基于混沌正交組合序列的M元碼分多址水聲通信

呂曜輝，杜鵬宇，張宏滔，朱小輝

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基于混沌正交組合序列的M元碼分多址水聲通信

呂曜輝1,2，杜鵬宇3，張宏滔3，朱小輝3

(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. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190； 3. 杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所聲納技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310023)

提出了M元能量檢測(cè)器算法，該算法簡單易實(shí)現(xiàn)，極大優(yōu)化了M元碼分多址系統(tǒng)接收機(jī)結(jié)構(gòu)和解碼運(yùn)算量。同時(shí)，M元能量檢測(cè)器具有抗載波相位跳變和抗水聲信道多途干擾的能力。針對(duì)M元碼分多址水聲通信系統(tǒng)中所需擴(kuò)頻序列數(shù)量龐大、選碼難度高的問題，提出了混沌正交組合序列，通過簡單的迭代組合即可產(chǎn)生大量滿足要求的擴(kuò)頻序列，而且同族的混沌正交組合序列間滿足正交關(guān)系。海試試驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了7個(gè)用戶的M元碼分多址水聲通信試驗(yàn) (=512)，共采用了3 584條混沌正交組合序列，每個(gè)用戶通信速率為70 bit.s-1，驗(yàn)證了算法的有效性，為網(wǎng)絡(luò)化水聲通信的應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

水聲通信；M元編碼；碼分多址；混沌正交組合序列；能量檢測(cè)器

0 引言

隨著水聲通信技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)通信需求的增加，多用戶水下聲通信逐漸成為一個(gè)廣泛關(guān)注的研究對(duì)象[1-2]，這種對(duì)水下通信網(wǎng)的廣泛興趣已經(jīng)開始，水下通信網(wǎng)和無人水下潛器及水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)融合并開啟了一系列對(duì)深海探測(cè)的序曲。西方發(fā)達(dá)國家對(duì)水聲通信領(lǐng)域的研究、開發(fā)非常重視，目前國外一些機(jī)構(gòu)包括美國海軍水下作戰(zhàn)中心、美國海軍研究局、麻省理工學(xué)院、Woods Hole海洋研究所、Scripps實(shí)驗(yàn)室、英國海洋研究所及多所高校，已組建多個(gè)水聲通信網(wǎng)并進(jìn)行了多次試驗(yàn)，部分網(wǎng)絡(luò)已應(yīng)用于實(shí)際，不斷推進(jìn)覆蓋地面、空中、水下的立體信息通信網(wǎng)的形成。例如美海軍自1998年起多次進(jìn)行海洋萬維網(wǎng)(Seaweb)[3]水聲通信網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)，是目前規(guī)模最大的在研實(shí)用水聲網(wǎng)絡(luò)，旨在推進(jìn)未來海軍性能最好的水下信息作戰(zhàn)系統(tǒng)DADS，它既可用于全球信息化海戰(zhàn)，也可用于信息化海洋研究與開發(fā)；美國于2008年演示的“近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)”PLUSNet是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的水下網(wǎng)絡(luò)之一，由多個(gè)攜帶半自主傳感器的潛航器組成。

為了防止相互干擾，需要選擇多址接入的方式來使多個(gè)用戶進(jìn)行通信，目前無線電通信中常用的技術(shù)為頻分、碼分、時(shí)分等多址技術(shù)。由于水聲信道的帶寬有限且聲速在水中傳播速度較慢，頻分多址和時(shí)分多址技術(shù)在水聲多用戶通信中應(yīng)用較為困難。碼分多址技術(shù)中使用的不同用戶地址碼相互正交，對(duì)信道及噪聲抗干擾的能力很強(qiáng)，所以相比其他復(fù)用技術(shù)而言，碼分多址技術(shù)已經(jīng)成為一些水聲通信多用戶系統(tǒng)研究的焦點(diǎn)[4-5]。

