混合采用被动时反及RAKE接收的扩频水声通信方案

周跃海,曾 堃,童 峰*

(厦门大学海洋与地球学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建 厦门361102)

由于多径信道条件下一般满足Nw＜T c,因此与式(6)相比,采用RAKE接收机时系统判决变量中噪声干扰项小于经典直接序列扩频方案的噪声干扰项.

混合采用被动时反及RAKE接收的扩频水声通信方案

周跃海,曾 堃,童 峰*

(厦门大学海洋与地球学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建 厦门361102)

在多径水声信道条件下,时间反转和RAKE接收机技术是直接序列扩频通信系统利用多径能量提高通信性能的2种常用方法,但在实际环境中信道多径结构、信噪比等因素影响着时间反转技术和RAKE接收机技术的性能.针对这个问题,分析了时间反转技术和RAKE接收机抑制多径干扰的不同机制,并提出一种通过混合使用被动时反与RAKE接收来结合两者优点的扩频水声通信新方案.该方案在不同信道结构及信噪比条件下可优化选择合适的多径抑制手段从而提高系统稳健性.湖试实验表明:在高信噪比下,时间反转可利用高质量的探针信息对多径进行聚焦,在低信噪比下则通过RAKE接收机重组多径能量,从而更好地抑制多径,克服码间干扰,提高通信系统的稳健性.

水声通信;直接序列扩频;时间反转;RAKE接收机

水声通信广泛用于水下信息传递、水下目标探测、水下资源勘探、水下作业等海洋开发领域并日益引起相关海洋技术研究机构的关注.水声信道很复杂[1],具有严重的时-空-频变特性、多径效应,强衰落及强噪声,且可用带宽极窄,严重影响水声通信性能.

直接序列扩频技术是一种基于香农信息论发展起来的信息传输技术,它通过伪随机码扩展信号频谱,具有优良的抗多径和抗干扰能力.但在水声信道这类多径特别严重、可用带宽极窄的使用环境下,由于直接序列扩频技术本身的抗多径能力有限,往往需要在直接序列扩频基础上应用其他抗多径方法来进一步克服多径带来的影响,如信道均衡技术、多输入多输出(MIMO)技术、时间反转技术、RAKE接收机技术等.其中时间反转技术和RAKE接收机因其运算复杂度较低、稳健性较好、系统实现方便而在水声通信系统设计中得到广泛研究.

近年来,为了抑制多径、克服码间干扰,人们把时间反转技术和RAKE接收机应用于水声通信中并取得了一定的效果.Song等[2]把被动时间反转应用在浅海信道,在-6.5 d B的信噪比下实现了20 km的传输;Vilaipornsawai等[3]在Pianosa Island应用时间反转和判决反馈均衡实现了2 400 bit/s的水下通信,克服了信道变化给通信带来的困难;Song等[4]把时间反转技术和信道均衡技术相结合,利用时间反转技术聚焦多径,利用信道均衡技术弥补时间反转空间增益的不足,湖试表明了该方案在抑制多径的有效性;周跃海等[5]利用多通道时间反转联合卷积编码设计了低信噪比下可克服多径干扰的水下通信方法;Song等[6]利用MIMO时间反转接收机进行高速率通信;王伶等[7]提出一种盲自适应RAKE接收机,研究结果表明该接收机具有较强的抑制多址干扰和克服“远-近”效应的能力;Tsimenidis等[8]利用扩频技术和自适应RAKE接收机技术设计了一套工作于浅海信道中的通信系统,实验结果表明该方案不但可以减少接收单元的个数而且能够有效地抑制多径.关于直接序列扩频技术、被动时间反转技术和RAKE接收机技术在水声通信中的应用已见于许多文献,但是对于这几种抗多径手段在不同信道、不同信噪比的比较分析和组合利用还不多见.

本文从实际水声通信系统的设计出发,在直接序列扩频系统基础上提出一种通过混合使用时间反转和RAKE接收机来结合两者优点的扩频水声通信新方案,湖试实验数据验证了本文方案的有效性.

1 原理介绍

1.1 DS-DPSK直接序列扩频基本原理

DS-DPSK直接序列扩频基本原理在DS-DBPSK系统中[9],设码元宽度为Tc,比特信息经过差分后某时刻第m个码元设为a1(m),经过扩频码pn(t)扩频调制和载波调制后为:

下个码元时刻差分后的基带信号为a2(m-1)经过扩频调制和载波调制后为

经过信道传输后,在接收端进行相关解扩处理可得:

式(3)中,M表示扩频码的码长.假定信道在一个码元时间内保持不变:hm(t)=hm-1(t)=h(t),则对前后码元的解扩输出corpre,cornow进行解差分可得:

