水声迭代接收机中的超Nyquist技术和速率兼容编码技术

张友文 ,孙大军 ,刘璐

(1.哈尔滨工程大学 水声技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工程大学 水声工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)



水声迭代接收机中的超Nyquist技术和速率兼容编码技术

张友文1,2,孙大军1,2,刘璐1,2

(1.哈尔滨工程大学 水声技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工程大学 水声工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

摘要：为良好水声信道条件设计的通信方案在恶劣信道条件下无法工作，而为恶劣水声信道条件设计的通信方案在良好信道条件下虽然可以有效工作，但是系统频谱利用率极低；为提高系统的频带利用率，通常的手段是提高调制星座的阶数，然而大量实践研究工作表明高阶的调制星座很难在水声信道有效工作。针对以上问题，本文提出一种联合超Nyquist信号发射技术和速率兼容打孔编码技术的自适应迭代接收技术；在低阶星座条件下通过超Nyquist信号发射技术可提高系统的频带利用率，采用速率兼容打孔卷积码编码技术可适应信道变化提高系统的稳健性。仿真研究表明本文提出的方案的频谱利用率在较高信噪比的加性高斯白噪声信道条件下可以超过QPSK调制的信道容量。湖上高速(最高6 kn)走航试验表明：在浅水时变的多途信道条件下，本文提出的超Nyquist发射方案可是实现无误码率数据传输，其频谱利用率为1.8 bit/(s·Hz)。

关键词：迭代接收机；水声通信;多途扩展；多普勒扩展；超Nyquist技术；速率兼容打孔编码技术；迭代均衡

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160308.1257.008.html

水声通信技术在军事和民用水下信息传输领域扮演着愈来愈重要的角色，虽然水声通信技术的研究已经开展了三四十年，但在高度弥散、动态以及大延时的海洋环境中建立可靠的、逼近信道容量的水声通信链路仍面临着巨大的挑战[1-11]。

20世纪40年代的香农(Shannon)存在性定理指出在加性高斯白噪声(additivewhiteGaussiannoise，AWGN)无记忆信道条件下存在逼近信道容量通信的编码方案，Turbo和LDPC编码等现代编码技术的出现使得AWGN条件下的逼近信道容量的通信成为现实[3-5]；然而在水声信道条件下实现可靠的水下无线信息的传输仍然困难重重。

首先，在通信声呐工作环境方面：1)严重的信道多途扩展带来严重的符号间干扰(inter-symbolinterference，ISI)，进而导致严重的频率选择性衰落，相比于陆地无线通信而言，水声信道多途扩展长，这给相干高速通信的信道均衡技术的计算复杂度以及收敛性能带来极大挑战；2)较低的水中声速导致多普勒效应严重，具有极强的时变、空变特性的水声信道使得相干和非相干解调愈加困难；3)声速的不均匀性导致声影区的存在，进而极大地限制了可通信的区域。

其次，在水声通信信号处理技术方面：1)目前的水声通信技术的研究过于关注物理层，采用固定的编码率很难实现逼近信道容量的通信，这主要是因为：为高信噪比信道设计的逼近信道容量的信道编码方案在低信噪比时将译码失败，而为低信噪比信道设计的逼近信道容量的编码方案在高信噪比信道下工作时效率将急剧降低；2)在实际应用中，一方面，当发射机与接收机之间不存在反馈链路时，为了保证较低的丢包率发射机端往往较为保守地采用极低的通信速率的，从而导致了极低的频谱利用率，另一方面，当发射机与接收机之间存在低速反馈链路时，发射机虽然可以采用更高的通信速率，但是由于信道的时变性，如果接收机端不能正确接收该数据包则丢弃该包并反馈给发射机端一个重传的请求，这种借用陆地无线通信的ARQ(automaticrepeatrequest)机制在远程大延时的水声信道环境下效率极低，无法适应信道的变化进而达到信道容量[6]；所有这些因素均使得水声通信技术特别是可靠的、逼近信道容量的水声通信技术远未成熟。

近年来在无线通信及网络方面涌现出许多新的技术：首先，速率兼容编码技术，在时变衰落信道上，经常使用的差错控制策略是根据不同的信道条件采用不同的编码速率，实现这种策略的有效方式是使用速率兼容的编码，也就是使用一系列不同速率的码，此系列中所有码能够采用相同的一对编码器/译码器进行编译码；在构造速率兼容的编码时，删余是最常用的一种方法，即首先设计一个低速率码，然后在传输时通过删除某些特定比特位来获得更高的编码速率[7]。其次，超Nyquist调制技术，1974年J.E.Mazo提出在低阶调制星座的条件下以超过Nyquist速率(faster-than-Nyquist，FTN)发射信号，超Nyquist调制技术可以在低阶调制条件下极大地提高系统的吞吐量，其最大的缺点是引入了较大的ISI，因此在当时的应用需求以及信号处理条件下并未得到应用，然而近年来在卫星、广播领域的研究表明该调制方式相比于常规的高阶调制方式具有较大的优势[8]；其三，低复杂度迭代均衡与译码技术，研究表明迭代信道估计、均衡及译码技术可以在极为困难的信道条件下逼近最优的MAP均衡技术[9-11]。