M元直接序列擴(kuò)頻方式可以獲得比傳統(tǒng)直接序列擴(kuò)頻更高的處理增益和頻帶利用率[6-7]，但是由于M元直擴(kuò)系統(tǒng)接收機(jī)需要拷貝相關(guān)器組進(jìn)行譯碼，所以隨著的增大計(jì)算量將顯著增加[8]。在M元碼分多址(M-ary Code Division Multiple Access，M-CDMA)系統(tǒng)中，這一問題將更加明顯。雖然出現(xiàn)了一些改進(jìn)算法，但是目前已采用的M元擴(kuò)頻技術(shù)中值一般不會(huì)很大[9-10]，以保證系統(tǒng)接收端的解碼工作量不至過于龐大。本文采用M-CDMA系統(tǒng)中的=512，若仍然采用傳統(tǒng)的拷貝相關(guān)器組進(jìn)行解碼，接收機(jī)結(jié)構(gòu)將變得十分復(fù)雜，同時(shí)系統(tǒng)所需的擴(kuò)頻碼數(shù)量十分巨大，選碼難度增加。

由于海面的起伏和收發(fā)雙方的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相干水聲通信的接收信號(hào)載波上將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化的跳變相位。跳變相位將直接導(dǎo)致水聲擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益下降，嚴(yán)重影響水聲擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能。因此，在設(shè)計(jì)任何一個(gè)水聲擴(kuò)頻系統(tǒng)時(shí)都必須考慮如何解決跳變相位的影響。對(duì)于跳變載波相位，通常采用鎖相環(huán)(Phase Locking Loop，PLL)技術(shù)來對(duì)載波進(jìn)行跟蹤同步，但是在碼分多址系統(tǒng)中，由于多址干擾的影響，鎖相環(huán)技術(shù)的應(yīng)用將變得十分困難。

綜上，M-CDMA系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將面臨著以下幾個(gè)問題：(1) 當(dāng)過大時(shí)，接收端解碼運(yùn)算量巨大；(2) 多用戶系統(tǒng)中載波相位跳變的影響；(3) 系統(tǒng)需要龐大數(shù)量的擴(kuò)頻序列。本文基于M元直擴(kuò)系統(tǒng)，提出M元能量檢測(cè)器算法，該算法具有抗載波相位跳變和抗水聲信道多途擴(kuò)展影響的能力，同時(shí)簡單易實(shí)現(xiàn)，極大優(yōu)化了M-CDMA系統(tǒng)接收端的解碼運(yùn)算量。針對(duì)M-CDMA選碼難度高的問題，本文提出了混沌正交組合序列，通過簡單的迭代和組合即可產(chǎn)生大量滿足要求的擴(kuò)頻序列。2015年1月，在某海域成功實(shí)現(xiàn)了7個(gè)用戶的M-CDMA水聲通信，每個(gè)用戶的通信速率為70 bit.s-1.

1 M元能量檢測(cè)器

1.1 M元能量檢測(cè)器原理

圖1給出了M元能量檢測(cè)器的原理圖，下面通過公式推導(dǎo)來對(duì)M元能量檢測(cè)器的原理進(jìn)行說明。

圖1 M元能量檢測(cè)器原理圖

首先定義一個(gè)M元擴(kuò)頻序列矩陣：

式中，為移位矩陣，定義為

接收端采用M元能量檢測(cè)器進(jìn)行解碼，其將本地參考的M元擴(kuò)頻序列矩陣與接收信號(hào)進(jìn)行相乘，通過檢測(cè)輸出信號(hào)能量來完成解碼：

從上述推導(dǎo)過程可以看出，與傳統(tǒng)的拷貝相關(guān)譯碼相比，M元能量檢測(cè)器大大減小了接收端系統(tǒng)的運(yùn)算量。下面將進(jìn)一步分析M元能量檢測(cè)器的性能。

