多址水聲擴頻通信系統關鍵技術研究

奚慧巍，徐立軍，張 震

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多址水聲擴頻通信系統關鍵技術研究

奚慧巍1，徐立軍2，張 震2

(1. 91439部隊，遼寧大連116041；2.中國科學院聲學所，北京100190)

本文提出了一種應用于水下的直接序列擴頻（DSS）擴頻通信系統，通過采用優選序列以及自適應軟信息迭代均衡技術提升了性能，并以Chirp信號調制的Gold序列作為同步信號。該同步信號既有Gold序列優良的自相關及互相關特性，也有一定的多普勒容限。通過平均互相關最小的準則優選出期望的擴頻序列，盡可能保證擴頻的抗碼間干擾和抗多址干擾的性能達到最優，并通過仿真試驗給出了優選序列與Gold序列的性能對比。改進后的Turbo均衡器采用了最小均方誤差準則（LMS）算法降低復雜度，采用內置的鎖相環（PLL）來估計多普勒引起的符號相位漂移,并通過仿真和實際試驗驗證了系統的性能。

直接序列擴頻 m序列同步 Turbo均衡 MIMO 水聲通信

0 引言

直接序列擴頻系統因為其良好的抗多徑和抗多址干擾能力被廣泛應用在碼分多址無線通信系統中[1]。同時，在水聲信道下也是一種效率最高的多址通信方案[2]。然而，在嚴重干擾的信道下，必須采用較低的通信速率以保證通信的可靠性。通過縮短擴頻符號的碼片數目或者縮短符號時長，可以有效提升通信速率，但是要保證通信質量，需要采用性能更好的信道均衡技術。采用多個通道對信號進行接收可以獲得更高的增益，用于保障更高的通信速率和用戶數目[3]。

水聲通信中通常使用Chirp信號（線性調頻信號）作為同步信號[4]，其尖銳的自相關峰值及多普勒容限可以保證對信號位置的準確檢測。但在多址通信中，由于各用戶的同步信號會在時域混疊，難以通過Chirp信號區分用戶。在碼分多址無線通信系統中，多以BPSK或其它方式調制的Gold序列[5]作為同步信號，將每一個Gold序列分配給一個用戶。Gold序列有著良好的自相關特性及互相關特性，并能容納大量用戶。但以該方式生成的同步信號，對多普勒頻移十分敏感。而水聲信道是時頻雙擴展信道，由于較低的聲速（約1500 m/s），在該信道下通信極易受到多普勒效應的影響。針對以上問題，本文提出了一種Chirp調制的Gold序列，既有一定的多普勒容限，也保留著Gold序列的特性。

在水聲信道下，受多普勒和較高延遲的影響，不同用戶擴頻序列之間的疊加是隨機的，因此其互相關特性尤其重要。無線系統中的Walsh序列雖然有很好的正交性，但是其互相關特性并不好。因此在水聲信道下要保證擴頻性能，需要尋找一種互相關特性較好的序列。

Wang和Poor在其1999年發表的論文中首次在擴頻通信系統中采用軟迭代的多用戶檢測器[6]。該檢測器采用了MMSE算法，將所有用戶的譯碼器輸出信息反饋到檢測器的輸入端，在擴頻序列完全同步的情況下達到了很好的效果。由于復雜度低，采用LMS算法均衡器被廣泛用于Turbo均衡中。[7]提出了一種采用LMS算法的多通道雙向自適應Turbo均衡算法。在擴頻系統中采用LMS算法，可以有效解決多用戶均衡復雜度較高的問題[8,9]。首先，擴頻后，碼間干擾涉及的符號大大減少，均衡器的大小可以有效降低；其次，均衡的迭代次數可以適當減少。

嚴重的多普勒導致相位的不規律漂移和信號的擴展。解決這一問題的一般方法是通過測量幀長來估計多普勒，并進行補償；而產生的相位變化則依靠均衡器來處理[10]。在擴頻系統中,一般采用載波跟蹤算法來補償相位。[9]提出一種內嵌二階鎖相環的LMS算法，在信道均衡的同時對漂移的相位進行跟蹤。將這種算法應用到Turbo均衡中，能夠解決相位問題。信號經過擴頻后持續時間變長，信道時變的特性特別明顯，雖然Turbo均衡器本身具有一定的相位糾正能力，但是顯然無法適應這種情況。同時，采用獨立的鎖相環，可以更加靈活的針對相位變化情況進行設計。

1 系統設計

1.1 同步信號

本文所使用的同步信號為Chirp調制的Gold序列，為分析其性能，將BPSK調制的Gold序列作為對比。BPSK調制的Gold序列可以視為一種擴頻信號，在給定帶寬情況下可根據擴頻因子的計算確定信號的時長，及對應Gold序列長度。本文根據海試發射機的工作帶寬，將同步信號的頻帶設置為9kHz~15kHz，則同步信號時長為48ms，對應Gold序列長為240（將長為255的Gold序列截短可得）。該同步信號的模糊度函數如圖1所示。從圖中可以看出模糊度函數具有圖釘函數的特性，對多普勒頻移極為敏感。

