基于索引調制的FBMC 水聲抗干擾通信技術研究

張明亮，王 彪，朱雨男，吳承希，李涵瓊

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212100)

0 引 言

自二戰以來水下高速率通信一直是值得探索的熱點之一，正交頻分復用（orthogonal frequency division multi-plexing，OFDM）技術由于其頻譜利用率高、傳輸數據速率快、抗頻率選擇性衰落強、抗多徑干擾等優勢，已然成為水聲多載波通信的經典調制手段。但OFDM 帶外輻射較高，同時由于水聲信道的時變空變易產生符號間干擾（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，學者們相繼提出了濾波器組多載波（filter bank multi-carrier，FBMC）通信技術、索引OFDM（OFDM-IM）等解決方案。

由于FBMC 具有極低的帶外泄露，從而更容易與認知無線電理論相結合，實現頻譜資源的動態感知，在實際應用中可以根據環境感知技術測得水聲信道頻譜信息，從而得到非連續頻帶干擾頻率范圍，對進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性能，但仍存在有用符號和子載波之間的干擾，為解決有用符號均受到周圍符號對其疊加的干擾問題，在無線通信環境系統中提出一種基于索引調制的濾波器組多載波（FBMC-IM）通信系統，闡述了在不增加額外帶寬資源的情況下增加了索引信息，根據索引映射方案選擇部分子載波激活來傳輸信息，使得系統在傳輸信息時既有子載波原本攜帶的信息，也有子載波的索引信息，可以在保證系統頻譜效率的情況下，消減干擾能量和提升信干比。相比傳統FBMC 系統具有更好的頻譜效率和系統可靠性。窄帶干擾是水聲多載波通信系統中的一種常見干擾類型，它能量高且占用系統的部分帶寬，會破壞子載波之間的正交性，導致通信系統通信性能下降，因此，為水聲通信領域提供一種新調制方式下的高速抗干擾多載波通信系統的方法，具有重要的研究意義。

本文在水聲信道中有非連續頻帶干擾的情況下，解決通信信號與干擾的混疊導致接收端誤碼率較高的問題，提出一種基于索引調制的FBMC 水聲抗干擾通信技術研究方案。根據非連續干擾頻率范圍，對存在非連續頻帶干擾的FBMC-IM 系統的通信頻帶進行劃分，使得通信信號與非連續頻帶干擾信號混疊部分的子載波靜默，與干擾信號不混疊的子載波處于活躍狀態并通過通信信號，轉變為不連續的通信頻帶的通信模式傳遞有用信號來規避干擾，從而使得水聲通信系統的抗干擾能力變強。

1 系統模型

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

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

在水聲FBMC-IM 通信系統模型中，發射端首先對需要傳輸的信息進行比特分流處理，分為星座調制比特和索引調制比特。假設輸入到發送端的數據信息比特為比特，考慮每一個FBMC-IM 的符號內的全部子載波數為，發送端的信息經過分流處理后被平均分配到個子載波塊中，即FBMC-IM 系統中每個子載波塊內含有的子載波數相同為個，且每個子載波塊包含的比特數為個比特信息，其關系滿足以下表達式：

與傳統FBMC 不同在于，FBMC-IM 的每個子載波塊中的個比特信息將被分成2 部分進行傳輸，先取一部分比特信息進行索引調制，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行星座調制，用來控制決定被激活的子載波中的符號信息。

為保證一般性，假設在分組后的個子載波塊中選擇標號的子載波塊，將該子載波塊中個子載波的索引序列攜帶的信息比特，送入索引選擇器，其中個子載波中選擇了個子載波激活，-個子載波保持靜默不攜帶數據，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數據可以表示為：

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

如子載波塊長度=4，子載波塊內激活子載波數=2，則激活的子載波和對應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 產生模塊產生器通過索引序列I和傳輸的符號矢量S來產生所有的子載波塊，最后將所有的FBMC-IM 子塊合并的頻域信號矢量可表示為：

