疊加編碼技術在水聲OFDM通信系統中的應用研究

王華奎，孫海信，蒯小燕，吳碧

?

疊加編碼技術在水聲OFDM通信系統中的應用研究

王華奎1，孫海信2，蒯小燕2，吳碧1

(1. 水聲對抗重點實驗室，廣東湛江524022；2. 水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室，福建廈門 361005)

正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)通信技術由于具有頻譜利用率高、抗多徑能力強等優點，成為當前水聲通信的研究重點和熱點。在保證魯棒性能的前提下，為了能夠進一步提高其吞吐量，將疊加編碼(Superposition Coding, SC)技術應用于水聲OFDM通信系統中，在保證基本信號的同時獲得額外的信息。仿真結果和水池實驗結果表明：通過選擇合適的功率分配因子，疊加編碼在保證兩路信號誤比特率性能的前提下，可以提高系統的吞吐量，具有很好的應用前景。

正交頻分復用；疊加編碼；吞吐量；水聲通信

0 引言

在水聲通信過程中，聲信號經過具有帶寬窄、載波頻率低、多徑延遲大等特點的水聲信道后，會產生嚴重的畸變，且信號之間存在碼間干擾等，使得數據的傳輸速率受到嚴重的限制，系統吞吐量性能低。MIMO技術由于可以通過空間分集來抗多徑衰落和提高信道容量[1]，成為水聲通信領域極具發展潛力的一項技術。但是MIMO技術要求換能器配備多個水聽器，組成水聽器陣，而換能器受到電池能量方面的限制，使得MIMO技術在水聲通信中變得難于實現。研究人員正在尋找新的解決方案。

Cover首次提出了疊加編碼(Superposition Coding, SC)技術，給出了疊加編碼技術的基本思想，并對其性能作了初步分析[2]。疊加編碼由于可以同時發送多路數據來提高系統的吞吐量性能，近年來作為高吞吐率的可行性方案備受關注[3-5]。理論上疊加編碼技術可以對(≥ 2)個不同速率的調制信號進行疊加(級疊加編碼)，但是在實際應用中，采用兩級疊加編碼的通信系統吞吐量性能與最優的無窮多級疊加編碼的通信系統性能相近[6]。疊加編碼用于通信系統中可以提高系統的吞吐量[7]。

目前水聲通信中還沒有關于疊加編碼技術研究的文獻。本文將兩級疊加編碼技術應用于水聲通信中，以達到提高系統吞吐量的目的。

1 水聲OFDM系統

采用疊加編碼技術的水聲OFDM通信系統，發送端先將不同的數據比特流分別進行低速率的BPSK調制和較高速率的QPSK調制，然后將這兩路信號進行疊加編碼，形成調制信息序列，再對其進行IFFT操作將數據分配到不同的子載波上，加上保護間隔，得到OFDM調制符號，最后對發送的符號進行二次調制。接收端的操作是發送端的逆過程。

假設OFDM采用的子載波數為，低速率傳輸的基本信號為，較高速率的附加信號為。經過疊加編碼后的個調制序列為。在OFDM系統中，信道的相關時間要遠大于OFDM的符號周期，信道沖激響應被認為是時不變的，可描述為

(2)

2 疊加編碼

2.1 疊加編碼基本原理

疊加編碼技術是指發送端可以同時發送多個不同速率的數據，而在接收端采用一定的方法進行解碼。圖1為兩級疊加編碼過程。

(a) 基本信號????(b) 附加信號

(c) 疊加編碼后的信號

圖1 兩級疊加編碼的原理圖

Fig.1 The theory of superposition coding

疊加編碼技術需要關注的一個問題是分配給各級速率數據的功率大小，我們可以用功率分配因子來表示這一參量。假設疊加編碼系統的總發射功率為，基本信號和附加信號之間的功率分配因子為(0≤≤1)，其取值根據通信系統的信道情況來選擇合適的值，那么得到基本信號的功率為

而附加信號的功率為

(5)

則疊加編碼發送信號為

2.2 疊加編碼的解碼

疊加編碼系統在接收端一般采用連續干擾消除技術(Successive Interference Cancellation, SIC)來對信號進行逐級譯碼接收。其特點是當對其中一個信號進行譯碼時，把其它信號當做干擾信號處理，當解調出當前信號后，再從接收端減去已經解調出的信號，從而可以解調出其余的信號。對圖1所示的疊加信號進行解碼，當要對基本信號進行解碼時，附加信號當作噪聲信號；當基本信號被可靠恢復后，將其從接收信號中減去，再對附加信號進行解碼。可以看出，SIC技術存在一個很大的缺陷，只有對其中的一個信號正確解碼后，才可以對另外一個信號進行解碼；如果在某一個步驟中，當檢測到的數據流出錯時，從接收符號中減去這個錯誤的數據流時會增大干擾，從而導致性能的下降，我們稱之為誤差傳播(Error Propagation)。一般情況下，先對低速率的信號進行解碼，然后再對高速率的信號解碼，這是因為速率與相應的信噪比門限值成正比。

為了進一步提高SIC的處理性能，通常將SIC技術與最小均方誤差(Minimum Mean Square Error，MMSE)準則進行級聯組合使用，形成MMSE-SIC，它是使真實信號與檢測的信號的均方誤差最小：

(8)

2.3 疊加編碼誤比特性能分析

誤比特率取決于信號的調制方式和信噪比。如果使用QPSK調制技術，那么產生的誤比特率[8]為

(10)

基本信號采用QPSK方式調制，附加信號采用BPSK調制，可以得到基本信號的誤比特率為

(12)