Chirp信號的表達式為：

(2)

下面對Chirp調制的Gold序列的互相關特性進行分析，對應第個用戶同步信號的匹配濾波器對第個用戶同步信號的輸出為：

從公式(3)可以看出，Chirp調制的Gold序列的互相關函數為Gold序列的互相關函數與一個類sinc函數相乘，保留了Gold序列優良的互相關特性。

同步信號的時間帶寬積會影響檢測效果，為對比BPSK調制與Chirp調制的Gold序列性能，同樣將Chirp調制的Gold序列工作帶寬設置為10 ～15 kHz，同步信號時長為42 ms，所使用的Gold序列長為127位。該同步信號的模糊度函數如圖2所示。結合圖1可以看出，Chirp調制的Gold序列的多普勒容限要強于BPSK調制的Gold序列，在帶寬時長相似的情況下，前者的多普勒容限約為40 Hz，而后者只有5 Hz左右。

1.2 信號模型

圖3 多輸入擴頻通信系統模型

考慮一個有個用戶和個接收通道的擴頻通信系統，其結構如圖3所示。其中，表示第時刻第個用戶的發送信號。表示第時刻第個通道的接收信號。發送信號可以表示為，其中是由二進制序列調制后的符號，是第個用戶的擴頻序列。接收序列表示為

信號經過接收機的解調并經過與各自同步好擴頻序列相乘進行解擴，輸出后第個用戶的信號表示為

1.3 優選擴頻序列

從解擴的角度來說，在多個用戶信號疊加后，每個符號乘對應擴頻序列解擴后會有其他用戶信號的殘留，其大小與序列的互相關值的大小有關。優選序列保證了用戶采用的序列的互相關在某種意義上達到最優。優選擴頻序列的準則有兩種：互相關的最大值低于門限和平均值低于門限。由于實際通信時序列隨機疊加，疊加出最大值的情況并不常見，因此采用均值的方案優于采用最大值的方案。

表1 優選序列算法流程

搜索優選序列的算法流程如表1所示。由于解擴過程涉及的符號只有相鄰的兩個，假設前一個為正，那么后一個有兩種等可能的情況：符號相同和符號不同。互相關值的概率可以用其在中的出現頻次來代替。最后輸出的序列集中所有序列之間的互相關值都可以達到預期。將短序列根據碼間干擾的時長組合成長序列，可以獲得很好的抗多徑能力。

1.4 擴頻通信系統中的Turbo均衡

改進后的自適應軟迭代均衡器的結構如圖4所示。與[6]相比不同之處在于，采用分離的均衡器代替同一的多用戶檢測器。經過擴頻之后，單個均衡器的規模顯著降低，而且多個用戶的均衡過程支持并行運算。

圖4 擴頻通信系統結構

1.5 MIMO LMS均衡器

從單個用戶來說，LMS均衡器包含了一個前向濾波器和一個后向濾波器，其結構如下。

(7)

(8)

1.6 符號與軟信息轉換

如圖2所示，均衡器和譯碼器之間的信息傳遞需要經過交織器、解交織器和SBC、BSC的轉換。由于均衡的輸入和輸出都是符號信息，而采用log-MAP算法的譯碼器輸入和輸出都是概率信息，因此信息的轉換主要靠SBC和BSC。

采用貝葉斯準則，由符號轉換為概率軟信息的計算方法為：

(10)

(12)

結合公式(11)和公式(12)，可以計算出BSC的表達式。

2 仿真與試驗結果

這一節將通過仿真和實際試驗數據驗證擴頻系統中的自適應軟迭代均衡技術性能。發送數據采用了，碼率為0.5的卷積碼最為信道編碼，每一幀包含一個50 ms的幀同步頭，1000個信息序列以及400個訓練序列，為了實現雙向均衡，訓練序列均等分配到數據幀的兩端。每個符號由32個碼片長度的擴頻序列進行擴頻。仿真情況下，系統的工作帶寬設置為與實際系統一致，為9 kHz到15kHz，采樣頻率為96 kHz。采樣BELLHOP生成一組ISI時長為20 ms的MIMO信道響應。

2.1 仿真結果

首先，比較均衡算法在不同迭代次數和不同用戶數情況下的性能。同時給出了采用單通道自適應判決反饋均衡算法結果的對比，仿真結果如圖5所示。其中所有仿真曲線都是在相同多徑信道下產生的，可以看到在嚴重多徑干擾以及375符號每秒的通信速率下，采用傳統判決反饋的方法很難取得很好效果。而采用自適應迭代均衡的方法經過三次迭代后誤碼率大大降低，但是其抗多用戶的能力有限，從兩個用戶增長為三個用戶，均衡器基本難以恢復原始信號。整個系統的抗多用戶干擾的能力主要來自擴頻本身的性質，因此增加用戶數目的方法主要有：降低每個用戶的通信速率和采用優選序列。圖6給出了采用優選序列和Gold序列的性能對比，可以看到在兩個用戶的情況下，無論在那種通信速率下，采用優選序列的性能要明顯優于采用Gold序列的性能。

