MIMO‑OFDM水声通信系统多普勒扩展估计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于MIMO‑OFDM移动水声通信系统的多普勒扩展估计方法，在发射端发送两段重复的训练序列，接收端采用多个并行相关器对接收信号进行延时自相关运算。根据最大输出结果的相关器的窗口长度进行多普勒扩展因子估计。本发明专利技术提供的一种适用于该方案的训练序列结构，可以充分利用MIMO技术带来的分集增益，与传统的基于线性调频信号估计多普勒扩展因子的方法相比，可显著提高多普勒扩展因子估计精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水声通信领域，尤其涉及一种MIMO-OFDM移动水声通信系统中多普勒扩展估计方法。
技术介绍
带宽和频谱利用率是影响通信系统信息传输速率的两个关键因素，MIMO技术能够通过多根天线同时发射和接收信号而显著提高频谱利用率，因而在带宽受限的水声通信系统中得到了广泛的关注和研究，在单载波传输和OFDM多载波传输中都引入了MIMO技术。在数字通信中，尤其是在OFDM系统中，收发端的频率同步是一个比较关键的问题,频偏估计的准确度会影响到接收端对信号的解调译码等的过程。由于OFDM信号是调制在多个正交子载波上的信号和的形式，子载波信号的叠加会使得OFDM信号包络起伏不定，并且不可避免地出现许多较高的峰值，由此带来较大的峰值功率与平均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)。在MIMO-OFDM移动水声通信系统的多普勒频偏估计方法中，为减小PAPR对OFDM信号的影响，本专利技术提出一种适用于该系统的训练序列，该序列具有低PAPR和高自相关特性，适用于水声通信系统中的多普勒扩展因子估计。水声信道是多径干扰严重的时、频、空变信道，其复杂性和多变性限制了水声通信的性能，特别是移动水声通信系统，由于声波在海水中的传播速度仅为1500m/s，收发端的移动导致通信信号在时间上的扩展或压缩远大于无线通信。因此,对于移动水声通信系统,必须首先估计出多普勒扩展因子，然后根据估计出的因子对接收信号重采样，消除多普勒效应对信号的影响。现有的多普勒扩展估计算法中大多使用线性调频(Linearly Frequency Modulated,LFM)信号作为前后同步信号，接收端利用已知的序列与接收信号进行互相关运算，根据前后同步信号输出的峰值间隔与实际信号间隔的差值计算多普勒扩展因子。这种估计方法存在两个主要的缺点：接收机需要缓存所有的接收数据才能计算前后同步信号的峰值，不利于实时信号处理；由于接收信号与本地已知信号作互相关运算，无法消除由于收发端晶振频率差异等引起的信号频率偏移的影响。本专利技术提出使用IEEE802.11n协议中40MHz混合模式前导码的HT-LTF部分作为训练序列，该序列包含两段相同的OFDM符号。接收端使用多个并行相关器对接收信号进行延时自相关处理，根据最大输出结果的相关器的窗口长度进行多普勒扩展因子估计。该方案在信号实时处理和消除收发端固定频偏方面具有优势：重复的序列结构位于数据帧前端，不需缓存整帧数据即可进行同步和多普勒估计等；两段重复序列受到相同的收发端固定频偏影响，自相关运算时取共轭可消除固定频偏。
技术实现思路
技术问题：为了水声通信系统中现有的多普勒估计方案估计精度较低的问题，本专利技术提供一种MIMO-OFDM移动水声通信系统的多普勒扩展估计方法，充分利用训练序列良好的自相关特性和MIMO技术带来的分集增益，可获得更高的多普勒扩展因子估计精度。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的一种MIMO-OFDM移动水声通信系统的多普勒扩展估计方法，在信道带宽受限、多径干扰严重的水声通信系统中引入MIMO-OFDM技术，并提出一种适用于该系统的训练序列结构。所述方案包括如下步骤：1)在发送数据帧前插入两段重复的训练序列，不同的发射天线上采用不等长度的循环移位，以防止波束成形效应；2)信号经过时变多径时延信道；3)接收端采用多个并行相关器对接收信号进行延时自相关运算；4)根据最大输出结果的相关器的窗口长度进行多普勒扩展因子估计。所述步骤1)中，数据帧前插入的训练序列采用的是IEEE802.11n协议中40MHz混合模式前导码的HT-LTF部分经逆傅里叶变换而得到的两段相同的OFDM符号。