本发明专利技术公开了一种单载波MIMO水声通信方法，通过分块处理灵活的应对时变信道，同时降低系统的计算复杂度；通过引入连续干扰消除的迭代信道估计技术，极大的增强了系统的同信道干扰抑制和消除能力；被动时间反转镜技术合并多通道数据为单通道数据，大大降低了系统的复杂度；向量近似消息传递通过执行自迭代，在低复杂度下实现了各天线数据的高精度检测。本发明专利技术分块处理的思想在降低系统复杂度的基础上可以更好的应对时变信道；接收机可以提供强大的同信道干扰抑制和消除能力；在保证系统性能的同时，大大降低了系统的计算复杂度。大大降低了系统的计算复杂度。大大降低了系统的计算复杂度。
【技术实现步骤摘要】
一种单载波MIMO水声通信方法
[0001]本专利技术涉及一种解码性能好、计算复杂度低的单载波MIMO水声通信方法，特别是一种基于向量近似消息传递和迭代软干扰消除的MIMO水声通信方法，属于水声通信领域。
技术介绍
[0002]水声通信技术是探索和开发海洋的强大工具。然而，水声信道的可用带宽极其有限，使用单个换能器的通信速率有限，难以满足水下作业的需求。近年来，MIMO技术已被证明可以大大提高水声通信的通信速率，已被应用于各种场景。然而，MIMO技术不可避免地增加了系统的复杂性。在MIMO系统中，除了符号间干扰之外，由于多个数据流在同一时间和同一频带共享信道，还会形成同信道干扰，随着发射数据流的不断增加，同信道干扰不断增强，并逐渐成为MIMO系统的主要干扰。
[0003]近年来，为了对抗水声通信的恶劣信道环境，Turbo均衡技术受到了广泛的关注，不同于之前的硬判决器，它通过在软均衡器和软解码器之间传递软信息来大大提高了通信系统的性能。常用的基于LMMSE准则的的Turbo均衡已被证明具有良好的迭代增益，然而，由于线性约束，其通常是次优的，与最优的MMSE均衡器还存在一定的性能差距。为了进一步提高均衡性能并缩短与MMSE均衡器之间的差距而不怎么增加额外的计算复杂度，近年来，出现了一些基于近似贝叶斯理论的均衡设计，其中以近似消息传递类算法为主。(广义)近似消息传递算法已被证明可以通过自迭代提升系统的性能，但是，其鲁棒性有限，只有当观测矩阵满足零均值小方差的高斯矩阵时，才能严格收敛，且这种收敛受制于信道，在严重的频率选择信道下，其性能将会下降。相比之下，近年来提出的向量近似消息传递算法具有更强的鲁棒性和更强的收敛性能，对于一些广义近似消息传递发散的观测矩阵，向量近似消息传递都能很好的收敛。特别的，当观测矩阵满足右旋转不变时，其可以收敛至贝叶斯最优。而且在每次迭代中，向量近似消息传递与LMMSE算法类似。
[0004]基于单载波的Turbo均衡技术可以在时域或者频域实施，频域Turbo技术具有复杂度低的优点，但是在第一次迭代之后，其采用了几个近似来降低复杂度，导致了系统性能下降，而且频域均衡需要大量的循环前缀，这又引入了额外的开销；相反，时域Turbo技术不需要引入循环前缀，可以灵活的划分子块，尤其适用于复杂的时变水声信道。
技术实现思路
[0005]针对上述
技术介绍
，本专利技术要解决的问题是提供一种基于向量近似消息传递和迭代软干扰消除的单载波MIMO水声通信方法，可以实现MIMO水声通信的高精度解码且计算复杂度较低。
[0006]本专利技术提出一种单载波时域MIMO水声通信方法，通过分块处理灵活的应对时变信道，同时降低系统的计算复杂度；通过引入连续干扰消除的迭代信道估计技术，极大的增强了系统的同信道干扰抑制和消除能力；被动时间反转镜技术合并多通道数据为单通道数据，大大降低了系统的复杂度；向量近似消息传递通过执行自迭代，在低复杂度下实现了各
天线信号的高精度检测。其优点总结如下：(1)具有强大的同信道干扰抑制和消除能力；(2)具有较低的计算复杂度；(3)可以以较高的检测精度实现高速率信息传输。
[0007]具体的技术方案为：
[0008]一种单载波MIMO水声通信方法，基于相移键控调制的单载波体制，将每个发射天线的信息调制到载波相位上，信源比特信息通过卷积编码器和交织器分别进行信道编码和交织；
[0009]对应的通信接收机以逐块迭代的方式进行工作，当接收机检测到当前块中所有天线的符号，则处理下一个块，并继续此过程，直到所有数据处理完成；
[0010]接收机将接收信号中的干扰天线信号和块间干扰信号重构并进行消除，利用得到的信号更新目标天线的信道，之后将更新的目标天线的信号和信道输入到被动时间反转镜中，被动时间反转镜将多通道信号合并为单通道信号，降低系统复杂度的同时提高目标天线的信噪比，之后将单通道信号和更新的信道输入到基于向量近似消息传递的软均衡器中，软均衡器输出的符号经过解交织和信道解码后输出比特序列，比特序列经过交织和映射之后又进入下一次迭代，接收机通过多次迭代实现最终解码。
[0011]具体的，包括以下步骤：
[0012]步骤1：基于各个水听器的接收数据建立接收信号的初始化分块模型y
m,i
，m∈[1,M]，M是接收阵元数，初始化目标数据块的索引i＝1，i∈[1,I]，I是分块数，目标天线的索引n＝1，n∈[1,N]，N是发射天线数，迭代次数的索引iter＝1，最大迭代次数ITER；