其中nm-1(t),nm(t)为前后码元内的噪声.将式(4)在码元宽度内进行积分可得判决变量,对该变量进行符号判决可恢复原始信息码元:

可得判决变量:

1.2 被动时间反转

对被动时间反转处理,水声信道接收的信息信号sr(t)可表示为:

式中ns(t)为叠加在信息信号上的干扰噪声.设p(t)为发射的探针信号,则接收到的探针信号pr(t)表示为:

其中np(t)为接收到探针信号中混有的噪声.将接收到的探针信号进行时间反转得到

式中np(t)、ns(t)项分别为探针、信号中的噪声干扰.定义add(t)表示时反处理导致的组合噪声:

则有:

从式(12)可看出,时间反转处理可实现多径的能量聚焦,即将分布在整个码元宽度范围内的多径能量集中聚焦到每个码元宽度的起始时刻,从而可抑制噪声干扰的影响.即:

其中n″(t)为组合噪声add(t)在判决变量中产生的干扰项.与式(6)相比发现,由于时间反转判决变量式(13)中背景噪声的贡献项是来自探针、信息中噪声及两者中噪声的共同作用,因此,背景噪声的增强对时间反转系统的性能影响将比对经典直接序列扩频系统要复杂.当信噪比逐渐降低时,判决变量中来自探针、信息信号及两者共同作用产生的噪声项n″(t)将迅速增强,导致检测性能下降.

1.3 DS-DBPSK解调采用的RAKE接收机

RAKE接收机[11-12]利用伪随机码很好相关性进行分离和合并,由于伪随机码在低信噪比下仍可获得较好的相关性能,RAKE已在无线通信领域得到了广泛的应用.对于采用先解扩、后解差分的DS-DBPSK系统,多径信道的各径能量在经过解扩、解差分处理后已经在各径时延处聚焦,因此,本文DS-DBPSK调制解调方法中RAKE接收机的实现与经典RAKE接收机有所不同.

图1所示为DS-DBPSK系统中RAKE接收机的原理框图,在获得出信道各多径分量的时延τi后,DSDBPSK系统RAKE接收机可直接在每个时延τi处对信号解扩、解差分输出进行时间宽度为w的多径能量积分,然后等增益合并各多径积分器输出以利用多径能量.假设n′(t)噪声项具有时间平稳特性,则在多径能量可检出的前提下,采用RAKE接收机后系统的判决分量式(5)可近似写成

由于多径信道条件下一般满足Nw＜Tc,因此与式(6)相比,采用RAKE接收机时系统判决变量中噪声干扰项小于经典直接序列扩频方案的噪声干扰项.

2 混合采用时间反转与RAKE接收机的多径抑制方法

根据上述分析,RAKE接收机的性能优于经典的直接序列扩频,而时间反转技术和RAKE接收机在不同的信噪比下其性能不同.即,不同信噪比条件下,采用不同抗多径方案进行DS-DBPSK解调时判决变量中噪声项的影响程度不同.

对于经典DS-DBPSK解调以及RAKE接收解调方案,判决积分项在通过积分利用多径能量的同时,如式(6)所示,经典DS-DBPSK方案中整个码元宽度Tc范围内的噪声项均被包含在判决变量中;而如式(14)所示,RAKE接收DS-DBPSK方案中则仅N个多径宽度w范围内的噪声影响被包含在判决变量中.因此,在这2种情况下,信噪比变化对检测性能的影响呈类似的模式,且RAKE接收方案由于噪声影响小其性能将优于经典方案.

对于时间反转DS-DBPSK方案,一方面由于多径聚焦效应可将多径能量集中在判决时刻从而在较高信噪比下可更好地抑制噪声影响,另一方面判决变量中的噪声项n″(t)由来自探针中噪声、信息帧中噪声和两者的共同影响3部分组成,考虑到噪声的累加效应,信噪比下降时噪声项的影响将呈现剧烈的增加趋势.

因此,传统的单一采用时间反转或RAKE接收机处理并不能保证系统在较大的信噪比范围内取得较好的抗多径效果.

基于上述分析,本文提出一种结合时间反转和RAKE接收机的扩频水声通信新方法,该方法在DSDBPSK解调时采用的判决变量为:

其中的SNRth是被动时间反转和RAKE接收机方法判决变量中噪声干扰项强弱关系的临界信噪比.通过设定的SNRth来切换使用被动时间反转和RAKE接收进行多径干扰抑制,该方法不但可利用直接序列扩频的处理增益提高检测性能,而且可混合利用RAKE接收机的多径重组能力及时反多径聚焦特性来提高对不同信道多径结构、不同信噪比的适应性.