1.2 性能分析

解調(diào)后信號(hào)經(jīng)過低通濾波處理并離散化：

此時(shí)M元能量檢測(cè)器輸出為

可以看出，當(dāng)載波相位跳變緩慢變化時(shí)，M元能量檢測(cè)器算法可有效抑制載波相位跳變的干擾。

2 M-CDMA水聲通信系統(tǒng)

2.1 混沌正交組合序列

Walsh序列具有良好的正交性能，且產(chǎn)生方便，其遞推關(guān)系如下：

Walsh序列雖然具有嚴(yán)格的正交關(guān)系，但是其自相關(guān)特性較差，因此將混沌序列與Walsh組合，構(gòu)成混沌正交組合序列。

通過式(15)生成的一族混沌正交組合序列仍保持著同一族序列中任意兩條序列互相正交的性能：

同時(shí)，混沌正交組合序列也保有了混沌序列優(yōu)良的相關(guān)特性。在一族(=32)混沌正交組合序列中，隨機(jī)選擇一條序列分別與所有序列做相關(guān)運(yùn)算的輸出結(jié)果如圖2所示?？梢钥吹?，本文提出的混沌正交序列均擁有良好的相關(guān)特性，不同的混沌正交組合序列呈弱互相關(guān)特性。

將混沌正交組合序列應(yīng)用到M元能量檢測(cè)器中，則式(5)將變?yōu)?/p>

由式(5)可知，當(dāng)采用傳統(tǒng)擴(kuò)頻序列(如Gold序列)時(shí)，由于接收擴(kuò)頻序列與非期望擴(kuò)頻序列并非嚴(yán)格正交，因此接收擴(kuò)頻序列與本地期望擴(kuò)頻序列匹配輸出能量將受到其與本地非期望擴(kuò)頻序列匹配輸出能量的干擾。而由式(17)可以看到，利用混沌正交組合序列的正交特性，當(dāng)前接收擴(kuò)頻序列與本地序列非期望序列的匹配輸出能量均為0，保證了在檢測(cè)接收擴(kuò)頻序列與本地期望擴(kuò)頻序列匹配輸出能量時(shí)，不受其與非期望擴(kuò)頻序列匹配輸出能量的影響，從而提高了M元能量檢測(cè)器的性能。

2.2 M-CDMA系統(tǒng)

傳統(tǒng)的碼分多址系統(tǒng)中，每個(gè)用戶分配一條偽隨機(jī)序列作為地址碼；而M-CDMA系統(tǒng)中，每個(gè)用戶需要分配條偽隨機(jī)序列作為地址碼，這將直接增大系統(tǒng)的選碼難度。另外，隨著的增加，M-CDMA系統(tǒng)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)將變得十分復(fù)雜。針對(duì)上述問題，本文提出了基于M元能量檢測(cè)器算法的M-CDMA水聲通信系統(tǒng)，系統(tǒng)中的擴(kuò)頻序列采用本文提出的混沌正交組合序列，系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 M-CDMA系統(tǒng)原理圖

DS-CDMA系統(tǒng)在發(fā)送端為每個(gè)用戶分配一個(gè)擴(kuò)頻序列作為地址碼，而本文提出的M-CDMA系統(tǒng)則是在發(fā)送端為每個(gè)用戶分配一族彼此正交的混沌組合序列。由于DS-CDMA系統(tǒng)中每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻序列彼此不是嚴(yán)格正交，因此系統(tǒng)將出現(xiàn)多址干擾；同理，由于不同族的混沌正交組合序列間并非嚴(yán)格正交，本文提出的M-CDMA系統(tǒng)同樣存在著碼間干擾，下面通過公式進(jìn)行說明。

