù)方面：1)目前的水聲通信技術(shù)的研究過(guò)于關(guān)注物理層，采用固定的編碼率很難實(shí)現(xiàn)逼近信道容量的通信，這主要是因?yàn)椋簽楦咝旁氡刃诺涝O(shè)計(jì)的逼近信道容量的信道編碼方案在低信噪比時(shí)將譯碼失敗，而為低信噪比信道設(shè)計(jì)的逼近信道容量的編碼方案在高信噪比信道下工作時(shí)效率將急劇降低；2)在實(shí)際應(yīng)用中，一方面，當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間不存在反饋鏈路時(shí)，為了保證較低的丟包率發(fā)射機(jī)端往往較為保守地采用極低的通信速率的，從而導(dǎo)致了極低的頻譜利用率，另一方面，當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間存在低速反饋鏈路時(shí)，發(fā)射機(jī)雖然可以采用更高的通信速率，但是由于信道的時(shí)變性，如果接收機(jī)端不能正確接收該數(shù)據(jù)包則丟棄該包并反饋給發(fā)射機(jī)端一個(gè)重傳的請(qǐng)求，這種借用陸地?zé)o線通信的ARQ(automaticrepeatrequest)機(jī)制在遠(yuǎn)程大延時(shí)的水聲信道環(huán)境下效率極低，無(wú)法適應(yīng)信道的變化進(jìn)而達(dá)到信道容量[6]；所有這些因素均使得水聲通信技術(shù)特別是可靠的、逼近信道容量的水聲通信技術(shù)遠(yuǎn)未成熟。

近年來(lái)在無(wú)線通信及網(wǎng)絡(luò)方面涌現(xiàn)出許多新的技術(shù)：首先，速率兼容編碼技術(shù)，在時(shí)變衰落信道上，經(jīng)常使用的差錯(cuò)控制策略是根據(jù)不同的信道條件采用不同的編碼速率，實(shí)現(xiàn)這種策略的有效方式是使用速率兼容的編碼，也就是使用一系列不同速率的碼，此系列中所有碼能夠采用相同的一對(duì)編碼器/譯碼器進(jìn)行編譯碼；在構(gòu)造速率兼容的編碼時(shí)，刪余是最常用的一種方法，即首先設(shè)計(jì)一個(gè)低速率碼，然后在傳輸時(shí)通過(guò)刪除某些特定比特位來(lái)獲得更高的編碼速率[7]。其次，超Nyquist調(diào)制技術(shù)，1974年J.E.Mazo提出在低階調(diào)制星座的條件下以超過(guò)Nyquist速率(faster-than-Nyquist，F(xiàn)TN)發(fā)射信號(hào)，超Nyquist調(diào)制技術(shù)可以在低階調(diào)制條件下極大地提高系統(tǒng)的吞吐量，其最大的缺點(diǎn)是引入了較大的ISI，因此在當(dāng)時(shí)的應(yīng)用需求以及信號(hào)處理?xiàng)l件下并未得到應(yīng)用，然而近年來(lái)在衛(wèi)星、廣播領(lǐng)域的研究表明該調(diào)制方式相比于常規(guī)的高階調(diào)制方式具有較大的優(yōu)勢(shì)[8]；其三，低復(fù)雜度迭代均衡與譯碼技術(shù)，研究表明迭代信道估計(jì)、均衡及譯碼技術(shù)可以在極為困難的信道條件下逼近最優(yōu)的MAP均衡技術(shù)[9-11]。

為提高系統(tǒng)的頻帶利用率以及系統(tǒng)時(shí)變環(huán)境的適應(yīng)能力，本文提出一種聯(lián)合超Nyquist技術(shù)、速率兼容打孔編碼技術(shù)以及迭代均衡與譯碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)變信道條件下的逼近信道容量的水聲單載波通信方案及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

1系統(tǒng)模型

1.1發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)

提出的單載波發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，首先，對(duì)二進(jìn)制信息比特流b進(jìn)行信道編碼，根據(jù)不同的信道編碼率通過(guò)打孔產(chǎn)生不同長(zhǎng)度的編碼比特流，其次，對(duì)編碼比特序列進(jìn)行交織，然后對(duì)交織后的編碼比特c進(jìn)行符號(hào)映射生成不同頻帶利用率的符號(hào)流si，隨后，根據(jù)指定的符號(hào)發(fā)射速率進(jìn)行超Nyquist脈沖成型濾波，最后，進(jìn)行載波調(diào)制。

