基于混沌正交组合序列的M元码分多址水声通信

吕曜辉，杜鹏宇，张宏滔，朱小辉



基于混沌正交组合序列的M元码分多址水声通信

吕曜辉1,2，杜鹏宇3，张宏滔3，朱小辉3

(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. 中国科学院声学研究所，北京 100190； 3. 杭州应用声学研究所声纳技术重点实验室，浙江杭州 310023)

提出了M元能量检测器算法，该算法简单易实现，极大优化了M元码分多址系统接收机结构和解码运算量。同时，M元能量检测器具有抗载波相位跳变和抗水声信道多途干扰的能力。针对M元码分多址水声通信系统中所需扩频序列数量庞大、选码难度高的问题，提出了混沌正交组合序列，通过简单的迭代组合即可产生大量满足要求的扩频序列，而且同族的混沌正交组合序列间满足正交关系。海试试验成功实现了7个用户的M元码分多址水声通信试验 (=512)，共采用了3 584条混沌正交组合序列，每个用户通信速率为70 bit.s-1，验证了算法的有效性，为网络化水声通信的应用提供了技术基础。

水声通信；M元编码；码分多址；混沌正交组合序列；能量检测器

0 引言

随着水声通信技术的发展和网络通信需求的增加，多用户水下声通信逐渐成为一个广泛关注的研究对象[1-2]，这种对水下通信网的广泛兴趣已经开始，水下通信网和无人水下潜器及水下无线传感网络融合并开启了一系列对深海探测的序曲。西方发达国家对水声通信领域的研究、开发非常重视，目前国外一些机构包括美国海军水下作战中心、美国海军研究局、麻省理工学院、Woods Hole海洋研究所、Scripps实验室、英国海洋研究所及多所高校，已组建多个水声通信网并进行了多次试验，部分网络已应用于实际，不断推进覆盖地面、空中、水下的立体信息通信网的形成。例如美海军自1998年起多次进行海洋万维网(Seaweb)[3]水声通信网络试验，是目前规模最大的在研实用水声网络，旨在推进未来海军性能最好的水下信息作战系统DADS，它既可用于全球信息化海战，也可用于信息化海洋研究与开发；美国于2008年演示的“近海水下持续监视网”PLUSNet是当今世界上最先进的水下网络之一，由多个携带半自主传感器的潜航器组成。

为了防止相互干扰，需要选择多址接入的方式来使多个用户进行通信，目前无线电通信中常用的技术为频分、码分、时分等多址技术。由于水声信道的带宽有限且声速在水中传播速度较慢，频分多址和时分多址技术在水声多用户通信中应用较为困难。码分多址技术中使用的不同用户地址码相互正交，对信道及噪声抗干扰的能力很强，所以相比其他复用技术而言，码分多址技术已经成为一些水声通信多用户系统研究的焦点[4-5]。

M元直接序列扩频方式可以获得比传统直接序列扩频更高的处理增益和频带利用率[6-7]，但是由于M元直扩系统接收机需要拷贝相关器组进行译码，所以随着的增大计算量将显著增加[8]。在M元码分多址(M-ary Code Division Multiple Access，M-CDMA)系统中，这一问题将更加明显。虽然出现了一些改进算法，但是目前已采用的M元扩频技术中值一般不会很大[9-10]，以保证系统接收端的解码工作量不至过于庞大。本文采用M-CDMA系统中的=512，若仍然采用传统的拷贝相关器组进行解码，接收机结构将变得十分复杂，同时系统所需的扩频码数量十分巨大，选码难度增加。

由于海面的起伏和收发双方的相对运动，相干水声通信的接收信号载波上将会产生一个随时间变化的跳变相位。跳变相位将直接导致水声扩频系统的扩频增益下降，严重影响水声扩频系统的性能。因此，在设计任何一个水声扩频系统时都必须考虑如何解决跳变相位的影响。对于跳变载波相位，通常采用锁相环(Phase Locking Loop，PLL)技术来对载波进行跟踪同步，但是在码分多址系统中，由于多址干扰的影响，锁相环技术的应用将变得十分困难。