式(19)指出，M-CDMA系統(tǒng)中的干擾來自兩個(gè)方面：多址干擾和噪聲干擾。由于不同族的混沌正交組合序列并非嚴(yán)格正交，將隨著用戶數(shù)量的增多而增大，而噪聲干擾由于被本地?cái)U(kuò)頻序列進(jìn)行了擴(kuò)頻處理，其干擾大大降低。因此M-CDMA系統(tǒng)中的主要干擾為多址干擾，并且隨著用戶數(shù)量的增多而增大。多址干擾是限制碼分多址系統(tǒng)的系統(tǒng)容量的主要因素。另外，水聲信道的多途擴(kuò)展將使得M-CDMA系統(tǒng)的多址干擾變得更加嚴(yán)重。時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)具有時(shí)間和空間聚焦的特性，可以很好的與碼分多址系統(tǒng)結(jié)合。因此，將時(shí)反處理技術(shù)與M-CDMA系統(tǒng)結(jié)合可以有效抵抗水聲信道帶來的影響，顯著提高系統(tǒng)容量。

3 海試試驗(yàn)

2015年1月在某海域進(jìn)行了M-CDMA海上試驗(yàn)，試驗(yàn)海域深度為20～40 m。試驗(yàn)當(dāng)天海面風(fēng)浪較大，這使得接收信號(hào)的相位發(fā)生快速跳變。由于試驗(yàn)條件限制，本次海試試驗(yàn)無法進(jìn)行嚴(yán)格意義上的M-CDMA試驗(yàn)，而是單獨(dú)接收M-CDMA系統(tǒng)中各個(gè)用戶的信號(hào)，在后續(xù)數(shù)據(jù)處理時(shí)將所有用戶的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理。圖4給出了M-CDMA海試試驗(yàn)的布局情況，接收端在A點(diǎn)錨定不動(dòng)，發(fā)射端分別在距離A點(diǎn)5 km、7 km和10 km處，改變換能器的布放深度，給各個(gè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖4 M-CDMA系統(tǒng)的海試布局

M-CDMA系統(tǒng)不僅受到多址干擾的影響，還將受到“遠(yuǎn)近效應(yīng)”的影響。在多址水聲通信中，由于各用戶節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)所處的水平距離不同，使得各信號(hào)到達(dá)主節(jié)點(diǎn)的傳播損失是不同的，如果所有用戶都以相同的功率發(fā)射，距離主節(jié)點(diǎn)較近的用戶接收功率較大。這樣，功率較強(qiáng)的信號(hào)將會(huì)使功率較弱的信號(hào)淹沒其中，無法正確解碼；另外，與主節(jié)點(diǎn)水平距離相同、發(fā)射深度不同的用戶，由于經(jīng)過的水聲信道不同，各個(gè)用戶信號(hào)到達(dá)主節(jié)點(diǎn)的傳播損失仍然不同，這同樣會(huì)導(dǎo)致“遠(yuǎn)近效應(yīng)”。即多址水聲通信中的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”問題不僅要考慮到用戶間的相對(duì)位置，還要全面考察水聲信道的特性?！斑h(yuǎn)近效應(yīng)”問題一般采用功率控制算法解決。由于功率控制不在本文討論范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)處理時(shí)首先將各個(gè)用戶的功率進(jìn)行歸一化處理，避開“遠(yuǎn)近效應(yīng)”對(duì)多址系統(tǒng)的影響。

圖5給出了M-CDMA系統(tǒng)中每個(gè)用戶與主節(jié)點(diǎn)間水聲信道實(shí)際測(cè)量的歸一化輸出結(jié)果。可以看出，每個(gè)用戶的信道多途擴(kuò)展都在10 ms以內(nèi)，信道結(jié)構(gòu)較為簡單，不同用戶對(duì)應(yīng)的水聲信道結(jié)構(gòu)不同。表1給出了海試試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。由于本次海試每個(gè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)量有限，M-CDMA系統(tǒng)所有用戶均實(shí)現(xiàn)了0誤碼解碼。圖6給出了M-CDMA系統(tǒng)中每個(gè)用戶前10 bit信息解碼效果圖，從圖6可以看出，在每個(gè)用戶的每個(gè)符號(hào)周期內(nèi)，M元能量檢測(cè)器，輸出能量均出現(xiàn)明顯的峰值。因此通過搜索符號(hào)周期內(nèi)峰值出現(xiàn)的位置即可完成當(dāng)前用戶的當(dāng)前符號(hào)周期內(nèi)的解碼。

