水聲迭代接收機中的超Nyquist技術和速率兼容編碼技術

張友文 ,孫大軍 ,劉璐

(1.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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水聲迭代接收機中的超Nyquist技術和速率兼容編碼技術

張友文1,2,孫大軍1,2,劉璐1,2

(1.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：為良好水聲信道條件設計的通信方案在惡劣信道條件下無法工作，而為惡劣水聲信道條件設計的通信方案在良好信道條件下雖然可以有效工作，但是系統頻譜利用率極低；為提高系統的頻帶利用率，通常的手段是提高調制星座的階數，然而大量實踐研究工作表明高階的調制星座很難在水聲信道有效工作。針對以上問題，本文提出一種聯合超Nyquist信號發射技術和速率兼容打孔編碼技術的自適應迭代接收技術；在低階星座條件下通過超Nyquist信號發射技術可提高系統的頻帶利用率，采用速率兼容打孔卷積碼編碼技術可適應信道變化提高系統的穩健性。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QPSK調制的信道容量。湖上高速(最高6 kn)走航試驗表明：在淺水時變的多途信道條件下，本文提出的超Nyquist發射方案可是實現無誤碼率數據傳輸，其頻譜利用率為1.8 bit/(s·Hz)。

關鍵詞：迭代接收機；水聲通信;多途擴展；多普勒擴展；超Nyquist技術；速率兼容打孔編碼技術；迭代均衡

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160308.1257.008.html

水聲通信技術在軍事和民用水下信息傳輸領域扮演著愈來愈重要的角色，雖然水聲通信技術的研究已經開展了三四十年，但在高度彌散、動態以及大延時的海洋環境中建立可靠的、逼近信道容量的水聲通信鏈路仍面臨著巨大的挑戰[1-11]。

20世紀40年代的香農(Shannon)存在性定理指出在加性高斯白噪聲(additivewhiteGaussiannoise，AWGN)無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編碼等現代編碼技術的出現使得AWGN條件下的逼近信道容量的通信成為現實[3-5]；然而在水聲信道條件下實現可靠的水下無線信息的傳輸仍然困難重重。

首先，在通信聲吶工作環境方面：1)嚴重的信道多途擴展帶來嚴重的符號間干擾(inter-symbolinterference，ISI)，進而導致嚴重的頻率選擇性衰落，相比于陸地無線通信而言，水聲信道多途擴展長，這給相干高速通信的信道均衡技術的計算復雜度以及收斂性能帶來極大挑戰；2)較低的水中聲速導致多普勒效應嚴重，具有極強的時變、空變特性的水聲信道使得相干和非相干解調愈加困難；3)聲速的不均勻性導致聲影區的存在，進而極大地限制了可通信的區域。

其次，在水聲通信信號處理技術方面：1)目前的水聲通信技術的研究過于關注物理層，采用固定的編碼率很難實現逼近信道容量的通信，這主要是因為：為高信噪比信道設計的逼近信道容量的信道編碼方案在低信噪比時將譯碼失敗，而為低信噪比信道設計的逼近信道容量的編碼方案在高信噪比信道下工作時效率將急劇降低；2)在實際應用中，一方面，當發射機與接收機之間不存在反饋鏈路時，為了保證較低的丟包率發射機端往往較為保守地采用極低的通信速率的，從而導致了極低的頻譜利用率，另一方面，當發射機與接收機之間存在低速反饋鏈路時，發射機雖然可以采用更高的通信速率，但是由于信道的時變性，如果接收機端不能正確接收該數據包則丟棄該包并反饋給發射機端一個重傳的請求，這種借用陸地無線通信的ARQ(automaticrepeatrequest)機制在遠程大延時的水聲信道環境下效率極低，無法適應信道的變化進而達到信道容量[6]；所有這些因素均使得水聲通信技術特別是可靠的、逼近信道容量的水聲通信技術遠未成熟。

近年來在無線通信及網絡方面涌現出許多新的技術：首先，速率兼容編碼技術，在時變衰落信道上，經常使用的差錯控制策略是根據不同的信道條件采用不同的編碼速率，實現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編碼器/譯碼器進行編譯碼；在構造速率兼容的編碼時，刪余是最常用的一種方法，即首先設計一個低速率碼，然后在傳輸時通過刪除某些特定比特位來獲得更高的編碼速率[7]。其次，超Nyquist調制技術，1974年J.E.Mazo提出在低階調制星座的條件下以超過Nyquist速率(faster-than-Nyquist，FTN)發射信號，超Nyquist調制技術可以在低階調制條件下極大地提高系統的吞吐量，其最大的缺點是引入了較大的ISI，因此在當時的應用需求以及信號處理條件下并未得到應用，然而近年來在衛星、廣播領域的研究表明該調制方式相比于常規的高階調制方式具有較大的優勢[8]；其三，低復雜度迭代均衡與譯碼技術，研究表明迭代信道估計、均衡及譯碼技術可以在極為困難的信道條件下逼近最優的MAP均衡技術[9-11]。

為提高系統的頻帶利用率以及系統時變環境的適應能力，本文提出一種聯合超Nyquist技術、速率兼容打孔編碼技術以及迭代均衡與譯碼技術實現時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現技術。

1系統模型

1.1發射機結構

提出的單載波發射機結構如圖1所示，首先，對二進制信息比特流b進行信道編碼，根據不同的信道編碼率通過打孔產生不同長度的編碼比特流，其次，對編碼比特序列進行交織，然后對交織后的編碼比特c進行符號映射生成不同頻帶利用率的符號流si，隨后，根據指定的符號發射速率進行超Nyquist脈沖成型濾波，最后，進行載波調制。