在FBMC-IM 產生器之后，水聲FBMC-IM 系統的發送端后續處理過程與傳統的FBMC 系統相同。

當發送信號經過水聲信道后到達接收端，首先是對傳統FBMC 進行解調，然后進行均衡消除等得到FBMC-IM 接收數據符號后，通過檢測器將這些FBMCIM 數據符號進行分組，根據激活的子載波和對應攜帶的激活子載波位置索引信息利用查表法選擇對應映射關系，就可以把它們解調出來，實現索引位置譯碼和星座符號譯碼。

2 抗干擾模型

水聲FBMC-IM 抗干擾通信系統模型如圖2 所示。

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

發送信號先經過索引調制和星座映射后，在水聲FBMC-IM 通信系統中生成一整段FBMC-IM 數據符號。實際應用中可根據環境感知頻帶信息測得的水聲信道中非連續頻帶干擾的頻率范圍，將水聲FBMCIM 通信系統的整個子載波通信頻帶進行劃分，使得通信信號與干擾頻帶重疊的子載波靜默，通信信號與干擾頻帶不重疊的子載波處于活躍狀態，FBMC-IM 一整段通信信號穿插在非連續頻帶干擾中。經過水聲信道到達接收端后，再根據環境感知頻譜信息，進行FBMC-IM 索引調制解調譯碼，最終得到接收信號。

非連續頻帶干擾在實際信道中是確實存在的且是可以通過認知無線電環境感知相關技術測的。由于水聲FBMC-IM 系統由多個相互正交的子載波組成，可以將系統的整個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為載波的隨機相位，均勻分布在 [0,2π] 上，g是隨機調制的符號，T是符號周期，τ是隨機延時，均勻分布在 [0，T] 上，()是基帶波形。

根據上述模型可得到一通信干擾頻帶范圍內的一段連續頻帶干擾，而非連續頻帶干擾至少有2 個及以上的干擾頻帶段才可以說非連續。同樣的道理，再通信頻帶范圍內的另一個頻帶范圍再設置一段連續的頻帶干擾。將這些頻帶干擾都相疊加，就可以得到非連續的頻帶干擾。因此，若一水聲信道中的非連續頻帶干擾是由2 個窄帶干擾段構成，所對應的混疊干擾與通信信號的可能會出現4 種組合方式，取其中一種混疊的干擾信號與通信信號組合方式，可以得到一非連續頻帶干擾下的通信頻帶示意圖如圖3 所示。

圖3 非連續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 通信系統的整個子載波通信頻帶是進行等間距的劃分，也就是每個頻帶內同時傳輸的子載波以均勻的頻帶間隔劃分。知道水聲信道中非連續頻帶干擾的頻率范圍后，實際上就表現為非連續頻帶干擾與通信信號出現了非連續的混疊干擾。

混疊干擾部分進行處理過程圖如圖4所示。首先通信信號通過索引調制加入空載波后得到索引調制的通信信號，然后根據環境感知測得的非連續頻帶干擾對索引調制通信信號進行等間距的頻帶劃分，使得混疊的干擾信號頻帶部分的子載波全部靜默，不傳通信信號，沒有混疊部分的的子載波處于活躍狀態得到③，③再進行傳統的FBMC 調制后，經過水聲信道到達接收端，經過FBMC解調、均衡消除等得到④，根據環境感知進行頻帶劃分，得到索引調制待解調的通信信號⑤，然后進行FBMC-IM 通信信號索引解調譯碼恢復原始通信信號得到⑥。

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

將這一整段FBMC-IM 索引調制通信信號剪切分成若干幾段，使得混疊的干擾信號頻帶子載波靜默不傳通信信號，沒有混疊的干擾信號頻帶的子載波處于活躍狀態傳送通信信號，使FBMC-IM 一整段通信信號穿插在非連續頻帶干擾中。然后，經過水聲信道到達接收端后，再根據環境感知頻譜信息，將非連續干擾頻段找出，把原來被剪切成幾段的通信信號段合并還原成一個完整的通信信號段，再進行FBMC-IM 索引調制解調譯碼，最終恢復原始信號。