为提高系统的频带利用率以及系统时变环境的适应能力，本文提出一种联合超Nyquist技术、速率兼容打孔编码技术以及迭代均衡与译码技术实现时变信道条件下的逼近信道容量的水声单载波通信方案及其实现技术。

1系统模型

1.1发射机结构

提出的单载波发射机结构如图1所示，首先，对二进制信息比特流b进行信道编码，根据不同的信道编码率通过打孔产生不同长度的编码比特流，其次，对编码比特序列进行交织，然后对交织后的编码比特c进行符号映射生成不同频带利用率的符号流si，随后，根据指定的符号发射速率进行超Nyquist脉冲成型滤波，最后，进行载波调制。

图1　发射机与接收机系统框图Fig.1　Block diagram of the transceiver

令基带PSK调制的信号为

(1)

经调制后的基带信号经过信道即可得接收信号：

(2)

式中：⊗表示卷积运算。在窄带信号调制中，多普勒效应往往表现为频率的偏移，而实际的水声通信信号通常表现为宽带或超宽带信号的特点，因此多普勒效应不仅会引起接收信号的频率扩展，同时还会引起信号波形的压缩或扩张，因此经历宽带多普勒效应的接收的信号为

(3)

1.2迭代接收机结构

图2　迭代接收机结构Fig.2　Block diagram of the iterative receiver

首先，针对开环多普勒补偿算法在快变多普勒条件下面临的困难，我们基于Sharif的闭环多普勒估计与补偿接收机结构以及超Nyquist信号发射技术(如图2所示)提出了一种基于迭代接收机软反馈信息的闭环补偿方案，进而实现更加精确可靠的多普勒估计补偿[12-14]。

为了保证一定的信号无失真比，插值器的输入端信号尽量采用较高的采样率，同时鉴于分数间隔均衡器对定时误差的不敏感性，线性插值之后的信号采样率即前馈均衡器输入信号一般采用分数阶；令自适应判决反馈均衡器第n时刻接收机的符号输出为

(4)

采用RLS(recursive least square,RLS)算法来更新均衡器抽头系数，即

(5)

式中:λ为遗忘因子，一般取0.9<λ<1，Ψ-1更新公式为

(6)

(7)

多普勒效应导致信号的压缩或扩张进而导致信号频率分量的变化，频率分量的时变性导致接收符号相位的时变性，因此通过判决出相位误差的变化即指示多普勒的变化；多普勒估计器的输入为符号的相位误差，多普勒估计插值因子为

(8)

式中:Kp为跟踪步长，最大似然相位估计为

(9)

其次，宽带多普勒补偿后的接收符号可表示为

(10)

式中：xn和wn表示接收符号和噪声向量，hn,k表示信道增益系数，Mf+Mp+1为信道最大多途扩展长度，Mf为信道的非因果部分长度，Mp为信道的因果部分长度，在自适应滤波时，当考虑到滤波器的窗长度为Ff+Fp+1时，那么n时刻的接收向量可表示为[11]

yn=Hnsn+nn

(11)

其中,

信道卷积矩阵为

(12)

那么，自适应发射符号进行估计为

(13)

将yn代入式(13)即有

(14)

其中

(15)

(16)

(17)

式中:Ω为QPSK星座集上的星座点的集合，Q为发射符号星座Ω大小。

2仿真与试验数据分析

2.1AWGN信道条件下的系统频带利用率

图3　仿真实验与湖试试验数据帧结构Fig.3　Frame structure of the transmitted data

图4　AWGN信道条件下不同调制方式的信道容量Fig.4　Capacity for different modulations in AWGN

实际仿真中的频带利用率计算公式如下:

(18)

式中:B为系统有效带宽，Q为采用的调制星座大小。

表1给出本文提出方案的可达频谱利用率与AWGN信道条件下的QPSK调制理论可达限，由表可知，在较低信噪比区(0～4 dB)，本文方案接近QPSK调制理论限，随着信噪比的增加(大于4 dB时)，本文提出的方案超出了QPSK调制的理论限。