圖1　發射機與接收機系統框圖Fig.1　Block diagram of the transceiver

令基帶PSK調制的信號為

(1)

經調制后的基帶信號經過信道即可得接收信號：

(2)

式中：?表示卷積運算。在窄帶信號調制中，多普勒效應往往表現為頻率的偏移，而實際的水聲通信信號通常表現為寬帶或超寬帶信號的特點，因此多普勒效應不僅會引起接收信號的頻率擴展，同時還會引起信號波形的壓縮或擴張，因此經歷寬帶多普勒效應的接收的信號為

(3)

1.2迭代接收機結構

圖2　迭代接收機結構Fig.2　Block diagram of the iterative receiver

首先，針對開環多普勒補償算法在快變多普勒條件下面臨的困難，我們基于Sharif的閉環多普勒估計與補償接收機結構以及超Nyquist信號發射技術(如圖2所示)提出了一種基于迭代接收機軟反饋信息的閉環補償方案，進而實現更加精確可靠的多普勒估計補償[12-14]。

為了保證一定的信號無失真比，插值器的輸入端信號盡量采用較高的采樣率，同時鑒于分數間隔均衡器對定時誤差的不敏感性，線性插值之后的信號采樣率即前饋均衡器輸入信號一般采用分數階；令自適應判決反饋均衡器第n時刻接收機的符號輸出為

(4)

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

多普勒效應導致信號的壓縮或擴張進而導致信號頻率分量的變化，頻率分量的時變性導致接收符號相位的時變性，因此通過判決出相位誤差的變化即指示多普勒的變化；多普勒估計器的輸入為符號的相位誤差，多普勒估計插值因子為

(8)

式中:Kp為跟蹤步長，最大似然相位估計為

(9)

其次，寬帶多普勒補償后的接收符號可表示為

(10)

式中：xn和wn表示接收符號和噪聲向量，hn,k表示信道增益系數，Mf+Mp+1為信道最大多途擴展長度，Mf為信道的非因果部分長度，Mp為信道的因果部分長度，在自適應濾波時，當考慮到濾波器的窗長度為Ff+Fp+1時，那么n時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，自適應發射符號進行估計為

(13)

將yn代入式(13)即有

(14)

其中

(15)

(16)

(17)

式中:Ω為QPSK星座集上的星座點的集合，Q為發射符號星座Ω大小。

2仿真與試驗數據分析

2.1AWGN信道條件下的系統頻帶利用率

圖3　仿真實驗與湖試試驗數據幀結構Fig.3　Frame structure of the transmitted data

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

實際仿真中的頻帶利用率計算公式如下:

(18)

式中:B為系統有效帶寬，Q為采用的調制星座大小。

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

表1　本文方案的頻譜利用率對比分析

2.2湖試數據分析

2013年11月在吉林省松花湖進行了單載波高速走航試驗，試驗信號帶寬為2.3～4.3kHz，載波頻率為3.3kHz，調制方式為BPSK、QPSK、8PSK和16QAM，采用2/3碼率LDPC編碼，本文僅對符號率為3k的超Nyquist發射數據進行分析，接收48元垂直陣錨系在湖底，發射船舷側固定發射聲源，聲源入水深度為1m，本文對接收陣的第20個基元的接收信號進行處理，深度為41m(此處多途嚴重)，試驗地點測得的聲速剖面如圖5所示，發射船相對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　試驗走航軌跡Fig.6　The trajectory of experimental ship

取最高航速6kn時的第10幀數據進行分析的結果如圖7所示，由圖可知本文提出的接收機方案可有效地實時逐符號地跟蹤多普勒的變化，迭代2次后可實現無誤碼傳輸，而常規的方案(開環+PLL+常規DFE)的誤碼率為18.7%。

用本文提出的接收機結構對6min的整個走航數據中的12個超Nyquist數據幀進行了處理，本文算法跟蹤出的相對徑向速度與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現12幀數據的無誤碼傳輸，頻帶利用率為1.8bit/(s·Hz)。

圖7　接收機性能比較Fig.7　The performance of receiver

圖8　走航試驗過程中提出的接收機的速度跟蹤能力Fig.8　The tracking performance of velocity of the proposed receiver in the experiment

3結論

為適應水聲信道的時變性以及提高通信頻譜利用率，本文提出了一種結合超Nyquist信號發射技術和速率兼容打孔編碼技術的自適迭代接收機技術。

1)研究表明速率兼容打孔編碼技術可以有效地提高系統適應信道的能力，使系統工作在于信道條件相適應的最優速率下，同時借助超Nyquist信號發射技術可以進一步提高系統的頻譜利用率，但其代價是引入了額外的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予以有效消除。

2)湖試高速走航試驗表明在高度動態的信道條件下本文提出系統可以以1.8bit/(s·Hz)的頻帶利用率穩健工作。

后續將加強速率兼容打孔編碼技術以及迭代接收機技術的研究以便進一步提高系統穩健性以及頻譜利用率。

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收稿日期：2015-03-01.

基金項目：國家自然科學基金項目(50909029,61471138)； 國際科技合作專項項目(2013DFR20050)；水聲技術重點實驗室基金項目(201420040)；國防科學技術工業委員會基礎研究基金項目(B2420132004).

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

doi:10.11990/jheu.201503001

中圖分類號：TN911.5；TB567

文獻標志碼：A

文章編號：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

網絡出版日期：2016-03-08.

孫大軍(1972-), 男, 副教授,博士生導師.