综上，M-CDMA系统的实现将面临着以下几个问题：(1) 当过大时，接收端解码运算量巨大；(2) 多用户系统中载波相位跳变的影响；(3) 系统需要庞大数量的扩频序列。本文基于M元直扩系统，提出M元能量检测器算法，该算法具有抗载波相位跳变和抗水声信道多途扩展影响的能力，同时简单易实现，极大优化了M-CDMA系统接收端的解码运算量。针对M-CDMA选码难度高的问题，本文提出了混沌正交组合序列，通过简单的迭代和组合即可产生大量满足要求的扩频序列。2015年1月，在某海域成功实现了7个用户的M-CDMA水声通信，每个用户的通信速率为70 bit.s-1.

1 M元能量检测器

1.1 M元能量检测器原理

图1给出了M元能量检测器的原理图，下面通过公式推导来对M元能量检测器的原理进行说明。

图1 M元能量检测器原理图

首先定义一个M元扩频序列矩阵：

式中，为移位矩阵，定义为

接收端采用M元能量检测器进行解码，其将本地参考的M元扩频序列矩阵与接收信号进行相乘，通过检测输出信号能量来完成解码：

从上述推导过程可以看出，与传统的拷贝相关译码相比，M元能量检测器大大减小了接收端系统的运算量。下面将进一步分析M元能量检测器的性能。

1.2 性能分析

解调后信号经过低通滤波处理并离散化：

此时M元能量检测器输出为

可以看出，当载波相位跳变缓慢变化时，M元能量检测器算法可有效抑制载波相位跳变的干扰。

2 M-CDMA水声通信系统

2.1 混沌正交组合序列

Walsh序列具有良好的正交性能，且产生方便，其递推关系如下：

Walsh序列虽然具有严格的正交关系，但是其自相关特性较差，因此将混沌序列与Walsh组合，构成混沌正交组合序列。

通过式(15)生成的一族混沌正交组合序列仍保持着同一族序列中任意两条序列互相正交的性能：

同时，混沌正交组合序列也保有了混沌序列优良的相关特性。在一族(=32)混沌正交组合序列中，随机选择一条序列分别与所有序列做相关运算的输出结果如图2所示。可以看到，本文提出的混沌正交序列均拥有良好的相关特性，不同的混沌正交组合序列呈弱互相关特性。

将混沌正交组合序列应用到M元能量检测器中，则式(5)将变为

由式(5)可知，当采用传统扩频序列(如Gold序列)时，由于接收扩频序列与非期望扩频序列并非严格正交，因此接收扩频序列与本地期望扩频序列匹配输出能量将受到其与本地非期望扩频序列匹配输出能量的干扰。而由式(17)可以看到，利用混沌正交组合序列的正交特性，当前接收扩频序列与本地序列非期望序列的匹配输出能量均为0，保证了在检测接收扩频序列与本地期望扩频序列匹配输出能量时，不受其与非期望扩频序列匹配输出能量的影响，从而提高了M元能量检测器的性能。

2.2 M-CDMA系统

传统的码分多址系统中，每个用户分配一条伪随机序列作为地址码；而M-CDMA系统中，每个用户需要分配条伪随机序列作为地址码，这将直接增大系统的选码难度。另外，随着的增加，M-CDMA系统的接收机结构将变得十分复杂。针对上述问题，本文提出了基于M元能量检测器算法的M-CDMA水声通信系统，系统中的扩频序列采用本文提出的混沌正交组合序列，系统原理如图3所示。

图3 M-CDMA系统原理图

DS-CDMA系统在发送端为每个用户分配一个扩频序列作为地址码，而本文提出的M-CDMA系统则是在发送端为每个用户分配一族彼此正交的混沌组合序列。由于DS-CDMA系统中每个用户对应的扩频序列彼此不是严格正交，因此系统将出现多址干扰；同理，由于不同族的混沌正交组合序列间并非严格正交，本文提出的M-CDMA系统同样存在着码间干扰，下面通过公式进行说明。