圖1　發(fā)射機(jī)與接收機(jī)系統(tǒng)框圖Fig.1　Block diagram of the transceiver

令基帶PSK調(diào)制的信號(hào)為

(1)

經(jīng)調(diào)制后的基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)信道即可得接收信號(hào)：

(2)

式中：?表示卷積運(yùn)算。在窄帶信號(hào)調(diào)制中，多普勒效應(yīng)往往表現(xiàn)為頻率的偏移，而實(shí)際的水聲通信信號(hào)通常表現(xiàn)為寬帶或超寬帶信號(hào)的特點(diǎn)，因此多普勒效應(yīng)不僅會(huì)引起接收信號(hào)的頻率擴(kuò)展，同時(shí)還會(huì)引起信號(hào)波形的壓縮或擴(kuò)張，因此經(jīng)歷寬帶多普勒效應(yīng)的接收的信號(hào)為

(3)

1.2迭代接收機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2　迭代接收機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2　Block diagram of the iterative receiver

首先，針對(duì)開(kāi)環(huán)多普勒補(bǔ)償算法在快變多普勒條件下面臨的困難，我們基于Sharif的閉環(huán)多普勒估計(jì)與補(bǔ)償接收機(jī)結(jié)構(gòu)以及超Nyquist信號(hào)發(fā)射技術(shù)(如圖2所示)提出了一種基于迭代接收機(jī)軟反饋信息的閉環(huán)補(bǔ)償方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加精確可靠的多普勒估計(jì)補(bǔ)償[12-14]。

為了保證一定的信號(hào)無(wú)失真比，插值器的輸入端信號(hào)盡量采用較高的采樣率，同時(shí)鑒于分?jǐn)?shù)間隔均衡器對(duì)定時(shí)誤差的不敏感性，線性插值之后的信號(hào)采樣率即前饋均衡器輸入信號(hào)一般采用分?jǐn)?shù)階；令自適應(yīng)判決反饋均衡器第n時(shí)刻接收機(jī)的符號(hào)輸出為

(4)

采用RLS(recursive least square,RLS)算法來(lái)更新均衡器抽頭系數(shù)，即

(5)

式中:λ為遺忘因子，一般取0.9<λ<1，Ψ-1更新公式為

(6)

(7)

多普勒效應(yīng)導(dǎo)致信號(hào)的壓縮或擴(kuò)張進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)頻率分量的變化，頻率分量的時(shí)變性導(dǎo)致接收符號(hào)相位的時(shí)變性，因此通過(guò)判決出相位誤差的變化即指示多普勒的變化；多普勒估計(jì)器的輸入為符號(hào)的相位誤差，多普勒估計(jì)插值因子為

(8)

式中:Kp為跟蹤步長(zhǎng)，最大似然相位估計(jì)為

(9)

其次，寬帶多普勒補(bǔ)償后的接收符號(hào)可表示為

(10)

式中：xn和wn表示接收符號(hào)和噪聲向量，hn,k表示信道增益系數(shù)，Mf+Mp+1為信道最大多途擴(kuò)展長(zhǎng)度，Mf為信道的非因果部分長(zhǎng)度，Mp為信道的因果部分長(zhǎng)度，在自適應(yīng)濾波時(shí)，當(dāng)考慮到濾波器的窗長(zhǎng)度為Ff+Fp+1時(shí)，那么n時(shí)刻的接收向量可表示為[11]

yn=Hnsn+nn

(11)

其中,

信道卷積矩陣為

(12)

那么，自適應(yīng)發(fā)射符號(hào)進(jìn)行估計(jì)為

(13)

將yn代入式(13)即有

(14)

其中

(15)

(16)

(17)

式中:Ω為QPSK星座集上的星座點(diǎn)的集合，Q為發(fā)射符號(hào)星座Ω大小。

2仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1AWGN信道條件下的系統(tǒng)頻帶利用率

圖3　仿真實(shí)驗(yàn)與湖試試驗(yàn)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig.3　Frame structure of the transmitted data

圖4　AWGN信道條件下不同調(diào)制方式的信道容量Fig.4　Capacity for different modulations in AWGN

實(shí)際仿真中的頻帶利用率計(jì)算公式如下:

(18)

式中:B為系統(tǒng)有效帶寬，Q為采用的調(diào)制星座大小。

表1給出本文提出方案的可達(dá)頻譜利用率與AWGN信道條件下的QPSK調(diào)制理論可達(dá)限，由表可知，在較低信噪比區(qū)(0～4 dB)，本文方案接近QPSK調(diào)制理論限，隨著信噪比的增加(大于4 dB時(shí))，本文提出的方案超出了QPSK調(diào)制的理論限。