[0013]步骤2：初始化所有发射天线信道h
m,n,i
，其表示为第n个发射天线和第m个接收水听器之间的信道，i表示第i个数据块，信道估计算法为LS算法；
[0014]步骤3：进行连续干扰消除，其他天线对目标天线n的干扰重构为：
[0015][0016]其中，l∈[1,M]，l≠n，n表示目标发射天线，l表示其余干扰天线，X表示上一次迭代反馈回来的先验符号，将上述重构的干扰从接收信号中减去，得到目标天线对应的多通道数据；
[0017]步骤4：进行块间干扰消除，利用前一个数据块的数据和估计的信道重构块间干扰，重构的块间干扰可以表示为：
[0018][0019]上式表示的是第i
‑
1块数据对第i块数据的干扰，N
b
表示数据块的长度，L表示信道的长度。将重构的块间干扰从步骤3得到的多通道数据中减去得到仅包含目标天线信号和噪声的数据
[0020]步骤5：目标天线的信道更新，利用步骤4中得到的数据和上一次迭代反馈的先验符号更新信道，其表示为：
[0021][0022]其中，表示上一次迭代反馈的第n个天线的第i块数据对应的数据矩阵；
[0023]步骤6：基于被动时间反转镜的多通道数据合并，合并后的数据表示为：
[0024][0025]其中，q
m,nn,i
和q
m,nl,i
分别是天线n和天线l的信道h
m,n,i
和h
m,l,i
与卷积的结果，Z
l,i
是天线l信息序列的残余部分；W
n,i
是每个水听器上的噪声与卷积求和的结果；
[0026]步骤7：基于时域向量近似消息传递的软均衡，利用复杂度低性能好的向量近似消息传递算法消除步骤6中残余的符号间干扰，向量近似消息传递的流程如表1所示。
[0027]表1
[0028][0029][0030]步骤8：n＝n+1，执行步骤2
‑
步骤7，直到目标数据块的所有天线均被检测；
[0031]步骤9：i＝i+1，执行步骤2
‑
步骤8，直到所有天线的所有块均被检测；
[0032]步骤10：将向量近似消息传递输出的结果进行解映射，得到对数似然比信息，似然比信息求解如下所示：
[0033][0034]其中，r
n
和γ表示均衡器本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种单载波MIMO水声通信方法，其特征在于，基于相移键控调制的单载波体制，将每个发射天线的信息调制到载波相位上，信源比特信息通过卷积编码器和交织器分别进行信道编码和交织；对应的通信接收机以逐块迭代的方式进行工作，当接收机检测到当前块中所有天线的符号，则处理下一个块，并继续此过程，直到所有数据处理完成；接收机将接收信号中的干扰天线信号和块间干扰信号重构并进行消除，利用得到的信号更新目标天线的信道，之后将更新的目标天线的信号和信道输入到被动时间反转镜中，被动时间反转镜将多通道信号合并为单通道信号，降低系统复杂度的同时提高目标天线的信噪比，之后将单通道信号和更新的信道输入到基于向量近似消息传递的软均衡器中，软均衡器输出的符号经过解交织和信道解码后输出比特序列，比特序列经过交织和映射之后又进入下一次迭代，接收机通过多次迭代实现最终解码。2.根据权利要求1所述的一种单载波MIMO水声通信方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：基于各个水听器的接收数据建立接收信号的初始化分块模型y
m,i
，m∈[1,M]，M是接收阵元数，初始化目标数据块的索引i＝1，i∈[1,I]，I是分块数，目标天线的索引n＝1，n∈[1,N]，N是发射天线数，迭代次数的索引iter＝1，最大迭代次数ITER；步骤2：初始化所有发射天线信道h
m,n,i
，其表示为第n个发射天线和第m个接收水听器之间的信道，i表示第i个数据块，信道估计算法为LS算法；步骤3：进行连续干扰消除，其他天线对目标天线n的干扰重构为：其中，l∈[1,M]，l≠n，n表示目标发射天线，l表示其余干扰天线，X表示上一次迭代反馈回来的先验符号，将上述重构的干扰从接收信号中减去，得到目标天线对应的多通道数据；步骤4：进行块间干扰消除，利用前一个数据块的数据和估计的信道重构块间干扰，重构的块间干扰表示为：上式表示的是第i
‑
1块数据对第i块数据的干扰，N
b
表示数据块的长度，L表示信道的长度；将重构的块间干扰从步骤3得到的多通道数据中减去得到仅包含目标天线信号和噪声的数据步骤5：目标天线的信道更新，利用步骤4中得到的数据和上一次迭代反馈的先验符号更新信道，其表示为：其中，表示上一次迭代反馈的第n...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩笑，李伟哲，殷敬伟，朱广军，张哲铭，杨舒允，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：
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