總的誤比特率為

3 系統仿真

首先是將信噪比固定在20 dB，取不同值時對系統誤比特率和吞吐量的性能進行仿真，接收端采用塊狀導頻結構，采用最小二乘(LS)信道估計和迫零均衡(Zero Forcing, ZF)方式。圖2是不同功率分配因子下的誤比特率(Bit Error Rate, BER)性能圖。從圖2可以看出：基本信號的誤比特率隨著的增大而減小。當=0.5時，由于基本信號與附加信號相當，基本無法正確解碼。對于附加信號而言，因為此時的信道條件比較好，基本信號能夠正確的解碼，剛開始，性能隨著的增大而減小，但當≈0.4時，由于基本信號的誤比特率比較大，此時會產生誤差傳播現象，致使附加信號的性能也隨著基本信號誤比特率的降低而降低。而當比較大時，性能又隨的增大而減小。

圖3是不同功率分配因子對吞吐量的性能影響。從圖中可以看出：剛開始，吞吐量隨著的增大而增大，當增大到一定程度時，吞吐量隨著的增大而減小，之后又隨著的增大而增大。當0.2 ≤≤0.4區間時，系統的吞吐量比較高。

圖4是功率分配因子固定(取值為0.3)時，針對不同信噪比對系統的誤比特率性能進行了MMSE-SIC和ZF-SIC的性能仿真。

從圖4可以看出，利用MMSE-SIC的性能比ZF-SIC的性能要好很多，在SNR大于10 dB時，可以獲得約5 dB左右的增益，這是因為疊加編碼時，在解調基本信號時，由于把附加信號當作了噪聲干擾，所以噪聲對解調性能的影響特別大，而ZF沒有考慮噪聲的影響，MMSE則考慮了噪聲干擾，所以MMSE相比于ZF可以獲得較大的性能增益。

4 水池實驗結果

對功率分配因子=0.3的疊加編碼OFDM系統進行了水池實驗，其中基本信號采用QPSK調制方式，附加信號采用BPSK調制方式，信號帶寬為6 kHz，各個節點之間相距15 m，換能器距水面深度均為0.7 m。共進行了6次實驗，然后進行數據統計分析。從表1可以得到，基本信號平均誤比特率為1.5*10-3，附加信號平均誤比特率為6.6*10-3，因此采用疊加編碼OFDM系統在水聲通信中有著良好的效果。

表1 疊加編碼水池實驗結果(10-3)

5 結語

本文提出將疊加編碼技術應用于水聲正交頻分復用通信系統中，仿真結果表明，疊加編碼技術中通過選擇適當的功率分配因子在0.2到0.5區間取值時，可以保證兩路信號的誤比特率性能基本接近，達到系統的誤比特率可以接受的范圍。同時，在保證兩路信號誤比特率性能接近的前提下，可以提高系統的吞吐量。

[1] LI B, HUANG J, ZHOU S, et al. MIMO-OFDM for high-rate underwater acoustic communications[J]. Oceanic Engineering, IEEE Journal of, 2009, 34(4): 634-644.

[2] Csiszár I, Korner J. Broadcast channels with confidential messages[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 1978, 24(3): 339-348.

[3] Karabulut G, Yongacoglu A. Rate design rule for superposition coded modulations[C]// Electrical and Computer Engineering, 2004. Canadian Conference on. IEEE, 2004, 1: 365-368.

[4] Etemadi F, Jafarkhani H. Rate and power allocation for layered transmission with superposition coding[J]. Signal Processing Letters, IEEE, 2007, 14(11): 773-776.

[5] DU Q, ZHANG X. Adaptive power and rate allocation for mobile multicast throughput optimization over fading channels in wireless networks[C]// Computer Communications and Networks, 2006. ICCCN 2006. Proceedings. 15th International Conference on. IEEE, 2006: 261-266.

[6] LIU Y, Lau K N, Takeshita O Y, et al. Optimal rate allocation for superposition coding in quasi-static fading channels[C]// Information Theory, 2002. Proceedings. 2002 IEEE International Symposium on. IEEE, 2002: 111.

[7] Yuksel M, Erkip E. Broadcast strategies for the fading relay channel[C]// Military Communications Conference, 2004. MILCOM 2004. 2004 IEEE. IEEE, 2004, 2: 1060-1065.

[8] 吳偉陵, 牛凱. 移動通信原理[M]. 北京: 電子工業出版社, 2005.

Applied research on superposition coding technology in underwater acoustic OFDM communication system

WANG Hua-kui1, SUN Hai-xin2, KUAI Xiao-yan2, WU Bi1

(1. Science and Technology On Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory, Zhanjiang524022, Guangdong, China;2. College of Information Science and Technology, Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology, Ministry of Education, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian, China)

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technology has become the research focus and hotspot in underwater acoustic communications owing to its advantages such as high spectrum efficiency and robustness to multipath fading. To improve the throughput of the system under the premise of guaranteeing the robust performances, superposition coding technique has been used in the underwater acoustic OFDM system which can transmit multiple data simultaneously. Simulation and experimental results show that the superposition coding technique can improve the throughput of the system under ensuring the BER performance of two signals, which have a very good application prospect.

Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM); Superposition Coding(SC);throughput; underwater acoustic communication

TB533

A

1000-3630(2015)-06-0501-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.06.006

2015-03-15;

2015-06-10

自然科學基金(2013J01258)、重點項目(2012H1012)資助。

王華奎(1977－), 男, 浙江麗水人, 博士, 研究方向為水聲信號處理。

孫海信, E-mail: wangwubi@163.com