同頻時反水下協作通信系統中的自信息干擾消除方法

張玲玲, 黃建國, 唐成凱, 張群飛

(1.西北工業大學 航海學院, 陜西 西安 710072; 2.西北工業大學 電子信息學院, 陜西 西安 710072)

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同頻時反水下協作通信系統中的自信息干擾消除方法

張玲玲1, 黃建國1, 唐成凱2, 張群飛1

(1.西北工業大學 航海學院, 陜西 西安 710072; 2.西北工業大學 電子信息學院, 陜西 西安 710072)

隨著海洋資源的利用和開發，人們對高速率水下通信的需求也更加迫切。但水下環境的高頻衰減特性和強噪聲導致水下信號的傳輸帶寬受限，信號傳輸速度較慢。同時現有的水下節點間通信通常采用碰撞避免的MAC協議，在一個時隙內只允許一個有效用戶發送數據，因而水聲信道的利用率較低。針對上述問題，提出了一種同頻時反水下協作通信系統的自信息干擾消除算法。在該水下協作通信系統中，節點可同時通過水下基站向對方發送數據，節點之間共用相同的上行頻率和下行頻率，實現頻譜資源復用。該方法中通過在基站處進行主動時反，消除水聲信道傳輸的多徑效應，然后利用節點對自身發射信號已知的特點，消除基站轉發信息中的自信息干擾。仿真結果表明，文中所提出方法的誤碼性能與現有的分時協作通信方法相當，在信噪比為11 dB時，誤碼率均可以達到10-3，但該方法的傳輸速度為分時水下協作通信方法的2倍。

水聲通信；水下協作通信；時反通信；頻率復用；自干擾消除

地球表面覆蓋著71%的水域，其中97%為海洋，隨著海洋資源的大規模開發，海洋水下通信技術被廣泛應用于海底探測、采油等民事用途以及海底測繪、港口攻擊和防護等軍事用途，如何在海洋環境中實現高速通信成為人們研究的熱點[1-2]。但海洋水下通信的影響因素和現有的無線通信相比具有很大的不同[3]。海洋水下通信環境中，傳輸頻率越高衰減越大，所以頻率資源是非常有限的。此外，由于水底反射、折射和海洋環境的漫射效應等影響，導致水下通信系統中具有非常強的多徑干擾。現有的水下通信系統主要通過各種均衡技術來消除多徑干擾的影響。文獻[4]提出了一種海洋水下通信反饋均衡方法。該方法利用反饋均衡濾波器來消除水下信道的多徑干擾，但濾波器長度與收斂性會極大限制水下通信系統的傳輸速度，所以并不適合高速水下通信傳輸。文獻[5]提出了一種基于時反的水下通信方法。該方法可以有效適應不同海洋環境，消除不同海洋環境下的多徑效應，但需要采用多陣元接收。

由于水下通信中信號的傳輸頻率較低會造成信號的傳輸速度較慢，并且信號衰減較大并不適合長距離通信。為此，水下協作通信被公認為是水下通信系統目前最優的解決辦法。文獻[6]提出了一種水下協作通信方法，該類方法利用光纜將數據傳輸到水面發射站，通過無線信道或者衛星信道傳輸到水面接收站，最后再次利用光纜將數據傳輸到水下用戶。但該技術只適用于海岸沿線和淺海海域，并且還需要保證水下用戶的位置穩定性，并不利于深海通信和水下移動通信。文獻[7]提出了一種基于時分的水下協作通信方法，該方法通過中繼水下航行器利用不同的通信時間段來實現水下用戶之間的協作通信。該算法可以很好地彌補水下通信大衰落的特點，但由于分時傳輸，導致傳輸速度較慢。文獻[8]提出了一種基于頻分復用的水下協作通信技術，該方法通過中繼水下基站采用不同的傳輸頻率來實現水下用戶節點間的通信，但由于水下環境復雜，所以頻率衰減較大，可用的頻率相對無線通信來說是相當少的，所以該技術實現的難度較大。文獻[9]提出了一種MIMO水下通信技術，但在MIMO的傳輸中，需要的陣列天線較大，這對深海通信和水下移動通信會產生不利的影響。針對上述問題，本文提出了一種自信息干擾消除輔助的同頻時反水下協作通信方法，該方法先通過水下基站處的時反處理和放大轉發，消除信號傳輸中的多徑效應，并通過節點對自身發射信號已知的特點進行自身信號干擾消除，從而實現水下協作通信的雙向傳輸。仿真分析表明，本文所提出的水下協作通信方法具有較高的通信速度且誤碼率性能與傳統分時協作通信相當。