图1 DS-DPBSK解调中RAKE接收机原理框图Fig.1 The diagram of RAKE receiver in DS-DBPSK system

在实际应用中,考虑到不同的信道多径结构下2种方案切换的信噪比标准SNRth的确定比较困难,本文在信号帧中设置一段测试序列,分别采用时间反转及RAKE接收机方法对测试序列进行解调,通过2种方法对测试序列解调的误比特率比较来确定后续的信息序列解调采用的多径抑制方法,即:如果RAKE接收机的误码率比较低则用RAKE接收机技术解调信息序列,反之用时间反转技术解调信息序列.

3 实 验

3.1 实验设置

实验系统采用了DS-DBPSK调制解调方式,采样率为96 k Hz,载波频率为15 k Hz,采用m序列扩频, m序列的长度为63位,切普速率为4 000 chip/s,探针信号为通过m序列扩频得到长度为23.8 ms的探针序列.通信信号的帧结构如图2所示:首先是同步序列,用于同步探针信号和信息序列,紧接着是保护间隔,然后是探针信号,探针信号以后又是一段保护间隔,保护间隔后为测试序列,由64 bit组成的测试序列用于比较时间反转与RAKE接收2种方案的性能并确定多径抑制方案,信号帧最后为308 bit的信息序列.

图2 信号帧设计Fig.2 The design of signal frame

3.2 实验结果与讨论

本实验于厦门大学思源湖进行,实验水域平均水深约为8 m,泥质底.2个接收换能器垂直布放于不同的深度以获得不同的信道响应,第1个换能器RS1距离水面2 m,第2个换能器RS2距离水面3.5 m,发射换能器TS距离水面2 m,与接收换能器的水平距离为215 m,假设RS1所在的信道为通道1,RS2所在的信道为通道2.

图3(a)为实验水域的声速梯度曲线.从图中可以看出,从湖面至水深7 m左右,声速变化很小,呈微弱负梯度;在水深7～10 m接近湖底处出现较明显的负梯度.由于2个换能器位于不同的深度,因此所对应的传输信道也不同.

图3(b)～(e)为通道1、通道2时间反转前后的信道冲激响应归一化图,其中图3(b)为通道1的信道冲激响应归一化图,图3(c)为通道2的冲激响应归一化图.从图3(b)、(c)中可以看出,由于信道中存在的声速梯度,2个信道都存在明显的多径但分布模式不同:通道1的各多径分量混叠在一起无法分离,而通道2存在2个较明显可分离的多径.图3(d)为通道1时间反转后的信道冲激响应图,图3(e)为通道2时间反转后的冲激响应图,从图3(d)、(e)中可以看出,经过时间反转后的信道多径得到了聚焦,克服了多径的影响,时间反转后的信道接近于理想信道.从图3(d)、(e)中还可以看出,通道2经过时间反转后比通道1经过反转后的信道冲激响应能量更集中,更接近理想信道δ(t).

图3 湖试信道特性Fig.3 The characteristics of lake channel

为了测试经典直接序列扩频技术、时间反转技术、RAKE接收机及本文提出的两者混合方法在不同信道、不同信噪比下的抗多径性能,本实验在如图4所示2种信道条件下进行不同信噪比条件下的数据解调测试.图4为经典直接序列扩频系统、时间反转、RAKE接收机及本文混合方法在不同信道、不同信噪比下的误码率(BER)曲线图.

图4 不同信道的信噪比-BER曲线Fig.4 The SNR-BER figure under different channels

从图4(a)、(b)中可以看出,在单独采用一种技术方案的条件下,在较高SNR下(SNR＞-4 dB),采用时间反转处理的BER比经典的直接序列扩频技术及RAKE接收机的BER低,其原因在于:探针信号SNR较高,携带信道信息畸变小,经过时间反转以后可较有效地聚焦多径,从式(13)中也可以看出,在较高的SNR下,噪声干扰项n″(t)很小;随着SNR逐渐降低, n″(t)的影响损失加大,时间反转技术的BER显著提高,先是劣于RAKE接收机,SNR进一步降低后性能甚至劣于经典直接序列扩频方法.

此趋势表明,在低SNR下,时间反转采用的探针信号携带的信道信息严重畸变,噪声叠加效果导致利用探针信号进行时间反转不但无法发挥理想的聚焦作用,反而导致了更加严重的噪声干扰,从式(11)中可以看出,在ns(t)和np(t)及其组合的多重作用下使得噪声干扰项n″(t)很严重,造成时间反转处理的性能急剧下降.因此,考虑到时间反转处理过程中噪声干扰项来自探针、信息信号中的噪声及2种噪声的组合作用,在利用信道多径聚焦提高检测性能方面,时间反转处理对信噪比变化的敏感程度要高于RAKE接收机.

