叠加编码技术在水声OFDM通信系统中的应用研究

王华奎，孙海信，蒯小燕，吴碧



叠加编码技术在水声OFDM通信系统中的应用研究

王华奎1，孙海信2，蒯小燕2，吴碧1

(1. 水声对抗重点实验室，广东湛江524022；2. 水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室，福建厦门 361005)

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)通信技术由于具有频谱利用率高、抗多径能力强等优点，成为当前水声通信的研究重点和热点。在保证鲁棒性能的前提下，为了能够进一步提高其吞吐量，将叠加编码(Superposition Coding, SC)技术应用于水声OFDM通信系统中，在保证基本信号的同时获得额外的信息。仿真结果和水池实验结果表明：通过选择合适的功率分配因子，叠加编码在保证两路信号误比特率性能的前提下，可以提高系统的吞吐量，具有很好的应用前景。

正交频分复用；叠加编码；吞吐量；水声通信

0 引言

在水声通信过程中，声信号经过具有带宽窄、载波频率低、多径延迟大等特点的水声信道后，会产生严重的畸变，且信号之间存在码间干扰等，使得数据的传输速率受到严重的限制，系统吞吐量性能低。MIMO技术由于可以通过空间分集来抗多径衰落和提高信道容量[1]，成为水声通信领域极具发展潜力的一项技术。但是MIMO技术要求换能器配备多个水听器，组成水听器阵，而换能器受到电池能量方面的限制，使得MIMO技术在水声通信中变得难于实现。研究人员正在寻找新的解决方案。

Cover首次提出了叠加编码(Superposition Coding, SC)技术，给出了叠加编码技术的基本思想，并对其性能作了初步分析[2]。叠加编码由于可以同时发送多路数据来提高系统的吞吐量性能，近年来作为高吞吐率的可行性方案备受关注[3-5]。理论上叠加编码技术可以对(≥ 2)个不同速率的调制信号进行叠加(级叠加编码)，但是在实际应用中，采用两级叠加编码的通信系统吞吐量性能与最优的无穷多级叠加编码的通信系统性能相近[6]。叠加编码用于通信系统中可以提高系统的吞吐量[7]。

目前水声通信中还没有关于叠加编码技术研究的文献。本文将两级叠加编码技术应用于水声通信中，以达到提高系统吞吐量的目的。

1 水声OFDM系统

采用叠加编码技术的水声OFDM通信系统，发送端先将不同的数据比特流分别进行低速率的BPSK调制和较高速率的QPSK调制，然后将这两路信号进行叠加编码，形成调制信息序列，再对其进行IFFT操作将数据分配到不同的子载波上，加上保护间隔，得到OFDM调制符号，最后对发送的符号进行二次调制。接收端的操作是发送端的逆过程。

假设OFDM采用的子载波数为，低速率传输的基本信号为，较高速率的附加信号为。经过叠加编码后的个调制序列为。在OFDM系统中，信道的相关时间要远大于OFDM的符号周期，信道冲激响应被认为是时不变的，可描述为

(2)

2 叠加编码

2.1 叠加编码基本原理

叠加编码技术是指发送端可以同时发送多个不同速率的数据，而在接收端采用一定的方法进行解码。图1为两级叠加编码过程。

(a) 基本信号    (b) 附加信号

(c) 叠加编码后的信号

图1 两级叠加编码的原理图

Fig.1 The theory of superposition coding

叠加编码技术需要关注的一个问题是分配给各级速率数据的功率大小，我们可以用功率分配因子来表示这一参量。假设叠加编码系统的总发射功率为，基本信号和附加信号之间的功率分配因子为(0≤≤1)，其取值根据通信系统的信道情况来选择合适的值，那么得到基本信号的功率为

而附加信号的功率为

(5)

则叠加编码发送信号为

2.2 叠加编码的解码

叠加编码系统在接收端一般采用连续干扰消除技术(Successive Interference Cancellation, SIC)来对信号进行逐级译码接收。其特点是当对其中一个信号进行译码时，把其它信号当做干扰信号处理，当解调出当前信号后，再从接收端减去已经解调出的信号，从而可以解调出其余的信号。对图1所示的叠加信号进行解码，当要对基本信号进行解码时，附加信号当作噪声信号；当基本信号被可靠恢复后，将其从接收信号中减去，再对附加信号进行解码。可以看出，SIC技术存在一个很大的缺陷，只有对其中的一个信号正确解码后，才可以对另外一个信号进行解码；如果在某一个步骤中，当检测到的数据流出错时，从接收符号中减去这个错误的数据流时会增大干扰，从而导致性能的下降，我们称之为误差传播(Error Propagation)。一般情况下，先对低速率的信号进行解码，然后再对高速率的信号解码，这是因为速率与相应的信噪比门限值成正比。

为了进一步提高SIC的处理性能，通常将SIC技术与最小均方误差(Minimum Mean Square Error，MMSE)准则进行级联组合使用，形成MMSE-SIC，它是使真实信号与检测的信号的均方误差最小：

(8)

2.3 叠加编码误比特性能分析

误比特率取决于信号的调制方式和信噪比。如果使用QPSK调制技术，那么产生的误比特率[8]为

(10)

基本信号采用QPSK方式调制，附加信号采用BPSK调制，可以得到基本信号的误比特率为

(12)