圖5 375符號速率下自適應迭代均衡與判決反饋均衡性能對比

2.2 試驗結果

在膠州灣進行一次海試，試驗采用水深分別為7、8、9以及10米的四個水聲換能器接收。發射換能器為2個，其中一個發射幅值比另一個低3 dB。傳輸距離從800 m到2100 m，分別作了150符號每秒和300符號每秒的試驗，擴頻序列采用Gold序列。換能器頻帶范圍為9～15 kHz，采樣頻率為96 kHz。試驗處理結果如表2所示，其中采用傳統方法處理的誤碼率都很高，此處不再給出對比。從表中可以看出經過3次迭代后誤碼率相比較一次迭代后的誤碼率有明顯降低。通信速率從150符號每秒提升到300符號每秒后，誤碼率有了明顯增大。

圖6 不同通信速率下Gold序列與優選序列性能對比

2.3 同步信號試驗結果

為分析同步信號在多址通信中性能，在不同時刻使用了不同的同步信號。發射的同步信號除本文使用的Chirp調制Gold序列外，還有BPSK調制Gold序列作為對比分析。在兩用戶的同步信號時域完全疊加的情況下，任取一用戶在分別檢測到兩種同步信號時匹配濾波器的輸出如圖7、圖8所示。

從圖8中可以看出，匹配濾波器對BPSK調制Gold序列輸出中的旁瓣是由用戶間干擾帶來的，且由于Gold序列良好的互相關特性，旁瓣并不影響對主峰的檢測。結合圖7圖8可以看出，匹配濾波器對Chirp調制Gold序列輸出中的旁瓣相當于在BPSK調制Gold序列的用戶間互相關基礎上乘了一個類sinc函數，結果與理論分析相吻合。由于保留了Gold序列良好的互相關特性，這一旁瓣同樣不影響對主峰的檢測。而由于試驗條件所限，多普勒頻移較小，沒有完全體現出Chirp調制Gold序列在多普勒容限上的優勢。

3 結論

通過理論分析，給出了優選序列的特性和搜索方法，給出了自適應迭代均衡器的結構和算法。通過仿真和實際試驗數據驗證了優選擴頻序列的相比于Gold序列的性能和所提出的均衡器的性能。本文對提出的Chirp調制Gold序列的互相關特性及多普勒容限進行了理論分析，并在海試中驗證了其作為多址通信中同步信號的可行性。

[1] HOLMA H, TOSKALA A. Wcdma for Umts [J]. Spread Spectrum Techniques & Applications proceedingsieee International Symposi, 2002, 2:616 - 20.

[2] AKYILDIZ I F, POMPILI D, MELODIA T. Underwater acoustic sensor networks: research challenges [J]. Ad Hoc Networks, 2005, 3(3): 257-79.

[3] SKLAR B. Rayleigh fading channels in mobile digital communication systems part II: Mitigation [J]. IEEE Communications Magazine, 1997, 35(9): 102-9.

[4] 田坦, 劉國枝, 孫大軍. 聲吶技術 [M]. 哈爾濱工程大學出版社, 2006.

[5] 樊祥寧. 超寬帶無線通信關鍵技術研究 [D]. 東南大學, 2005.

[6] WANG X, POOR H V. Iterative (turbo) soft interference cancellation and decoding for coded CDMA [J]. Communications IEEE Transactions on, 1999, 47(7): 1046-61.

[7] XI J, YAN S, XU L, et al. Direct-adaption based bidirectional turbo equalization for multiple-input multiple-output underwater acoustic communications. proceedings of the Oceans, F, 2016 [C].

[8] CHENG N, REN Y, WAN Y. New carrier tracking technique for high-dynamic spread spectrum signals. proceedings of the International Conference on Wireless Communications, NETWORKING and Mobile Computing, F, 2007 [C].

[9] STOJANOVIC M, CATIPOVIC J A, PROAKIS J G. Phase-coherent digital communications for underwater acoustic channels [J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1994, 19(1): 100-11.

[10] SHARIF B S, NEASHAM J, HINTON O R, et al. A computationally efficient Doppler compensation system for underwater acoustic communications [J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2000, 25(1): 52-61.

Research on Key Technologies of Multiple Access Spread Spectrum Underwater Acoustic Communication System

Xi Huiwei1, Xu Lijun2, Zhang Zhen2

(1.Unit 91439 of PLA, Dalian 116041, Liaoning, China; 2.Instiute of Acoustics Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

TN929

A

1003-4862（2017）09-0042-06

2017-06-15

奚慧巍（1986-），男，碩士。研究方向：水聲通信。