基于索引調(diào)制的FBMC 水聲抗干擾通信技術(shù)研究

張明亮，王 彪，朱雨男，吳承希，李涵瓊

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引 言

自二戰(zhàn)以來水下高速率通信一直是值得探索的熱點(diǎn)之一，正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division multi-plexing，OFDM）技術(shù)由于其頻譜利用率高、傳輸數(shù)據(jù)速率快、抗頻率選擇性衰落強(qiáng)、抗多徑干擾等優(yōu)勢(shì)，已然成為水聲多載波通信的經(jīng)典調(diào)制手段。但OFDM 帶外輻射較高，同時(shí)由于水聲信道的時(shí)變空變易產(chǎn)生符號(hào)間干擾（inter-symbol interference，ISI）和子載波間干擾（inter-carrier interference，ICI）。為了追求更高的頻譜效率和更靈活的抗干擾手段，學(xué)者們相繼提出了濾波器組多載波（filter bank multi-carrier，F(xiàn)BMC）通信技術(shù)、索引OFDM（OFDM-IM）等解決方案。

由于FBMC 具有極低的帶外泄露，從而更容易與認(rèn)知無線電理論相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的動(dòng)態(tài)感知，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)環(huán)境感知技術(shù)測(cè)得水聲信道頻譜信息，從而得到非連續(xù)頻帶干擾頻率范圍，對(duì)進(jìn)一步研究抗干擾通信提供理論支撐。盡管FBMC 具備較為良好的系統(tǒng)性能，但仍存在有用符號(hào)和子載波之間的干擾，為解決有用符號(hào)均受到周圍符號(hào)對(duì)其疊加的干擾問題，在無線通信環(huán)境系統(tǒng)中提出一種基于索引調(diào)制的濾波器組多載波（FBMC-IM）通信系統(tǒng)，闡述了在不增加額外帶寬資源的情況下增加了索引信息，根據(jù)索引映射方案選擇部分子載波激活來傳輸信息，使得系統(tǒng)在傳輸信息時(shí)既有子載波原本攜帶的信息，也有子載波的索引信息，可以在保證系統(tǒng)頻譜效率的情況下，消減干擾能量和提升信干比。相比傳統(tǒng)FBMC 系統(tǒng)具有更好的頻譜效率和系統(tǒng)可靠性。窄帶干擾是水聲多載波通信系統(tǒng)中的一種常見干擾類型，它能量高且占用系統(tǒng)的部分帶寬，會(huì)破壞子載波之間的正交性，導(dǎo)致通信系統(tǒng)通信性能下降，因此，為水聲通信領(lǐng)域提供一種新調(diào)制方式下的高速抗干擾多載波通信系統(tǒng)的方法，具有重要的研究意義。

本文在水聲信道中有非連續(xù)頻帶干擾的情況下，解決通信信號(hào)與干擾的混疊導(dǎo)致接收端誤碼率較高的問題，提出一種基于索引調(diào)制的FBMC 水聲抗干擾通信技術(shù)研究方案。根據(jù)非連續(xù)干擾頻率范圍，對(duì)存在非連續(xù)頻帶干擾的FBMC-IM 系統(tǒng)的通信頻帶進(jìn)行劃分，使得通信信號(hào)與非連續(xù)頻帶干擾信號(hào)混疊部分的子載波靜默，與干擾信號(hào)不混疊的子載波處于活躍狀態(tài)并通過通信信號(hào)，轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)的通信頻帶的通信模式傳遞有用信號(hào)來規(guī)避干擾，從而使得水聲通信系統(tǒng)的抗干擾能力變強(qiáng)。

1 系統(tǒng)模型

索引調(diào)制是受空間域發(fā)射信息的思想演變而來，只用激活的部分天線來發(fā)射信息，未激活的天線當(dāng)作輔助發(fā)射索引信息。根據(jù)這一思想，將子載波狀態(tài)信息索引調(diào)制引入到水聲FBMC 通信系統(tǒng)模型中，就可以得到水聲FBMC-IM 通信系統(tǒng)模型，其系統(tǒng)模型框圖如圖1 所示。

