一种菲涅尔域零导频OCDM水声通信的载波频偏估计补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种菲涅尔域零导频OCDM水声通信的载波频偏估计补偿方法，涉及水声通信领域。本发明专利技术考虑水下发送设备能量受限的现状，采用插入零后缀的方式来消除OCDM信号块间的干扰，针对水声信道时延已知和未知两种情况，利用其菲涅尔域零导频的能量为零的特点，建立CFO估计度量，设计不同的载波频偏估计补偿方法。本发明专利技术考虑OCDM信号在接收端已经完成检测同步工作和多普勒偏移初步补偿的基础上开展，通过寻找OCDM系统菲涅尔域零导频的CFO估计度量的最小值，确定最佳的CFO候选值，对接受信号进行载波频偏参数的估计和补偿。本发明专利技术有效提升了OCDM信号在水下通信的可行性和通信效果，降低设备信息处理能耗。降低设备信息处理能耗。降低设备信息处理能耗。

【技术实现步骤摘要】
一种菲涅尔域零导频OCDM水声通信的载波频偏估计补偿方法


[0001]本专利技术涉及水声通信领域，尤其涉及一种菲涅尔域零导频OCDM水声通信的载波频偏估计补偿方法。

技术介绍

[0002]正交啁啾分复用(Orthogonal Chirp Division Multiplex,OCDM)是近期新提出的一种多载波调制技术，该技术利用正交的啁啾信号来调制载荷信息，数学化的表示为菲涅尔变换，以此实现信号时域和菲涅尔域的相互变化，该变换类似于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex,OFDM)中的傅里叶变换。OCDM调制方式对于时域和频域内的突发干扰体现出了良好的抗干扰性，目前多运用于光通信场景。然而，OCDM调制方式对载波频偏较为敏感，水下环境传输信号也会发生较大频率偏移，这一偏移的影响仅依靠重采样操作是无法完全消除的；此外，水声信号传输环境多为能量受限场景，零后缀技术运用更加广泛，目前常见的针对添加循环前缀的OCDM载波频偏估计算法无法直接运用至添加零后缀的OCDM信号；同时，现有的OCDM载波频偏估计算法的使用，依赖信道时延长度这一信息，而这在水声通信中往往是难以获得的。因此综合上述现状，考虑信道时延已知和未知的情况下，设计针对菲涅尔域零导频OCDM系统的载波频偏估计补偿方法，是提升OCDM水声通信系统效果的重要思路。
[0003]国内申请号为202010708335.4的名称为“一种面向正交切普复用调制的低复杂度频选信道估计方法”提供了针对OCDM系统的低复杂度信道估计方法，可用于估计具有多途特性的信道参数。国内申请号为201710793527.8的名称为“一种移动水声通信方法”，提供了一种针对OCDM系统发送端增补阶次扫描搜索迭代算法以降低计算复杂度减少多普勒频移影响的水声通信方法。国内申请号201510919217.7的名称为“一种载波频偏估计方法和系统”，提供了一种针对OFDM信号发送前对载波频偏进行矫正的系统。上述方法虽一定程度上探究了OCDM系统在不同场景下的运用优势，以及OFDM系统应对载波偏移的方法，但没有指出水声通信环境下如何对使用零后缀的OCDM系统进行载波频率偏移估计，限制了菲涅尔域零导频OCDM系统在水声通信中获得的通信效果。
[0004]因此，本领域的技术人员致力于开发一种菲涅尔域零导频OCDM水声通信的载波频偏估计补偿方法。本专利技术面向OCDM水声通信系统，提出了基于菲涅尔域零导频OCDM水声通信系统的载波频偏估计补偿方法。区别于传统的OCDM载波频偏估计补偿方式，本专利技术综合考虑水声通信能量受限和信道信息不容易获得的现状，考虑信道时延已知和未知的情况下，设计针对使用零后缀的OCDM信号的载波频偏估计算法，将菲涅尔域零导频的能量作为载波频偏估计度量，寻找最佳的载波频偏候选值，作为最终载波频偏估计值。实现在水下信道时延已知和未知的条件下，实现使用零后缀的OCDM系统内估计载波频偏的目的，达到更好的水声通信效果。