表1　本文方案的頻譜利用率對(duì)比分析

2.2湖試數(shù)據(jù)分析

2013年11月在吉林省松花湖進(jìn)行了單載波高速走航試驗(yàn)，試驗(yàn)信號(hào)帶寬為2.3～4.3kHz，載波頻率為3.3kHz，調(diào)制方式為BPSK、QPSK、8PSK和16QAM，采用2/3碼率LDPC編碼，本文僅對(duì)符號(hào)率為3k的超Nyquist發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，接收48元垂直陣錨系在湖底，發(fā)射船舷側(cè)固定發(fā)射聲源，聲源入水深度為1m，本文對(duì)接收陣的第20個(gè)基元的接收信號(hào)進(jìn)行處理，深度為41m(此處多途嚴(yán)重)，試驗(yàn)地點(diǎn)測(cè)得的聲速剖面如圖5所示，發(fā)射船相對(duì)于接收基元的航行軌跡如圖6所示。

圖5　聲速剖面Fig.5　The sound profile

圖6　試驗(yàn)走航軌跡Fig.6　The trajectory of experimental ship

取最高航速6kn時(shí)的第10幀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的結(jié)果如圖7所示，由圖可知本文提出的接收機(jī)方案可有效地實(shí)時(shí)逐符號(hào)地跟蹤多普勒的變化，迭代2次后可實(shí)現(xiàn)無(wú)誤碼傳輸，而常規(guī)的方案(開(kāi)環(huán)+PLL+常規(guī)DFE)的誤碼率為18.7%。

用本文提出的接收機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)6min的整個(gè)走航數(shù)據(jù)中的12個(gè)超Nyquist數(shù)據(jù)幀進(jìn)行了處理，本文算法跟蹤出的相對(duì)徑向速度與GPS投影所得的速度基本吻合(如圖8所示)，本文提出的算法可實(shí)現(xiàn)12幀數(shù)據(jù)的無(wú)誤碼傳輸，頻帶利用率為1.8bit/(s·Hz)。

圖7　接收機(jī)性能比較Fig.7　The performance of receiver

圖8　走航試驗(yàn)過(guò)程中提出的接收機(jī)的速度跟蹤能力Fig.8　The tracking performance of velocity of the proposed receiver in the experiment

3結(jié)論

為適應(yīng)水聲信道的時(shí)變性以及提高通信頻譜利用率，本文提出了一種結(jié)合超Nyquist信號(hào)發(fā)射技術(shù)和速率兼容打孔編碼技術(shù)的自適迭代接收機(jī)技術(shù)。

1)研究表明速率兼容打孔編碼技術(shù)可以有效地提高系統(tǒng)適應(yīng)信道的能力，使系統(tǒng)工作在于信道條件相適應(yīng)的最優(yōu)速率下，同時(shí)借助超Nyquist信號(hào)發(fā)射技術(shù)可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的頻譜利用率，但其代價(jià)是引入了額外的ISI，AWGN信道條件下的仿真研究表明由此引入的ISI可由本文提出的迭代接收機(jī)予以有效消除。

2)湖試高速走航試驗(yàn)表明在高度動(dòng)態(tài)的信道條件下本文提出系統(tǒng)可以以1.8bit/(s·Hz)的頻帶利用率穩(wěn)健工作。

后續(xù)將加強(qiáng)速率兼容打孔編碼技術(shù)以及迭代接收機(jī)技術(shù)的研究以便進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)健性以及頻譜利用率。

參考文獻(xiàn)：

[1]STOJANOVICM,CATIPOVICJ,PROAKISJG.AdaptivemultiChannelcombiningandequalizationforunderwateracousticcommunication[J].ThejournaloftheacousticalsocietyofAmerica, 1993, 94(3): 1621-1631.

[2]STOJANOVICM,CATIPOVICJA,PROAKISJG.Phase-coherentdigitalcommunicationsforunderwateracousticchannels[J].IEEEjournalofoceanicengineering, 1994, 19(1): 100-111.

[3]SHANNONCE.Amathematicaltheoryofcommunication

[J].Thebellsystemtechnicaljournal, 1948, 27(3): 379-423, 623-656.

[4]BERROUC,GLAVIEUXA,THITIMAJSHIMAP.Nearshannonlimiterror-correctingcodinganddecoding:Turbocodes[C]//ProceedingsofIEEEinternationalconferenceoncommunications(ICC).Geneva, 1993.