3 實驗仿真與分析

3.1 無干擾下水聲FBMC 系統和水聲FBMC-IM 系統性能分析

為了保證實驗結果的真實性和可靠性，實驗采用的水聲信道數據來自清江湖北宜昌段，圖5 為用線性調頻信號測得某一時刻的信道沖激響應，實驗仿真參數設置如表2 所示。

表2 實驗仿真參數設置Tab.2 Setting of experimental simulation parameters

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

實驗仿真首先對系統無干擾的情況下進行仿真實驗分析，對傳統水聲FBMC 和水聲FBMC-IM 系統誤碼率進行仿真對比，并且對于水聲FBMC-IM 不同激活子載波數目的情況的誤碼率也進行了仿真對比。這里把FBMC-IM 系統所有子載波分成了128 子載波塊。如同表格1 從每組4 個子載波中選出2 個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，也就是從每個子載波塊的4 個子載波中分別選出4，3，2，1 個子載波來激活，使得激活的子載波處于活躍狀態傳輸星座符號，未激活的子載波處于靜默狀態補充空載波，當==4時，水聲FBMCIM 系統就等同于水聲FBMC 系統。實驗接收端部分的索引調制譯碼采用的均是能量檢測，實驗仿真對比結果如圖6 所示。

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

從仿真結果圖可以明顯看出，水聲FBMC 系統誤碼率明顯高于水聲FBMC-IM 系統。而引入索引調制后的FBMC-IM 系統中，因為系統中補充了大量空子載波，系統誤碼率明顯降低。同時可以看出，隨著信噪比增大，每個子載波塊激活子載波數的減少，未激活子載波數增多，系統誤碼率越低，性能表現的更好。

3.2 非連續頻帶干擾下水聲FBMC-IM 系統抗干擾性能分析

考慮非連續頻帶干擾下的水聲FBMC-IM 通信系統的抗干擾性能。為了凸顯一般性，仿真實驗根據前文的參數設置及仿真結果，對不同子載波激活選擇方式=4,={3,2,1}三種情況的FBMC-IM 通信系統均進行了抗干擾性能仿真實驗，水聲FBMC-IM 通信系統的非連續頻帶干擾頻率范圍設置在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 通信系統非連續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

通過對非連續頻帶干擾頻段與系統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 抗干擾通信系統仿真實驗對比結果圖分別如圖8～圖10 所示。

圖8 水聲FBMC-IM 抗干擾通信系統（Q=4，k=3）誤碼率對比圖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（Q=4，k=2）誤碼率對比圖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（Q=4，k=1）誤碼率對比圖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，在非連續頻帶干擾條件下，隨著信噪比的增加，未處理的水聲FBMC 系統和未處理的水聲FBMC-IM 系統接收端的誤碼率都是較高的，受干擾影響均很嚴重。但是水聲FBMC-IM 系統接收端的誤碼率要低于未處理的水聲FBMC 系統，再次表明水聲FBMC-IM 系統誤碼率性能要更好一點。

通過將非連續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 系統誤碼率大大地低于未處理的系統。表明該干擾處理方案有效的解決了非連續頻帶干擾條件下通信信號與干擾信號的混疊問題，明顯降低了接收端的誤碼率，大大提高了系統的抗干擾能力。此外，信噪比為30 dB 時，系統接收端誤碼率均低于10，并且單個子載波塊為4 個選擇激活1 個子載波時，誤碼率更是逼近10，抗干擾性能表現更佳。

4 結 語

在無干擾的情況下，傳統水聲FBMC 系統引入索引調制，由于系統中加入了大量的空子載波，使得調制后的水聲FBMC-IM 通信系統誤碼率性能得以提升。其次水聲環境中存在非連續頻帶干擾條件下，通過對水聲FBMC-IM 通信系統的通信頻帶進行劃分，使得與非連續頻帶干擾信號混疊部分的子載波靜默，未受干擾的子載波保持活躍狀態并承載通信信號，來規避混疊導致系統接收端誤碼率高的干擾影響。仿真結果表明，相比于傳統水聲FBMC 系統，水聲FBMC-IM 系統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與干擾的混疊問題，明顯降低了系統接收端的誤碼率，大大提高了系統的抗干擾能力。