技术实现思路

[0005]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是在水下信道时延已知和未知的情况下，实现使用零后缀的OCDM系统内估计载波频偏的目的，达到更好的水声通信效果。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种菲涅尔域零导频OCDM水声通信的载波频偏估计补偿方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、使用菲涅尔域长度为L的导频符号p(i)、长度为L的零导频符号0和长度为N的数据符号d(i)生成长度为M＝2L+N的OCDM调制信号的数据符号d(i)生成长度为M＝2L+N的OCDM调制信号其中为逆菲涅尔变换矩阵，包含M个子载波，分配能量E；
[0008]步骤2、执行串并转换工作，并添加长度为L的前后导码v
pre
,v
post
和长度为N
g
的保护间隔，生成发送序列，使用前后导码完成信号检测和多普勒缩放因子的初步补偿操作；
[0009]步骤3、对重采样后信号，表述载波频偏影响下的OCDM接收信号步骤3、对重采样后信号，表述载波频偏影响下的OCDM接收信号其中是被载波频率空间归一化的载波频偏，D
M+L
(w
o
)是块内载波频偏影响，H多径信道参数矩阵，w(i)为加性高斯白噪声；
[0010]步骤4、选取载波频偏候选值我们给出补偿载波频偏后的接收信号执行时域叠加操作R
OLA
和菲涅尔域搬移操作Φ
M
，获得载波频偏候选值条件下的预处理信号考虑最大信道时延L
h
已知和未知两种情况来构建载波频偏估计度量。L
h
已知时，预补偿信号中的零导频已知时，预补偿信号中的零导频其中r
null
(L
h
)为L
h
已知的零导频选择向量；L
h
未知时，预均衡信号中的零导频其中r
null
(0)为L
h
未知的零导频选择向量，其中为逆傅里叶变换矩阵，G为均衡矩阵，Γ
M
为菲涅尔参数矩阵。
[0011]步骤5、利用在两种情况下分别提取出的菲涅尔域零导频u
null
，计算其零导频对应能量，将此作为载波频偏的估计度量
[0012]步骤6、在计算出所有载波频偏候选值的估计度量后，寻找估计度量的最小值，确定对应的为最佳载波频偏估计值，载波频偏最佳估计值计算方式为为最佳载波频偏估计值，载波频偏最佳估计值计算方式为
[0013]步骤7、根据估计出的最佳载波频偏估计值补偿OCDM接收信号y(i)，获得补偿信号z(i)；
[0014]步骤8、对使用最佳载波频偏估计值进行补偿后的信号z(i)，执行预处理操作，获得预处理信号其中Φ
M
为菲涅尔变换矩阵，R
OLA
为循环叠加操作；执行信道估计操作，获得MMSE信道估计器和ZF信道估计器对预处理信号执行均衡操作，估计出OCDM系统中的数据符号
[0015]进一步地，所述步骤4至所述步骤6为计算载波频偏候选值的估计度量步骤，针对
不同的载波频偏候选值需逐一计算其估计度量，寻找最小度量，挑选出对应的最佳载波频偏估计值。
[0016]进一步地，所述步骤4至所述步骤6可用粗细两步搜索算法降低计算复杂度，在[0,1)的候选范围用粗步长μ
c
进行粗搜索，获得粗载波频偏估计其次，在的候选范围用细步长进行细双向搜索，根据需求精度，降低细步长的数量级，重复细双向搜索步骤，直到获得最佳载波频偏估计值
