一种基于矢量阵接收的MIMO高速水声通信方法技术

本发明专利技术属于水声通信技术领域，具体涉及一种基于矢量阵接收的MIMO高速水声通信方法，发射端将原始信息序列进行串并转换得到M路待发送原始信息，分别对M路待发送信息进行PSK调制后利用M个阵元并行发送出去；接收端接收信号进过降基带、降采样、同步处理后，分别利用训练序列对N个接收阵元的信号进行MIMO信道估计，然后利用估计得到信道在频域构建破零均衡矩阵并与接收信号相乘得到M路输出信号，最后对每路信号进行均衡解码处理，得到最终信息估计序列，本发明专利技术利用矢量MIMO频域均衡，实现MIMO通信系统中的同道干扰抑制，通过MIMO迭代分块处理，对重叠译码的信号块进行软信息融合，有效解决MIMO频域均衡对时变信道敏感问题，从而提高了所提方法的宽容性。提高了所提方法的宽容性。提高了所提方法的宽容性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于矢量阵接收的MIMO高速水声通信方法


[0001]本专利技术属于水声通信
，具体涉及一种基于矢量阵接收的MIMO高速水声通信方法。

技术介绍

[0002]随着人类开发海洋的步伐不断加快，水下信息传输的需求将不断增大。水声通信是目前水下远距离信息传输最为有效的手段，不仅在军事领域中具有较强的应用背景，在民用领域中也同样不可或缺。水声信道是一个带宽有限的时频双扩展信道，是目前公认的最为复杂的无线通信信道之一，水下信息传输尤其是水下高速信息传输面临着严峻的挑战。
[0003]现有的水下高速水声通信技术从技术体制方面来看主要有单载波通信和OFDM通信两大技术体制，二者在频带利用率上基本一致。但受制于水声信道的带宽，利用单载波或OFDM通信体制的水声通信系统通信速率有时仍无法满足需求。因此近年来，MIMO水声通信技术逐渐成为业内研究的热点。该技术利用多个阵元发射、多个阵元接收，与单载波、OFDM等通信体制时可很好结合的同时，将信息序列通过多个阵元并行发送，可成倍地提升水声通信系统的通信速率。
[0004]MIMO水声通信中面临的核心问题是不同阵元同时发送信号时的互扰问题，及同道干扰(Co
‑
channelInterference,CoI)。传统的处理方法是利用大孔径的垂直阵接收，充分利用水声信道的空间差异性，采用被动相位共轭(PassivePhaseConjunction，PPC)处理的方式来实现CoI的抑制。然而该方法在UUV等无法搭载水下大孔径垂直阵的水下平台上的适用性严重受限，发展基于小孔径垂直阵或水平线阵接收的MIMO高速水声通信技术需求迫切。
[0005]矢量水听器可以同步共点地获取声场的矢量和标量信息，单个矢量水听器相比于单个标量水声器可以提供更多的接收信息，从而为实现小孔径阵接收的MIMO高速水声通信技术提供了支撑。为此，本专利技术基于矢量MIMO频域破零均衡技术提出了一种基于矢量阵接收的MIMO高速水声通信方法，可利用小孔径矢量接收阵实现MIMO同道干扰抑制，从而实现高速可靠的MIMO水声通信。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对基于小孔径接收阵的MIMO高速水声通信中信道强相关带来的同道干扰困难的问题，提供了一种基于矢量阵接收的MIMO高速水声通信方法：充分利用矢量水听器振速通道信息，结合MIMO频域均衡及迭代分块处理可有效抑制MIMO同道干扰对解码带来的影响，从而显著提升MIMO高速水声通信系统的可靠性。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种基于矢量阵接收的MIMO高速水声通信方法，所述方法包括以下步骤：
[0009]MIMO编码调制，发射端首先将原始信息序列通过串并转换成M路信息序列(M为
MIMO通信系统中发射阵元个数)，然后分别对每路信息进行信道编码、交织以及加入训练序列，最后对每路编码后的信息序列进行单载波调制并利用M个发射阵元同时将M路通信信号发送出去；
[0010]MIMO信道估计，接收端完成信号检测与同步后，利用本地已知的训练序列分别对MIMO通信系统中每个矢量水听器p、vx、vy通道的M个发射端到接收端的水声信道进行整体估计；
[0011]矢量MIMO频域迫零均衡处理，利用估计得到的MIMO信道在频域构建权矩阵，并与接收信号在频域相乘，实现对MIMO系统中同道干扰的抑制处理，得到M路通信信号；
[0012]单载波判决反馈均衡处理，分别对MIMO频域迫零均衡后得到的M路通信信号进行单载波判决反馈均衡处理，得到最终解码估计结果；
[0013]MIMO分块迭代矢量均衡处理，接收端将接收信号按照长度N进行分块，利用上一个解码块进行MIMO信道估计更新，利用更新后的信道对接下来连续两块的信号进行上述处理过程，并对重叠处理块得到的符号估计进行融合处理。
[0014]进一步的，所述MIMO编码调制中，设原始发送序列为a
n
(a
n
∈[
‑
1,1])，首先将a
n
进行串并转换得到b
n
：
[0015][0016]对b
n
中的每一行加入训练序列后进行PSK调制(这里以BPSK调制为例)可得到MIMO发射系统中M路发射信号：