表1　本文方案的频谱利用率对比分析

2.2湖试数据分析

2013年11月在吉林省松花湖进行了单载波高速走航试验，试验信号带宽为2.3～4.3kHz，载波频率为3.3kHz，调制方式为BPSK、QPSK、8PSK和16QAM，采用2/3码率LDPC编码，本文仅对符号率为3k的超Nyquist发射数据进行分析，接收48元垂直阵锚系在湖底，发射船舷侧固定发射声源，声源入水深度为1m，本文对接收阵的第20个基元的接收信号进行处理，深度为41m(此处多途严重)，试验地点测得的声速剖面如图5所示，发射船相对于接收基元的航行轨迹如图6所示。

图5　声速剖面Fig.5　The sound profile

图6　试验走航轨迹Fig.6　The trajectory of experimental ship

取最高航速6kn时的第10帧数据进行分析的结果如图7所示，由图可知本文提出的接收机方案可有效地实时逐符号地跟踪多普勒的变化，迭代2次后可实现无误码传输，而常规的方案(开环+PLL+常规DFE)的误码率为18.7%。

用本文提出的接收机结构对6min的整个走航数据中的12个超Nyquist数据帧进行了处理，本文算法跟踪出的相对径向速度与GPS投影所得的速度基本吻合(如图8所示)，本文提出的算法可实现12帧数据的无误码传输，频带利用率为1.8bit/(s·Hz)。

图7　接收机性能比较Fig.7　The performance of receiver

图8　走航试验过程中提出的接收机的速度跟踪能力Fig.8　The tracking performance of velocity of the proposed receiver in the experiment

3结论

为适应水声信道的时变性以及提高通信频谱利用率，本文提出了一种结合超Nyquist信号发射技术和速率兼容打孔编码技术的自适迭代接收机技术。

1)研究表明速率兼容打孔编码技术可以有效地提高系统适应信道的能力，使系统工作在于信道条件相适应的最优速率下，同时借助超Nyquist信号发射技术可以进一步提高系统的频谱利用率，但其代价是引入了额外的ISI，AWGN信道条件下的仿真研究表明由此引入的ISI可由本文提出的迭代接收机予以有效消除。

2)湖试高速走航试验表明在高度动态的信道条件下本文提出系统可以以1.8bit/(s·Hz)的频带利用率稳健工作。

后续将加强速率兼容打孔编码技术以及迭代接收机技术的研究以便进一步提高系统稳健性以及频谱利用率。

参考文献：

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收稿日期：2015-03-01.

基金项目：国家自然科学基金项目(50909029,61471138)； 国际科技合作专项项目(2013DFR20050)；水声技术重点实验室基金项目(201420040)；国防科学技术工业委员会基础研究基金项目(B2420132004).

作者简介：张友文(1974-), 男, 副教授,副博士生导师； 通信作者：张友文, E-mail: zhangyouwen@hrbeu.edu.cn.

doi:10.11990/jheu.201503001

中图分类号：TN911.5；TB567

文献标志码：A

文章编号：1006-7043(2016)04-0538-06

Iterativereceiverbasedonsuper-Nyquistandrate-compatiblepuncturedcodingtechniquesforunderwateracousticcommunication

ZHANGYouwen1,2，SUNDajun1,2，LIULu1,2

(1.AcousticScienceandTechnologyLaboratory,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China; 2.CollegeofUnderwaterAcousticEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Abstract：The underwater acoustic communication systems designed for good channel conditions do not work well in harsh channel conditions, and although those designed for harsh channel conditions can work effectively in good channel conditions, the spectral utilization efficiency of these communication systems is very low； while increasing the order of the modulation constellation is an effective way to improve the bandwidth efficiency of these systems, empirical studies show that a high-order modulation constellation works with difficulty in underwater acoustic channels. This paper proposes an adaptive iterative receiver, based on the super-Nyquist and rate-compatible punctured coding techniques. The super-Nyquist technique can improve the bandwidth efficiency of the system with a low-order modulation constellation, and the rate-compatible punctured coding technique can adaptively adjust to changes in the channel. Simulation results show that the spectral efficiency of the proposed receiver can exceed the channel capacity of QPSK modulation in the additive white Gaussian noise channel with a high SNR. Experimental results from a high-speed (up to 6 knots) sailing trial show that the proposed receiver can achieve data transmission with an error-free bit rate and a spectral efficiency of 1.8 bit/(s·Hz) in shallow water channels with rich multipath spread and time-variance characteristics.

Keywords：iterative receiver; underwater acoustic communication; multipath spread; Doppler spread; super-Nyquist; rate-compatible punctured coding technique; iterative equalization

网络出版日期：2016-03-08.

孙大军(1972-), 男, 副教授,博士生导师.