所述步骤1)中，不同的发射天线上采用不等长度的循环移位的方法是：对一个码元周期内的OFDM码元当0≤t≤T+Tcs时，用取代而当T+Tcs≤t≤T时，用取代其中，T为一个OFDM符号持续时间，Tcs是循环移位的长度。所述步骤2)中，时变多径时延信道是：冲激响应函数可以表示为： h ( τ , t ) = Σ p A p ( t ) δ ( τ - τ p ( t ) ) ]]>其中，下标p表示多径数，Ap(t)是路径增益，τp(t)是路径时延，假定所有路径的多普勒扩展因子a相同，路径时延τp(t)，路径增益Ap(t)在一帧符号持续时间内保持不变，即记为τp,Ap。所述步骤3)中，接收端采用多个并行相关器对接收信号进行延时自相关运算的方法是： C j ( n ) = Σ k = 0 K l - 1 y j ( n + k ) · ( y j ) * ( n + k + K l ) ]]>其中下标j代表第j根接收天线，Kl表示相关器的窗口长度，y表示接收信号,n表示第n个采样点。能量函数P为： P j ( n ) = 1 2 Σ k = 0 K l - 1 [ y j ( n + k ) · ( y j ) * ( n + k ) + y j ( n本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于MIMO‑OFDM移动水声通信系统的多普勒扩展估计方法，其特征在于：在信道带宽受限、多径干扰严重的水声通信系统中引入MIMO‑OFDM技术，采用OFDM符号作为该系统的训练序列，所述方法包括如下步骤：1)在发送数据帧前插入两段重复的训练序列，不同的发射天线上采用不等长度的循环移位，以防止波束成形效应；2)信号经过时变多径时延信道；3)接收端采用多个并行相关器对接收信号进行延时自相关运算；4)根据最大输出结果的相关器的窗口长度进行多普勒扩展因子估计。

【技术特征摘要】
1.一种适用于MIMO-OFDM移动水声通信系统的多普勒扩展估计方法，其特征在于：在信道带宽受限、多径干扰严重的水声通信系统中引入MIMO-OFDM技术，采用OFDM符号作为该系统的训练序列，所述方法包括如下步骤：1)在发送数据帧前插入两段重复的训练序列，不同的发射天线上采用不等长度的循环移位，以防止波束成形效应；2)信号经过时变多径时延信道；3)接收端采用多个并行相关器对接收信号进行延时自相关运算；4)根据最大输出结果的相关器的窗口长度进行多普勒扩展因子估计。2.根据权利要求1所述的适用于MIMO-OFDM移动水声通信系统的多普勒扩展估计方法，其特征在于：所述步骤1)中，数据帧前插入的训练序列采用的是IEEE802.11n协议中40MHz混合模式前导码的HT-LTF部分经逆傅里叶变换而得到的两段相同的OFDM符号。3.根据权利要求1所述的适用于MIMO-OFDM移动水声通信系统的多普勒扩展估计方法，其特征在于：所述步骤1)中，不同的发射天线上采用不等长度的循环移位的方法是：对一个码元周期内的OFDM码元当0≤t≤T+Tcs时，用取代而当T+Tcs≤t≤T时，用取代其中，T为一个OFDM符号持续时间，Tcs是循环移位的长度。4.根据权利要求1所述适用于MIMO-OFDM移动水声通信系统的多普勒扩展估计方法，其特征在于：所述步骤2)中，时变多径时延信道是：冲激响应函数表示为： h ( τ , t ) = Σ p A p ( t ) δ ( τ - τ p ( t ) ) ]]>其中，下标p表示多径数，Ap(t)是路径增益，τp(t)是路径时延，假定所有路径的多普勒扩展因子相同，路径时延τp(t)，路径增益Ap(t)在一帧符号持续时间内保持不变，记为τp,Ap。5.根据权利要求1所述适用于MIMO-OFDM移动水声通信系统的多普勒扩展估计方法，其特征在于：所述步骤3)中，接收端采用多个并行相关器对接收信号进行延时自相关运算的方法是： C j ( n ) = Σ k = 0 K l - 1 y j ( n + k ) · ( y j ) * ( n + k + K l ) ]]>其中j代表第j根接收天线，Kl表示相关器的窗口长度，y表示接收信号,n表示第n个采样点；能量函数P为： P j ( n ) = 1 2 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春国，宋康，张行，曹冰昊，杨绿溪，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32