圖5 不同用戶實(shí)測(cè)的信道圖

表1 M-CDMA系統(tǒng)中的用戶位置信息

圖6 M-CDMA系統(tǒng)解碼輸出結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出的M元能量檢測(cè)器算法，通過檢測(cè)匹配能量輸出進(jìn)行解碼，極大優(yōu)化了M元碼分多址系統(tǒng)接收機(jī)結(jié)構(gòu)，降低了接收端解碼計(jì)算量。同時(shí)，M元能量檢測(cè)器算法具有抗載波相位跳變和抗水聲信道多途擴(kuò)展干擾的能力。本文提出的混沌正交組合序列使得M元碼分多址系統(tǒng)選碼工作變得簡單，在M元碼分多址水聲系統(tǒng)通信試驗(yàn)中通過簡單的迭代和組合成功產(chǎn)生了7族3584條擴(kuò)頻序列。在2015年1月的海上試驗(yàn)中成功實(shí)現(xiàn)了7個(gè)用戶的M元碼分多址水聲通(=512)，解碼效果良好。

基于M元能量檢測(cè)器和混沌正交組合序列的M元碼分多址通信系統(tǒng)仍然受到多址干擾的影響，這是因?yàn)椴煌宓幕煦缯唤M合序列并非具有嚴(yán)格正交特性，這使得基于混沌正交編碼的M元多用戶系統(tǒng)仍然面臨“遠(yuǎn)近效應(yīng)”的問題，后續(xù)將重點(diǎn)針對(duì)“遠(yuǎn)近效應(yīng)”問題開展功率控制研究。另外，水聲信道將使期望用戶和非期望用的多途擴(kuò)展干擾變成“虛擬用戶”，使得多址干擾進(jìn)一步增加，從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)容量。因此，后續(xù)研究將充分考慮水聲信道的影響，通過結(jié)合實(shí)際水聲物理環(huán)境特性發(fā)展空分多址技術(shù)，進(jìn)一步提高M(jìn)元碼分多址系統(tǒng)性能。

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M-ary code division multiple access underwater acoustic communication based on chaotic orthogonal combination sequence

Lü Yao-hui1,2, DU Peng-yu3, ZHANG Hong-tao3, ZHU Xiao-hui3

(1. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang, China;2. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;3.Science and Technology on Sonar Laboratory, Hangzhou Applied Acoustic Institute, Hangzhou 310023,Zhejiang, China)

An M-ary energy detector algorithm is proposed. The algorithm is simple and easy to implement, which greatly optimizes the receiver structure and decoding operation of the M-ary code division multiple access (CDMA) system. Also, the M-ary energy detector has the ability to resistcarrier phase hopping and multi-channel interference in underwater acoustic channels. To solve the problem of selecting a large number of spreading sequences in M-ary CDMA underwater acoustic communication system, a chaotic orthogonal combination sequence is proposed in this paper, and a large number of spreading sequences satisfying the requirements can be generated through a simple combination of iterations. And, the orthogonal relationship exists between the chaotic orthogonal combination sequences of the same family. In January 2015, a sea trial successfully implemented the M-ary code CDMA Acoustic Communication Test (= 512) for 7 users with a total of 3584 chaotic orthogonal combination sequences and a communication rate of 70 bit.s-1, whichverifies the validity of the proposed algorithm and provides a technical basis for the application of networked underwater acoustic communications.

underwater acoustic communication; M-ary code; code division multiple access; chaotic orthogonal combination sequence; energy detector

TB567

A

1000-3630(2018)-01-0032-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.01.006

2017-12-04;

2018-02-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61701449、61701450、61471137)。

呂曜輝(1982－), 男, 北京人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理。

呂曜輝, E-mail: hqb0092@163.com