圖1 水聲FBMC-IM 通信系統(tǒng)模型Fig.1 Model of underwater acoustic FBMC with index modulation communication system

在水聲FBMC-IM 通信系統(tǒng)模型中，發(fā)射端首先對(duì)需要傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行比特分流處理，分為星座調(diào)制比特和索引調(diào)制比特。假設(shè)輸入到發(fā)送端的數(shù)據(jù)信息比特為比特，考慮每一個(gè)FBMC-IM 的符號(hào)內(nèi)的全部子載波數(shù)為，發(fā)送端的信息經(jīng)過分流處理后被平均分配到個(gè)子載波塊中，即FBMC-IM 系統(tǒng)中每個(gè)子載波塊內(nèi)含有的子載波數(shù)相同為個(gè)，且每個(gè)子載波塊包含的比特?cái)?shù)為個(gè)比特信息，其關(guān)系滿足以下表達(dá)式：

與傳統(tǒng)FBMC 不同在于，F(xiàn)BMC-IM 的每個(gè)子載波塊中的個(gè)比特信息將被分成2 部分進(jìn)行傳輸，先取一部分比特信息進(jìn)行索引調(diào)制，是用來控制選擇決定要被激活的子載波索引序列；剩余的另一部分比特信息則進(jìn)行星座調(diào)制，用來控制決定被激活的子載波中的符號(hào)信息。

為保證一般性，假設(shè)在分組后的個(gè)子載波塊中選擇標(biāo)號(hào)的子載波塊，將該子載波塊中個(gè)子載波的索引序列攜帶的信息比特，送入索引選擇器，其中個(gè)子載波中選擇了個(gè)子載波激活，-個(gè)子載波保持靜默不攜帶數(shù)據(jù)，則其選擇出來的子載波序列可以表示為：

需注意式中，i∈[1,...,]，∈[1,...,]，激活子載波的位置攜帶的索引信息比特?cái)?shù)據(jù)可以表示為：

另一方面，剩下的比特信息將被送入到星座調(diào)制映射器中，被映射成為星座符號(hào)輸出，可以表示為：

如子載波塊長(zhǎng)度=4，子載波塊內(nèi)激活子載波數(shù)=2，則激活的子載波和對(duì)應(yīng)攜帶的激活子載波位置映射表如表1 所示。

表1 FBMC-IM 激活子載波映射表(Q,k)=(4,2)Tab.1 FBMC-IM Activation subcarrier mapping table (Q,k)=(4,2)

FBMC-IM 產(chǎn)生模塊產(chǎn)生器通過索引序列I和傳輸?shù)姆?hào)矢量S來產(chǎn)生所有的子載波塊，最后將所有的FBMC-IM 子塊合并的頻域信號(hào)矢量可表示為：

在FBMC-IM 產(chǎn)生器之后，水聲FBMC-IM 系統(tǒng)的發(fā)送端后續(xù)處理過程與傳統(tǒng)的FBMC 系統(tǒng)相同。

當(dāng)發(fā)送信號(hào)經(jīng)過水聲信道后到達(dá)接收端，首先是對(duì)傳統(tǒng)FBMC 進(jìn)行解調(diào)，然后進(jìn)行均衡消除等得到FBMC-IM 接收數(shù)據(jù)符號(hào)后，通過檢測(cè)器將這些FBMCIM 數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行分組，根據(jù)激活的子載波和對(duì)應(yīng)攜帶的激活子載波位置索引信息利用查表法選擇對(duì)應(yīng)映射關(guān)系，就可以把它們解調(diào)出來，實(shí)現(xiàn)索引位置譯碼和星座符號(hào)譯碼。

2 抗干擾模型

水聲FBMC-IM 抗干擾通信系統(tǒng)模型如圖2 所示。

圖2 水聲FBMC-IM 抗干擾通信系統(tǒng)模型Fig.2 Model of underwater acoustic FBMC-IM anti-jamming communication system