[5]MACKAYDJC,NEALRM.NearShannonlimitperformanceoflow-densityparity-checkcodes[J].Electronicsletters, 1996, 32(18): 1645-1646.

[6]EREZU,WORNELLGW.Asuper-Nyquistarchitectureforreliableunderwateracousticcommunication[C]//Proceedingsofthe49thannualallertonconferenceoncommunication,control,andcomputing.Monticello, 2011.

[7]HAGENAUERJ.Rate-compatiblepuncturedconvolutionalcodes(RCPCcodes)andtheirapplications[J].IEEEtransactionsoncommunications, 1988, 36(4): 389-400.

[8]MAZOJE.Faster-than-Nyquistsignaling[J].TheBellsystemtechnicaljournal, 1975, 54(8): 1451-1462.

[9]CHOIJW,DROSTRJ,SINGERAC,etal.Iterativemulti-channelequalizationanddecodingforhighfrequencyunderwateracousticcommunications[C]//Proceedingsof2008IEEEsensorarraymultichannelsignalprocess.Workshop, 2008: 127-130.

[10]DALYEL,SINGERAC,CHOIJW,etal.Linearturboequalizationwithprecodingforunderwateracousticcommunications[C]//2010conferencerecordofthefortyfourthasilomarconferenceonsignals,systemsandcomputers(ASILOMAR).PacificGrove, 2010: 1319-1323.

[11]CHOIJW,RIEDLTJ,KIMK,etal.Adaptivelinearturboequalizationoverdoublyselectivechannels[J].IEEEjournalofoceanicengineering, 2011, 36(4): 473-489.

[12]SHAHCP,TSIMENIDISCC,SHARIFBS,etal.LowcomplexityiterativereceiverstructurefortimevaryingfrequencyselectiveshallowunderwateracousticchannelsusingBICM-ID:Designandexperimentalresults[J].IEEEjournalofoceanicengineering, 2011, 36(3): 406-421.

[13]SHARIFBS,NEASHAMJ,HINTONOR,etal.AdaptiveDopplercompensationforcoherentacousticcommunication[J].IEEproceedings:radar,sonarandnavigation, 2000, 147(5): 239-246.

[14]RIEDLT,SINGERA.MUST-READ:Multichannelsample-by-sampleturboresamplingequalizationanddecoding[C]//Proceedingsof2013MTS/IEEEOCEANS-Bergen.Bergen, 2013: 1-5.

收稿日期：2015-03-01.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50909029,61471138)； 國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2013DFR20050)；水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(201420040)；國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目(B2420132004).

作者簡(jiǎn)介：張友文(1974-), 男, 副教授,副博士生導(dǎo)師； 通信作者：張友文, E-mail: zhangyouwen@hrbeu.edu.cn.

doi:10.11990/jheu.201503001

中圖分類號(hào)：TN911.5；TB567

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-7043(2016)04-0538-06

Iterativereceiverbasedonsuper-Nyquistandrate-compatiblepuncturedcodingtechniquesforunderwateracousticcommunication

ZHANGYouwen1,2，SUNDajun1,2，LIULu1,2

(1.AcousticScienceandTechnologyLaboratory,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China; 2.CollegeofUnderwaterAcousticEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Abstract：The underwater acoustic communication systems designed for good channel conditions do not work well in harsh channel conditions, and although those designed for harsh channel conditions can work effectively in good channel conditions, the spectral utilization efficiency of these communication systems is very low； while increasing the order of the modulation constellation is an effective way to improve the bandwidth efficiency of these systems, empirical studies show that a high-order modulation constellation works with difficulty in underwater acoustic channels. This paper proposes an adaptive iterative receiver, based on the super-Nyquist and rate-compatible punctured coding techniques. The super-Nyquist technique can improve the bandwidth efficiency of the system with a low-order modulation constellation, and the rate-compatible punctured coding technique can adaptively adjust to changes in the channel. Simulation results show that the spectral efficiency of the proposed receiver can exceed the channel capacity of QPSK modulation in the additive white Gaussian noise channel with a high SNR. Experimental results from a high-speed (up to 6 knots) sailing trial show that the proposed receiver can achieve data transmission with an error-free bit rate and a spectral efficiency of 1.8 bit/(s·Hz) in shallow water channels with rich multipath spread and time-variance characteristics.

Keywords：iterative receiver; underwater acoustic communication; multipath spread; Doppler spread; super-Nyquist; rate-compatible punctured coding technique; iterative equalization

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-03-08.

孫大軍(1972-), 男, 副教授,博士生導(dǎo)師.