一種有效的MIMO水聲通信干擾消除方案

林玉容

摘要：為了消除MIMO水聲通信系統(tǒng)中的碼間干擾和信道間干擾，提出結合正交擴頻技術的自適應DFE干擾消除方案。發(fā)送端采用正交序列對多個陣元的信號進行擴頻處理，使各子信道信號相互正交。接收端采用基于RLS自適應算法的DFE均衡器對時變水聲信道進行跟蹤，無須復雜的信道估計就能抑制碼間干擾，并在多陣元信號處理中增加信道間干擾消除模塊，進一步消除信道間干擾。方案實現復雜度低，所需頻率少，能夠有效降低系統(tǒng)的誤碼率，仿真結果驗證了該方案的優(yōu)良性能。

關鍵詞：MIMO水聲系統(tǒng)；正交擴頻技術；自適應DFE干擾消除

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）22-0291-03

1 引言

隨著海洋資源的開發(fā)、海洋信息的發(fā)展，高速水聲通信的需求日益增加。多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）作為一種實現高速通信的技術，在無線環(huán)境中的研究相對成熟[1-3]，將應用于5G移動通信系統(tǒng)中。而在水聲系統(tǒng)中，MIMO技術同樣具有應用前景[4-5]，但水聲信道多徑效應嚴重、傳播衰減強等特點限制了MIMO系統(tǒng)的快速發(fā)展。針對MIMO水聲信道特點，文獻[6-7]中發(fā)送端將可用頻帶分割成6個子帶并由6個陣元發(fā)送，接收端采用濾波器將各子帶信號分離，從而避免信道間干擾，并通過三種均衡結構來抑制碼間干擾。系統(tǒng)采用空時網格碼和空時分層碼，算法復雜度高，且多子帶占用了較寬的頻帶。文獻[8-10]基于垂直空時分層（Vertical Bell Labs Layered Space-Time，V-BLAST）結構進行高速水聲通信系統(tǒng)研究，當信道多徑擴展嚴重時，水聲MIMO通信系統(tǒng)性能下降嚴重。文獻[9-10]通過將各層信號調制到彼此正交的子載波上，從而消除信道間干擾。接收端采用基于判決反饋均衡（Decision Feedback Equalization，DFE）技術的干擾消除方法來抑制碼間干擾。該方案所需載波頻率的個數隨著發(fā)送陣元數的增加而增加，占用較寬的頻帶資源。且各子信道之間的相互干擾消除完全依賴于子載波的正交性。

針對MIMO水聲信道多徑效應嚴重、多陣元信號相互干擾等問題，研究了結合正交擴頻技術的自適應DFE干擾消除方案，采用正交擴頻碼使各發(fā)送陣元的信號互不相關，增加自適應信道間干擾消除模塊，抑制信道間干擾，通過自適應DFE干擾消除抑制由多徑效應引起的碼間干擾。最后通過Matlab仿真驗證該方案在中等距離，多徑效應嚴重的水聲MIMO通信中的有效性。

2 結合正交擴頻技術的自適應DFE干擾消除方案

假設V-BLAST架構的MIMO水聲通信系統(tǒng)有[NT]個發(fā)送陣元、[NR]個接收陣元，發(fā)送端將數據送入串并轉換模塊，產生[NT]組并行的子數據流，分別分配到對應發(fā)送陣元，每一陣元信號獨立進行擴頻、調制等操作。

3 仿真結果

考慮方案主要解決的問題，仿真采用BELLHOP模型構建了中等距離的MIMO水聲通信信道，構建出的海洋信道存在比較嚴重的多徑，不僅多徑時延長且旁徑的幅值也比較大，將引起比較嚴重的碼間干擾，且各子信道之間存在信道間干擾。

BELLHOP模型設定收發(fā)端距離15km，水深50m，采用2發(fā)2收的陣元架構，發(fā)送端2個陣元深度分別是30m和40m，接收端陣元放置深度與發(fā)送端相同。

提出的結合正交擴頻技術的自適應DFE干擾消除方案中，接收端首先對信號進行解擴處理，利用擴頻序列的正交性來消除各發(fā)送陣元信號之間的信道間干擾，然后將信號送入判決反饋均衡器中，判決反饋均衡器的前饋濾波器階數設定為5，反饋濾波器階數為3，數據幀中前512bit的Gold序列作為判決反饋均衡器的訓練序列，采用RLS自適應算法進行權值系數迭代，其過程如第2小節(jié)表1說明。仿真比較了傳統(tǒng)的自適應DFE干擾消除方案（無信道間干擾消除）、增加信道間干擾消除模塊的自適應DFE干擾消除方案（有信道間干擾消除）以及提出的結合正交擴頻技術的自適應DFE干擾消除方案（有信道間干擾消除），結果如圖2所示。

仿真結果看出，雖然構建的信道多徑效應嚴重，產生的碼間干擾比較強，但自適應DFE仍能夠有效地發(fā)揮作用，信噪比為8dB時，將誤比特率降至10-3數量級。此外，在傳統(tǒng)的自適應DFE方案的基礎上增加信道間干擾消除模塊能夠將誤碼性能提升約0.5個數量級，說明該仿真系統(tǒng)存在信道間干擾，且驗證了信道間干擾消除模塊的有效性。

提出的結合正交擴頻技術的自適應DFE干擾消除方案相較于傳統(tǒng)的自適應DFE方案，其誤比特率下降至少1個數量級，且隨著信噪比的增加性能改善越明顯，相較于增加信道間干擾消除模塊的自適應DFE方案，其誤比特率下降約0.5個數量級。說明采用的擴頻序列在中等距離，多徑效應嚴重的水聲系統(tǒng)中仍能夠保持較好的正交性，進一步抑制了信道間干擾。

4 結論

為抑制水聲信道中的碼間干擾和信道間干擾，提出結合正交擴頻技術的自適應DFE干擾消除方案。仿真構建了多徑效應嚴重，各子信道間存在相互干擾的中等距離MIMO水聲信道，仿真結果驗證了該方案的有效性，能夠顯著降低系統(tǒng)的誤比特率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

參考文獻：

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