[0017][0018]式中，为b
n
中第i行信息序列前加入的训练序列；为b
n
中第i行对应的信息序列；f
c
为载波中心频率。
[0019]进一步的，所述MIMO信道估计中，接收端采用矢量阵进行接收(阵型不限)，则第j个矢量阵元接收信号为：
[0020][0021]式中，分别为第i个发射阵元到第j个接收阵元间的声压和振速对应的水声信道，在远场条件下和具有较高的相关性，θ为波达方位，和分别为声压和振速通道对应的本地噪声；
[0022]设对接收到的信号进行解调、降采样、同步等处理后得到接收基带信号为(以第i个矢量接收阵元的p通导为例)其中Ld为训练序列长度，则第j个
矢量阵元的接收信号能够以矩阵形式给出：
[0023][0024]式中，和分别为和对应的向量形式；
[0025][0026]将(4)进一步整理可得：
[0027][0028]式中，S＝[S1,S2,...,S
M
]；由式(5)可知，M个发射阵元到达第j个接收阵元的水声通信信道作为一个整体进行估计时，能够有效消除相互间的干扰；
[0029][0030]因此利用最小二乘法即可得到第j个矢量接收阵元p、v
x
、v
y
三个通道的估计信道(以p通道为例)。
[0031]进一步的，所述矢量MIMO频域迫零均衡处理中，首先对式(3)进行傅里叶变换有：
[0032][0033]将各个矢量阵元的p、v
x
、v
y
通道信号联合整理可得
[0034][0035]式中，为整理后的噪声分量；
[0036][0037]则根据式(10)在频域构建权矩阵为：
[0038][0039]接收信号经过MIMO频域破零均衡处理后的结果为：
[0040][0041]通过MIMO频域均衡处理后各个阵元的发射信号间的干扰被消除。
[0042]进一步的，所述单载波判决反馈均衡处理中，首先将频域均衡处理后的信号的每一行进行逆傅里叶变换，得到M个时域基带信号，分别利用内嵌锁相环的判决反馈均衡器对M个时域基带信号进程处理即可得到从而得到原始信息序列的估计。
[0043]进一步的，所述MIMO分块迭代矢量均衡处理中，MIMO系统接收端首先将N个阵元的接收信号进行分块处理，设每块长度为N，则MIMO分块迭代矢量均衡处理流程如下：
[0044]1)设利用第k
‑
2个已完成译码的数据块进行MIMO信道估计后得到的估计信道为则利用该信道对第k<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于矢量阵接收的MIMO高速水声通信方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：MIMO编码调制，发射端首先将原始信息序列通过串并转换成M路信息序列(M为MIMO通信系统中发射阵元个数)，然后分别对每路信息进行信道编码、交织以及加入训练序列，最后对每路编码后的信息序列进行单载波调制并利用M个发射阵元同时将M路通信信号发送出去；MIMO信道估计，接收端完成信号检测与同步后，利用本地已知的训练序列分别对MIMO通信系统中每个矢量水听器p、vx、vy通道的M个发射端到接收端的水声信道进行整体估计；矢量MIMO频域迫零均衡处理，利用估计得到的MIMO信道在频域构建权矩阵，并与接收信号在频域相乘，实现对MIMO系统中同道干扰的抑制处理，得到M路通信信号；单载波判决反馈均衡处理，分别对MIMO频域迫零均衡后得到的M路通信信号进行单载波判决反馈均衡处理，得到最终解码估计结果；MIMO分块迭代矢量均衡处理，接收端将接收信号按照长度N进行分块，利用上一个解码块进行MIMO信道估计更新，利用更新后的信道对接下来连续两块的信号进行上述处理过程，并对重叠处理块得到的符号估计进行融合处理。2.根据权利要求1所述的一种基于矢量阵接收的MIMO高速水声通信方法，其特征在于：所述MIMO编码调制中，设原始发送序列为a
n
(a
n
∈[
‑
1,1])，首先将a
n
进行串并转换得到b
n
：对b
n
中的每一行加入训练序列后进行PSK调制(这里以BPSK调制为例)可得到MIMO发射系统中M路发射信号：式中，为b
n
中第i行信息序列前加入的训练序列；为b
n
中第i行对应的信息序列；f
c
为载波中心频率。3.根据权利要求2所述的一种基于矢量阵接收的MIMO高速水声通信方法，其特征在于：所述MIMO信道估计中，接收端采用矢量阵进行接收(阵型不限)，则第j个矢量阵元接收信号为：式中，分别为第i个发射阵元到第j个接收阵元间的声压和振速对应的水声信道，在远场条件下和具有较高的相关性，θ为波达方位，和分
别为声压和振速通道对应的本地噪声；设对接收到的信号进行解调、降采样、同步等处理后得到接收基带信号为(以第i个矢量接收阵元的p通导为例)其中Ld为训练序列长度，则第j个矢量阵元的接收信号能够以矩阵形式给出：式中，和分别为和对应的向量形式；...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜鹏宇，吴梦行，崔英桥，时相一，温梦华，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：