1 系統模型

同頻時反水下協作通信系統結構如圖1所示。從圖1中可以看出，水下節點間距離較遠，由于水聲信號長距離傳輸衰減較大，所以需要水下基站進行中繼轉發，實現節點間的雙向通信。其中，定義節點向基站傳輸所采用的頻率為上行頻率，基站向節點傳輸所采用的頻率為下行頻率，本文中考慮不同節點的上行頻率相同，下行頻率為另一相同頻率，從而實現頻率復用，提高頻譜效率。同時，在所采用的協作傳輸系統中，考慮到水下節點通常體積較小，因而將其配置為單接收陣元和單發射陣元，而水下基站作為協作傳輸系統的核心，配置為一個接收陣和一個發射陣，且一組發射陣元和接收陣元位置相同。由于節點對自身發射信號已知，因而可通過自信息干擾消除實現節點間的雙向同時傳輸。最后通過針對水下信道多徑干擾較大，且2個水下節點同時進行信息交互產生的干擾問題，本文所采用的基于自信息干擾消除的時反水下協作通信系統的系統結構如圖2所示。

圖1 水下協作通信系統構成

圖2 基于自信息干擾的時反水下協作通信系統框圖

圖中，2個節點進行數據交互，各配備一個發射機和一個接收機，發射機和接收機位置相同，但工作在不同頻率。水下基站配備有一個共有NR組發射陣元和接收陣元的陣列,每組中的發射陣元和接收陣元位置相同,但工作在不同頻率。

假設第nt個節點待傳輸序列為ant,長度為Na,經過編碼交織,得到相鄰編碼位的統計相關性較小的二進制交織序列cnt,長度為Nc,即編碼效率為ηc=Nc/Na。而后通過符號映射,得到符號序列snt,其長度為Ns,即符號映射的階數為Ms=2Nc/Ns。所得符號序列經過載波調制,經過發射陣元傳輸到信道的信號可表示為

(1)

式中,T表示符號間隔,g(t)表示脈沖成形濾波器,f1表示上行鏈路所采用的載波頻率。

信號經過水聲信道的多徑傳輸,在水下基站的第nr個陣元處,接收到的信號可表示為

(2)

水下基站收到信號后,經過處理轉發給節點1和節點2,將第nr個陣元處發送的信號表示為znr(t),則第nt個節點接收到的信號可表示為

(3)

式中,wnr(t)表示在第nt個節點處接收到的海洋噪聲。由于水下基站發送的信號znr(t)中包含2個節點傳輸的信息,因而在2個節點交互信息時,都會收到自身信號傳輸所產生的干擾,從而導致信息誤碼。

2 多通道時反處理

在水下協作通信系統中,由于水聲信道的多徑效應較為嚴重,以及協作節點交互信號的疊加,為雙向水聲協作通信帶來極大的挑戰。同時,由于通常水下節點的體積較小,通常為單收發陣元,因而難以通過多通道時反接收或多通道反饋均衡消除多徑效應。針對這一問題,本節通過在協作通信系統中水下基站配置多發射陣元和接收陣元,為水下節點提供多通道處理增益,從而提高水下雙向通信的數據可靠傳輸性能。