[0017]进一步地，所述步骤1，与OFDM信号的产生使用傅里叶变化相似，OCDM信号的产生使用离散菲涅尔变换(Discrete Fresnel Transform,DFnT)矩阵，具体表示为其中M为OCDM系统的子载波数量。OCDM系统在菲涅尔域添加导频后，数据符号组成为OCDM系统在菲涅尔域添加导频后，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种菲涅尔域零导频OCDM水声通信的载波频偏估计补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、使用菲涅尔域长度为L的导频符号p(i)、长度为L的零导频符号0和长度为N的数据符号d(i)生成长度为M＝2L+N的OCDM调制信号据符号d(i)生成长度为M＝2L+N的OCDM调制信号其中为逆菲涅尔变换矩阵，包含M个子载波，分配能量E；步骤2、执行串并转换工作，并添加长度为L的前后导码v
pre
，v
post
和长度为N
g
的保护间隔，生成发送序列，使用前后导码完成信号检测和多普勒缩放因子的初步补偿操作；步骤3、对重采样后信号，表述载波频偏影响下的OCDM接收信号步骤3、对重采样后信号，表述载波频偏影响下的OCDM接收信号其中w
o
∈(0，1)是被载波频率空间归一化的载波频偏，D
M+L
(w
o
)是块内载波频偏影响，H多径信道参数矩阵，w(i)为加性高斯白噪声；步骤4、选取载波频偏候选值给出补偿载波频偏后的接收信号执行时域叠加操作R
OLA
和菲涅尔域搬移操作Φ
M
，获得载波频偏候选值条件下的预处理信号最大信道时延L
h
已知和未知两种情况分别构建载波频偏估计度量；L
h
已知时，预补偿信号中的零导频其中r
null
(L
h
)为L
h
已知的零导频选择向量；L
h
未知时，预均衡信号中的零导频其中r
null
(0)为L
h
未知的零导频选择向量，其中为逆傅里叶变换矩阵，G为均衡矩阵，Γ
M
为菲涅尔参数矩阵；步骤5、利用在两种情况下分别提取出的菲涅尔域零导频u
null
，计算其零导频对应能量，作为载波频偏的估计度量步骤6、在计算出所有载波频偏候选值的估计度量后，寻找估计度量的最小值，确定对应的为最佳载波频偏估计值，载波频偏最佳估计值计算方式为为最佳载波频偏估计值，载波频偏最佳估计值计算方式为步骤7、根据估计出的最佳载波频偏估计值补偿OCDM接收信号y(i)，获得补偿信号z(i)；步骤8、对使用最佳载波频偏估计值进行补偿后的信号z(i)，执行预处理操作，获得预处理信号其中Φ
M
为菲涅尔变换矩阵，R
OLA
为循环叠加操作；执行信道估计操作，获得MMSE信道估计器和ZF信道估计器对预处理信号执行均衡操作，估计出OCDM系统中的数据符号2.如权利要求1所述的菲涅尔域零导频OCDM水声通信的载波频偏估计补偿方法，其特征在于，所述步骤4至所述步骤6为计算载波频偏候选值的估计度量步骤，针对不同的载波频偏候选值逐一计算估计度量，寻找最小度量，挑选出对应的最佳载波频偏估计值。3.如权利要求1所述的菲涅尔域零导频OCDM水声通信的载波频偏估计补偿方法，其特征在于，所述步骤4至所述步骤6可用粗细两步搜索算法降低计算复杂度，在[0，1)的候选范围用粗步长μ
c
进行粗搜索，获得粗载波频偏估计其次，在的候
选范围用细步长进行细双向搜索，根据需求精度，降低细步长的数量级，重复细双向搜索步骤，直到获得最佳载波频偏估计值4.如权利要求1所述的菲涅尔域零导频OCDM水声通信的载波频偏估计补偿方法，其特征在于，所述步骤1，与OFDM信号的产生使用傅里叶变化相似，OCDM信号的产生使用离散菲涅尔变换矩阵，具体表示为涅尔变换矩阵，具体表示为其中M为OCDM系统的子载波数量；OCDM系统在菲涅尔域添加导频后，数据符号组成为其中零导频数量为2L
‑
1，数据符号d(i)＝[d(iN)，d(iN+1)，
…
，d(iN+N
‑
1)]
T
，取自复杂调制字母表，长度为N；长度为L的导频符号p(i)＝[b，0，
…
，0]
T
，固定功率平均的分配给导频符号；传输符号用M
×
M的逆DFnT矩阵进行调制；第i个传输块...

【专利技术属性】
技术研发人员：王布依祎，王易因，李一辰，关新平，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：