总的误比特率为

3 系统仿真

首先是将信噪比固定在20 dB，取不同值时对系统误比特率和吞吐量的性能进行仿真，接收端采用块状导频结构，采用最小二乘(LS)信道估计和迫零均衡(Zero Forcing, ZF)方式。图2是不同功率分配因子下的误比特率(Bit Error Rate, BER)性能图。从图2可以看出：基本信号的误比特率随着的增大而减小。当=0.5时，由于基本信号与附加信号相当，基本无法正确解码。对于附加信号而言，因为此时的信道条件比较好，基本信号能够正确的解码，刚开始，性能随着的增大而减小，但当≈0.4时，由于基本信号的误比特率比较大，此时会产生误差传播现象，致使附加信号的性能也随着基本信号误比特率的降低而降低。而当比较大时，性能又随的增大而减小。

图3是不同功率分配因子对吞吐量的性能影响。从图中可以看出：刚开始，吞吐量随着的增大而增大，当增大到一定程度时，吞吐量随着的增大而减小，之后又随着的增大而增大。当0.2 ≤≤0.4区间时，系统的吞吐量比较高。

图4是功率分配因子固定(取值为0.3)时，针对不同信噪比对系统的误比特率性能进行了MMSE-SIC和ZF-SIC的性能仿真。

从图4可以看出，利用MMSE-SIC的性能比ZF-SIC的性能要好很多，在SNR大于10 dB时，可以获得约5 dB左右的增益，这是因为叠加编码时，在解调基本信号时，由于把附加信号当作了噪声干扰，所以噪声对解调性能的影响特别大，而ZF没有考虑噪声的影响，MMSE则考虑了噪声干扰，所以MMSE相比于ZF可以获得较大的性能增益。

4 水池实验结果

对功率分配因子=0.3的叠加编码OFDM系统进行了水池实验，其中基本信号采用QPSK调制方式，附加信号采用BPSK调制方式，信号带宽为6 kHz，各个节点之间相距15 m，换能器距水面深度均为0.7 m。共进行了6次实验，然后进行数据统计分析。从表1可以得到，基本信号平均误比特率为1.5*10-3，附加信号平均误比特率为6.6*10-3，因此采用叠加编码OFDM系统在水声通信中有着良好的效果。

表1 叠加编码水池实验结果(10-3)

5 结语

本文提出将叠加编码技术应用于水声正交频分复用通信系统中，仿真结果表明，叠加编码技术中通过选择适当的功率分配因子在0.2到0.5区间取值时，可以保证两路信号的误比特率性能基本接近，达到系统的误比特率可以接受的范围。同时，在保证两路信号误比特率性能接近的前提下，可以提高系统的吞吐量。

[1] LI B, HUANG J, ZHOU S, et al. MIMO-OFDM for high-rate underwater acoustic communications[J]. Oceanic Engineering, IEEE Journal of, 2009, 34(4): 634-644.

[2] Csiszár I, Korner J. Broadcast channels with confidential messages[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 1978, 24(3): 339-348.

[3] Karabulut G, Yongacoglu A. Rate design rule for superposition coded modulations[C]// Electrical and Computer Engineering, 2004. Canadian Conference on. IEEE, 2004, 1: 365-368.

[4] Etemadi F, Jafarkhani H. Rate and power allocation for layered transmission with superposition coding[J]. Signal Processing Letters, IEEE, 2007, 14(11): 773-776.

[5] DU Q, ZHANG X. Adaptive power and rate allocation for mobile multicast throughput optimization over fading channels in wireless networks[C]// Computer Communications and Networks, 2006. ICCCN 2006. Proceedings. 15th International Conference on. IEEE, 2006: 261-266.

[6] LIU Y, Lau K N, Takeshita O Y, et al. Optimal rate allocation for superposition coding in quasi-static fading channels[C]// Information Theory, 2002. Proceedings. 2002 IEEE International Symposium on. IEEE, 2002: 111.

[7] Yuksel M, Erkip E. Broadcast strategies for the fading relay channel[C]// Military Communications Conference, 2004. MILCOM 2004. 2004 IEEE. IEEE, 2004, 2: 1060-1065.

[8] 吴伟陵, 牛凯. 移动通信原理[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005.

Applied research on superposition coding technology in underwater acoustic OFDM communication system

WANG Hua-kui1, SUN Hai-xin2, KUAI Xiao-yan2, WU Bi1

(1. Science and Technology On Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory, Zhanjiang524022, Guangdong, China;2. College of Information Science and Technology, Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology, Ministry of Education, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian, China)

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technology has become the research focus and hotspot in underwater acoustic communications owing to its advantages such as high spectrum efficiency and robustness to multipath fading. To improve the throughput of the system under the premise of guaranteeing the robust performances, superposition coding technique has been used in the underwater acoustic OFDM system which can transmit multiple data simultaneously. Simulation and experimental results show that the superposition coding technique can improve the throughput of the system under ensuring the BER performance of two signals, which have a very good application prospect.

Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM); Superposition Coding(SC);throughput; underwater acoustic communication

TB533

A

1000-3630(2015)-06-0501-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.06.006

2015-03-15;

2015-06-10

自然科学基金(2013J01258)、重点项目(2012H1012)资助。

王华奎(1977－), 男, 浙江丽水人, 博士, 研究方向为水声信号处理。

孙海信, E-mail: wangwubi@163.com