在水下基站的第nr個陣元處,對接收到的2個節點的疊加信號,進行2個鏈路的時反處理,同時為了避免上行鏈路與下行鏈路的互相干擾,對頻率進行遷移,即

(4)

式中,f2表示下行鏈路所采用的載波頻率。由此可以消除基站發射數據對基站接收信號的直接干擾,同時也可以消除節點發射信號對節點接收信號的直接干擾。

定義從節點1發射端經過水下基站第nr個陣元到節點1接收端的信道為

(5)

定義從節點1發射端經過水下基站第nr個陣元到節點2接收端的信道為

(6)

定義從節點2發射端經過水下基站第nr個陣元到節點1接收端的信道為

(7)

定義從節點2發射端經過水下基站第nr個陣元到節點2接收端的信道為

(8)

則在節點1處接收到的信號可表示為

(9)

同理,在節點2處接收到的信號可表示為

(10)

(9)式和(10)式中,qnts表示第nt個節點接收到的另一節點發送的信號,根據信道的時反卷積可得,qnts為另一節點發送信號在第nt個節點處的自動聚焦,其信道響應為時域壓縮脈沖。qnti表示第nt個節點接收到信號中自身傳輸信號產生的干擾,由于2個節點距離較遠,因而2個節點到水下基站陣元的信道可認為相關性較弱。qntn表示第nt個節點處信號中海洋噪聲的干擾,根據(2)式～(4)式可得

(11)

同時,(9)式和(10)式中的信道傳輸函數可表示為

(12)

(13)

(14)

(15)

3 自信息干擾消除

水下基站對接收到的2個節點傳輸的混合信號進行多通道時反處理后,將頻率搬移到下行鏈路的頻段,放大轉發給各個節點,因而在各個節點接收到信號為2個節點的混合信號,為此需要進行自信息干擾消除,恢復出另一個節點傳輸的信息。考慮到節點的對等性,本節以節點1為例,研究節點接收信號中的自信息干擾消除,同時恢復出節點2發送的符號。

從圖2中可以看出,節點1接收到混合信號后,先進行載波解調,得到

(16)

所采用的自信息干擾消除算法如圖3所示。首先將接收到的符號對齊到v21(n)時反聚集的位置,然后對自身節點傳輸的信息進行自適應消除,其算法可采用LMS算法。

圖3 自信息干擾消除算法結構框圖

4 仿真分析

本文采用稀疏水聲信道仿真模型，節點為單陣元，水下基站為8陣元，信道路徑數為15，各路徑延遲時間間隔為指數分布，均值為1 ms，信道總延時擴展的平均值為15 ms。各路徑的幅度衰落服從瑞利分布，在一段時間內，可認為各路徑隨延時指數下降。經過水下基站進行多通道時反聚集后,節點交互信息在指定接收節點處聚集，而在自身節點處會產生一定的干擾。

由于自信息干擾消除模塊的抽頭個數會影響水下通信系統的誤碼性能，當抽頭個數越多，自信息干擾消除模塊可以更好地消除自身信號的多徑干擾和碼間干擾，但隨著抽頭個數的增加會造成計算復雜度的提升，同時影響算法的收斂性。本文分別選取不同長度的自信息干擾消除模塊抽頭個數進行仿真分析，結果如圖4所示。

圖4 不同自信息干擾消除模塊抽頭個數下的誤碼率

從圖4中可以看出，當自信息干擾消除模塊抽頭個數較小時，由于自信息干擾消除模塊無法有效消除混合信號中自身發射信號的干擾和多徑干擾，所以誤碼率較大。而當自信息干擾消除模塊抽頭個數大于15時，自信息干擾消除模塊可以很好地消除自身發射信號所帶來的干擾，當誤碼率為10-3時，信噪比為10.8 dB。而再增加自信息干擾消除模塊抽頭個數并不能消除更多多徑干擾。所以本文的自信息干擾消除模塊抽頭個數采用15。