發(fā)送信號(hào)先經(jīng)過索引調(diào)制和星座映射后，在水聲FBMC-IM 通信系統(tǒng)中生成一整段FBMC-IM 數(shù)據(jù)符號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)環(huán)境感知頻帶信息測(cè)得的水聲信道中非連續(xù)頻帶干擾的頻率范圍，將水聲FBMCIM 通信系統(tǒng)的整個(gè)子載波通信頻帶進(jìn)行劃分，使得通信信號(hào)與干擾頻帶重疊的子載波靜默，通信信號(hào)與干擾頻帶不重疊的子載波處于活躍狀態(tài)，F(xiàn)BMC-IM 一整段通信信號(hào)穿插在非連續(xù)頻帶干擾中。經(jīng)過水聲信道到達(dá)接收端后，再根據(jù)環(huán)境感知頻譜信息，進(jìn)行FBMC-IM 索引調(diào)制解調(diào)譯碼，最終得到接收信號(hào)。

非連續(xù)頻帶干擾在實(shí)際信道中是確實(shí)存在的且是可以通過認(rèn)知無線電環(huán)境感知相關(guān)技術(shù)測(cè)的。由于水聲FBMC-IM 系統(tǒng)由多個(gè)相互正交的子載波組成，可以將系統(tǒng)的整個(gè)頻帶劃分為受干擾的頻帶部分和未受干擾的頻帶部分。通常的部分頻帶干擾模型為：

式中：P為干擾波形的平均功率，ω=2πf為載波頻率，θ為載波的隨機(jī)相位，均勻分布在 [0,2π] 上，g是隨機(jī)調(diào)制的符號(hào)，T是符號(hào)周期，τ是隨機(jī)延時(shí)，均勻分布在 [0，T] 上，()是基帶波形。

根據(jù)上述模型可得到一通信干擾頻帶范圍內(nèi)的一段連續(xù)頻帶干擾，而非連續(xù)頻帶干擾至少有2 個(gè)及以上的干擾頻帶段才可以說非連續(xù)。同樣的道理，再通信頻帶范圍內(nèi)的另一個(gè)頻帶范圍再設(shè)置一段連續(xù)的頻帶干擾。將這些頻帶干擾都相疊加，就可以得到非連續(xù)的頻帶干擾。因此，若一水聲信道中的非連續(xù)頻帶干擾是由2 個(gè)窄帶干擾段構(gòu)成，所對(duì)應(yīng)的混疊干擾與通信信號(hào)的可能會(huì)出現(xiàn)4 種組合方式，取其中一種混疊的干擾信號(hào)與通信信號(hào)組合方式，可以得到一非連續(xù)頻帶干擾下的通信頻帶示意圖如圖3 所示。

圖3 非連續(xù)頻帶干擾下的通信頻帶示意圖Fig.3 Schematic diagram of communication frequency band under non-continuous band jamming

在沒有干擾的情況下，水聲FBMC-IM 通信系統(tǒng)的整個(gè)子載波通信頻帶是進(jìn)行等間距的劃分，也就是每個(gè)頻帶內(nèi)同時(shí)傳輸?shù)淖虞d波以均勻的頻帶間隔劃分。知道水聲信道中非連續(xù)頻帶干擾的頻率范圍后，實(shí)際上就表現(xiàn)為非連續(xù)頻帶干擾與通信信號(hào)出現(xiàn)了非連續(xù)的混疊干擾。

混疊干擾部分進(jìn)行處理過程圖如圖4所示。首先通信信號(hào)通過索引調(diào)制加入空載波后得到索引調(diào)制的通信信號(hào)，然后根據(jù)環(huán)境感知測(cè)得的非連續(xù)頻帶干擾對(duì)索引調(diào)制通信信號(hào)進(jìn)行等間距的頻帶劃分，使得混疊的干擾信號(hào)頻帶部分的子載波全部靜默，不傳通信信號(hào)，沒有混疊部分的的子載波處于活躍狀態(tài)得到③，③再進(jìn)行傳統(tǒng)的FBMC 調(diào)制后，經(jīng)過水聲信道到達(dá)接收端，經(jīng)過FBMC解調(diào)、均衡消除等得到④，根據(jù)環(huán)境感知進(jìn)行頻帶劃分，得到索引調(diào)制待解調(diào)的通信信號(hào)⑤，然后進(jìn)行FBMC-IM 通信信號(hào)索引解調(diào)譯碼恢復(fù)原始通信信號(hào)得到⑥。