从图4(a)、(b)还可发现,SNR下降到一定程度后,RAKE接收机的性能优于时间反转处理及经典直接序列扩频方案,说明采用RAKE接收机进行多径能量利用时其性能受噪声的影响较小;相对应的是,在SNR较高条件下时间反转处理的信道多径聚焦性能较好.同时,图4(a)、(b)均显示,在DS-DBPSK体制下RAKE接收机的性能优于经典直接序列扩频方法,与上文理论分析结论吻合.

因此,比较图4(a)、(b)可看出,本文提出的混合采用时间反转和RAKE接技术方案可有效利用2种方法的各自优点:在高SNR下,时间反转可利用高质量的探针信息对多径进行聚焦,在低SNR下则通过RAKE接收机重组多径能量,从而更好地抑制多径,克服码间干扰.同时,该方案可解决在低SNR下探针质量下降造成的时间反转处理性能急剧下降的问题.

另一方面,考虑信道不同类型多径的影响,从图4 (a)、(b)中可以看出,在较高SNR范围内,多径可明显分离的信道2采用RAKE接收机比信道1可获得比经典直扩接收机更多的性能改善,其原因在于后者的信道多径混叠不可分离,无法充分利用RAKE进行各多径能量的合并.同时,由于信道2具有比信道1更为接近δ(t)的时间反转信道响应,在较高SNR范围内,相对于RAKE及经典直接序列扩频接收机,信道2中采用时间反转接收机可获得明显优于信道1的性能提升.因此,不同的信道多径分布模式对于RAKE接收机、时间反转处理的多径聚焦性能也将造成影响.从图4中可以看出,采用本文提出的混合方案,其性能比RAKE接收机和时间反转方案单独使用更好,能够提高通信系统的鲁棒性.

同时,考虑到RAKE接收机的性能与信道估计结果有关,在SNR较低条件下信道估计准确性下降将影响RAKE接收性能.虽然本文方案中RAKE接收机的信道估计和时间反转用的探针信号采用自相关性好的伪随机码可改善在低SNR下的性能,但对于极低SNR的情况,仍然要考虑这一因素的影响.

4 结 论

本文分析了RAKE接收机技术、单通道被动时间反转技术的多径抑制机制,在不同信道结构、不同SNR条件下通过实验分析比较了3种技术的抗多径性能,并在此基础上提出了一种混合采用时间反转和RAKE接收机的扩频水声通信新方案.湖试实验表明:在高SNR下,时间反转可利用高质量的探针信息对多径进行聚焦,在低SNR下则通过RAKE接收机重组多径能量,从而更好地抑制多径,克服码间干扰,提高通信系统的稳健性.湖试实验结果验证了本文方案在提高多径抑制性能及信道适应性上的有效性.需要指出,本文方案实验结论是根据本批次实验数据的处理结果获得,后续还将进一步进行更多不同信道条件下的实验分析以更加全面对本文方案进行评估.

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Underwater Acoustic Spread Communication Scheme by Hybridly Adopting Passive Time Reversal and RAKE Receiving

ZHOU Xue-hai,ZENG Kun,TONG Feng*
(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Ministry of Education, College of Ocean&Earth Sciences,Xiamen University,Xiamen 361102,China)

Direct sequence spread spectrum(DSSS)offers an effective way for underwater acoustic(UWA)communication due to its spread spectrum processing gain and its capability to discriminate multipath components.For DSSS underwater acoustic communication systems,the time reversal strategy as well as the RAKE receiver technique is recognized as potential candidates for mitigating the multipath interference.However,performances of time reversal and RAKE receiver is subject to factors such as multipath patterns and SNRs(signal noise ratios).In this paper,based on the theoretical analysis of different multipath mitigation mechanisms of time reversal and RAKE receiver,a novel hybrid multipath mitigation scheme is proposed,switching between the time reversal and the RAKE mode according to the SNR.Finally,experimental results show that time reversal focuses the multipath by using high quality probe under high SNR,and under low SNR,RAKE receiver restructures the multipath.In these ways,the proposed scheme suppresses the multipath better and eliminates the code interference.Experimental results are provided to validate the effectiveness of the proposed method.

underwater acoustic communication;direct sequence spread spectrum;time reversal;RAKE receiver

10.6043/j.issn.0438-0479.2015.02.020

TN 929.3

A

0438-0479(2015)02-0270-06

2014-03-18 录用日期:2014-11-06

国家自然科学基金(11274259);教育部高等学校博士点专项科研基金(20120121110030)

*通信作者:ftong@xmu.edu.cn

周跃海,曾堑,童峰.混合采用被动时反及RAKE接收的扩频水声通信方案[J].厦门大学学报:自然科学版,2015,54 (2):270-275.

:Zhou Xuehai,Zeng Kun,Tong Feng.Underwater acoustic spread communication scheme by hybridly adopting passive time reversal and RAKE receiving[J].Journal of Xiamen University:Natural Science,2015,54(2):270-275.(in Chinese)