本文進一步比較了所提出的基于自干擾消除的時反水下協作通信方法與傳統分時水下協作通信方法的性能，仿真結果如圖5所示。

圖5 不同信噪比下的各算法誤碼率比較

從圖5中可以看出，本文所提出的基于自干擾消除的時反水下協作通信方法，利用自信息干擾消除模塊消除自身發射信號所產生的干擾，誤碼率性能與傳統的分時水下協作通信方法相當。但由于2個節點可同時傳輸信息，其速率得到了有效的提高。

在水下通信中，由于信號的傳輸速度較慢，并且由于水聲環境的高頻高衰減特性，傳輸信號的頻率不能過高，這就導致水下通信中，水下通信節點的傳輸速度遠遠小于地面或者空間中的通信節點。為此，傳輸速度一直是水下通信重點關注的指標。所以，本文將所提出的水下協作通信方法與分時水下協作通信方法進行傳輸速度的比較，以分時水下協作通信的單位傳輸速度進行歸一化處理，傳輸速度的結果如表1所示。

表1 不同信噪比下的各算法傳輸速率比較

從表中可以看出，當信噪比大于10 dB時，本文所提出的水下協作通信方法的傳輸速度接近分時水下協作通信方法2倍。所以本文所提出的同頻時分水下協作通信方法更加適合水下高速率通信。

5 結 論

由于水聲信道環境中海水或淡水對信號的衰減較大，并且水聲環境具有很強的多徑反射效應和信號衰減效應，導致傳統的水下通信方法很難實現高速率的水下通信。而水下協作通信可以很好地解決這個問題，但是現有的水下協作通信中，水下基站在同一時間、同一頻率上只進行單一通信，極大浪費了頻譜資源。本文針對這種情況提出了一種可用于水下協作通信的雙節點同頻時反通信技術，該技術通過共用上行鏈路和下行鏈路的頻率來實現頻率復用，通過水下基站的多陣元時反消除信道傳輸多徑效應，并利用節點對自身所發射信號已知的特點設計了一種自信息干擾消除算法來消除自身信息的直射干擾、多徑干擾和碼間干擾。仿真結果表明本文所提出的基于自信息干擾消除的時反水下協作通信方法在與傳統分時水下協作方法相比具有相當的誤碼率，但是由于該系統允許2個節點同時傳輸，因而有效提高了系統的傳輸效率。

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Self-Interference Cancellation in Underwater Cooperative Communication based on Time Reverse

Zhang Lingling1, Huang Jianguo1, Tang Chengkai2, Zhang Qunfei1

1.School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China 2.School of Electronics Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China

Recently, with the development of Marine exploration, the need for high speed underwater communication is growing rapidly. However, information transmission rate is low, because of the limited bandwidth caused by high attenuation for high frequency acoustic signal and great noise in low frequency band. To this end, a self-interference cancellation algorithm in underwater cooperative communication is proposed. In this underwater cooperative communication system, underwater nodes could transmit to each other through underwater base station at the same time. Moreover, common uplink frequency and downlink frequency are adopted to reuse the frequency spectrum and improve the transmission efficiency. In this algorithm, active time reverse is adopted to mitigate the multipath effect in underwater acoustic transmission and then take advantage of the known characteristic of self-information, the self-interference could be cancelled. Simulation results show that, the bit error ratio performance is similar to existing time division cooperative communication, and may double the transmission rate.

underwater acoustic communication; underwater cooperative communication; time reverse; frequency reuse; self Interference cancellation

2016-04-02 基金項目：國家自然科學基金(61271415、61471298、61531015)、水下信息處理與控制國家重點實驗室基金(9140C231002130C23085)、西北工業大學博士論文創新基金(CX201230)及西北工業大學基礎研究基金——中央高校基本科研業務費專項基金(3102014JCQ01010)資助

張玲玲(1986—)，女，西北工業大學博士研究生，主要從事水聲通信、信道均衡研究。

TN929.3

A

1000-2758(2016)05-0823-06