圖4 非連續(xù)頻帶干擾處理過程圖Fig.4 Discontinuous band jamming processing process diagram

將這一整段FBMC-IM 索引調(diào)制通信信號(hào)剪切分成若干幾段，使得混疊的干擾信號(hào)頻帶子載波靜默不傳通信信號(hào)，沒有混疊的干擾信號(hào)頻帶的子載波處于活躍狀態(tài)傳送通信信號(hào)，使FBMC-IM 一整段通信信號(hào)穿插在非連續(xù)頻帶干擾中。然后，經(jīng)過水聲信道到達(dá)接收端后，再根據(jù)環(huán)境感知頻譜信息，將非連續(xù)干擾頻段找出，把原來被剪切成幾段的通信信號(hào)段合并還原成一個(gè)完整的通信信號(hào)段，再進(jìn)行FBMC-IM 索引調(diào)制解調(diào)譯碼，最終恢復(fù)原始信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真與分析

3.1 無干擾下水聲FBMC 系統(tǒng)和水聲FBMC-IM 系統(tǒng)性能分析

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和可靠性，實(shí)驗(yàn)采用的水聲信道數(shù)據(jù)來自清江湖北宜昌段，圖5 為用線性調(diào)頻信號(hào)測(cè)得某一時(shí)刻的信道沖激響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)設(shè)置Tab.2 Setting of experimental simulation parameters

圖5 水聲信道某一時(shí)刻沖激響應(yīng)圖Fig.5 Impulse response diagram of underwater acoustic channel at a certain moment

實(shí)驗(yàn)仿真首先對(duì)系統(tǒng)無干擾的情況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)傳統(tǒng)水聲FBMC 和水聲FBMC-IM 系統(tǒng)誤碼率進(jìn)行仿真對(duì)比，并且對(duì)于水聲FBMC-IM 不同激活子載波數(shù)目的情況的誤碼率也進(jìn)行了仿真對(duì)比。這里把FBMC-IM 系統(tǒng)所有子載波分成了128 子載波塊。如同表格1 從每組4 個(gè)子載波中選出2 個(gè)子載波來激活的選擇方式，并且仿真還考慮了=4,={4,3,2,1}共4 種情況，也就是從每個(gè)子載波塊的4 個(gè)子載波中分別選出4，3，2，1 個(gè)子載波來激活，使得激活的子載波處于活躍狀態(tài)傳輸星座符號(hào)，未激活的子載波處于靜默狀態(tài)補(bǔ)充空載波，當(dāng)==4時(shí)，水聲FBMCIM 系統(tǒng)就等同于水聲FBMC 系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)接收端部分的索引調(diào)制譯碼采用的均是能量檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比結(jié)果如圖6 所示。

圖6 水聲FBMC 和水聲FBMC-IM 誤碼率仿真對(duì)比圖Fig.6 Comparison diagram of bit error rate simulation of underwater acoustic FBMC-IM

從仿真結(jié)果圖可以明顯看出，水聲FBMC 系統(tǒng)誤碼率明顯高于水聲FBMC-IM 系統(tǒng)。而引入索引調(diào)制后的FBMC-IM 系統(tǒng)中，因?yàn)橄到y(tǒng)中補(bǔ)充了大量空子載波，系統(tǒng)誤碼率明顯降低。同時(shí)可以看出，隨著信噪比增大，每個(gè)子載波塊激活子載波數(shù)的減少，未激活子載波數(shù)增多，系統(tǒng)誤碼率越低，性能表現(xiàn)的更好。

3.2 非連續(xù)頻帶干擾下水聲FBMC-IM 系統(tǒng)抗干擾性能分析

考慮非連續(xù)頻帶干擾下的水聲FBMC-IM 通信系統(tǒng)的抗干擾性能。為了凸顯一般性，仿真實(shí)驗(yàn)根據(jù)前文的參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果，對(duì)不同子載波激活選擇方式=4,={3,2,1}三種情況的FBMC-IM 通信系統(tǒng)均進(jìn)行了抗干擾性能仿真實(shí)驗(yàn)，水聲FBMC-IM 通信系統(tǒng)的非連續(xù)頻帶干擾頻率范圍設(shè)置在14.3～14.8 kHz 和16.8～17.8 kHz，其通信頻帶示意圖如圖7 所示。

圖7 水聲FBMC-IM 通信系統(tǒng)非連續(xù)頻帶干擾下的通信頻帶示意圖Fig.7 Schematic diagram of communication frequency band under non-continuous frequency band jamming of underwater acoustic FBMC-IM communication system

通過對(duì)非連續(xù)頻帶干擾頻段與系統(tǒng)通信頻段混疊部分的子載波靜默處理后，不同激活子載波選擇方式的水聲FBMC-IM 抗干擾通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果圖分別如圖8～圖10 所示。

圖8 水聲FBMC-IM 抗干擾通信系統(tǒng)（Q=4，k=3）誤碼率對(duì)比圖Fig.8 Comparison chart of bit error rate of underwater acoustic FBMC-IM anti-jamming communication system (Q=4,k=3)

圖9 水聲FBMC-IM 抗干擾通信系統(tǒng)（Q=4，k=2）誤碼率對(duì)比圖Fig.9 Comparison chart of bit error rate of underwater acoustic FBMC-IM anti-jamming communication system (Q=4,k=2)

圖10 水聲FBMC-IM 抗干擾通信系統(tǒng)（Q=4，k=1）誤碼率對(duì)比圖Fig.10 Comparison chart of bit error rate of underwater acoustic FBMC-IM anti-jamming communication system (Q=4,k=1)

由圖8～圖10 可以看出，在非連續(xù)頻帶干擾條件下，隨著信噪比的增加，未處理的水聲FBMC 系統(tǒng)和未處理的水聲FBMC-IM 系統(tǒng)接收端的誤碼率都是較高的，受干擾影響均很嚴(yán)重。但是水聲FBMC-IM 系統(tǒng)接收端的誤碼率要低于未處理的水聲FBMC 系統(tǒng)，再次表明水聲FBMC-IM 系統(tǒng)誤碼率性能要更好一點(diǎn)。

通過將非連續(xù)干擾頻段的子載波靜默處理后，隨著信噪比的增加，處理后的水聲FBMC-IM 系統(tǒng)誤碼率大大地低于未處理的系統(tǒng)。表明該干擾處理方案有效的解決了非連續(xù)頻帶干擾條件下通信信號(hào)與干擾信號(hào)的混疊問題，明顯降低了接收端的誤碼率，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。此外，信噪比為30 dB 時(shí)，系統(tǒng)接收端誤碼率均低于10，并且單個(gè)子載波塊為4 個(gè)選擇激活1 個(gè)子載波時(shí)，誤碼率更是逼近10，抗干擾性能表現(xiàn)更佳。

4 結(jié) 語

在無干擾的情況下，傳統(tǒng)水聲FBMC 系統(tǒng)引入索引調(diào)制，由于系統(tǒng)中加入了大量的空子載波，使得調(diào)制后的水聲FBMC-IM 通信系統(tǒng)誤碼率性能得以提升。其次水聲環(huán)境中存在非連續(xù)頻帶干擾條件下，通過對(duì)水聲FBMC-IM 通信系統(tǒng)的通信頻帶進(jìn)行劃分，使得與非連續(xù)頻帶干擾信號(hào)混疊部分的子載波靜默，未受干擾的子載波保持活躍狀態(tài)并承載通信信號(hào)，來規(guī)避混疊導(dǎo)致系統(tǒng)接收端誤碼率高的干擾影響。仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)水聲FBMC 系統(tǒng)，水聲FBMC-IM 系統(tǒng)具有更好的誤碼率性能，且提出的抗干擾方案有效解決了通信信號(hào)與干擾的混疊問題，明顯降低了系統(tǒng)接收端的誤碼率，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。