式(19)指出，M-CDMA系统中的干扰来自两个方面：多址干扰和噪声干扰。由于不同族的混沌正交组合序列并非严格正交，将随着用户数量的增多而增大，而噪声干扰由于被本地扩频序列进行了扩频处理，其干扰大大降低。因此M-CDMA系统中的主要干扰为多址干扰，并且随着用户数量的增多而增大。多址干扰是限制码分多址系统的系统容量的主要因素。另外，水声信道的多途扩展将使得M-CDMA系统的多址干扰变得更加严重。时间反转镜技术具有时间和空间聚焦的特性，可以很好的与码分多址系统结合。因此，将时反处理技术与M-CDMA系统结合可以有效抵抗水声信道带来的影响，显著提高系统容量。

3 海试试验

2015年1月在某海域进行了M-CDMA海上试验，试验海域深度为20～40 m。试验当天海面风浪较大，这使得接收信号的相位发生快速跳变。由于试验条件限制，本次海试试验无法进行严格意义上的M-CDMA试验，而是单独接收M-CDMA系统中各个用户的信号，在后续数据处理时将所有用户的接收数据进行叠加处理。图4给出了M-CDMA海试试验的布局情况，接收端在A点锚定不动，发射端分别在距离A点5 km、7 km和10 km处，改变换能器的布放深度，给各个用户发送数据。

图4 M-CDMA系统的海试布局

M-CDMA系统不仅受到多址干扰的影响，还将受到“远近效应”的影响。在多址水声通信中，由于各用户节点与主节点所处的水平距离不同，使得各信号到达主节点的传播损失是不同的，如果所有用户都以相同的功率发射，距离主节点较近的用户接收功率较大。这样，功率较强的信号将会使功率较弱的信号淹没其中，无法正确解码；另外，与主节点水平距离相同、发射深度不同的用户，由于经过的水声信道不同，各个用户信号到达主节点的传播损失仍然不同，这同样会导致“远近效应”。即多址水声通信中的“远近效应”问题不仅要考虑到用户间的相对位置，还要全面考察水声信道的特性。“远近效应”问题一般采用功率控制算法解决。由于功率控制不在本文讨论范围内，数据处理时首先将各个用户的功率进行归一化处理，避开“远近效应”对多址系统的影响。

图5给出了M-CDMA系统中每个用户与主节点间水声信道实际测量的归一化输出结果。可以看出，每个用户的信道多途扩展都在10 ms以内，信道结构较为简单，不同用户对应的水声信道结构不同。表1给出了海试试验相关数据处理结果。由于本次海试每个用户发送数据量有限，M-CDMA系统所有用户均实现了0误码解码。图6给出了M-CDMA系统中每个用户前10 bit信息解码效果图，从图6可以看出，在每个用户的每个符号周期内，M元能量检测器，输出能量均出现明显的峰值。因此通过搜索符号周期内峰值出现的位置即可完成当前用户的当前符号周期内的解码。

图5 不同用户实测的信道图

表1 M-CDMA系统中的用户位置信息

图6 M-CDMA系统解码输出结果

4 结论

本文提出的M元能量检测器算法，通过检测匹配能量输出进行解码，极大优化了M元码分多址系统接收机结构，降低了接收端解码计算量。同时，M元能量检测器算法具有抗载波相位跳变和抗水声信道多途扩展干扰的能力。本文提出的混沌正交组合序列使得M元码分多址系统选码工作变得简单，在M元码分多址水声系统通信试验中通过简单的迭代和组合成功产生了7族3584条扩频序列。在2015年1月的海上试验中成功实现了7个用户的M元码分多址水声通(=512)，解码效果良好。

基于M元能量检测器和混沌正交组合序列的M元码分多址通信系统仍然受到多址干扰的影响，这是因为不同族的混沌正交组合序列并非具有严格正交特性，这使得基于混沌正交编码的M元多用户系统仍然面临“远近效应”的问题，后续将重点针对“远近效应”问题开展功率控制研究。另外，水声信道将使期望用户和非期望用的多途扩展干扰变成“虚拟用户”，使得多址干扰进一步增加，从而严重影响系统性能，降低系统容量。因此，后续研究将充分考虑水声信道的影响，通过结合实际水声物理环境特性发展空分多址技术，进一步提高M元码分多址系统性能。

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M-ary code division multiple access underwater acoustic communication based on chaotic orthogonal combination sequence

LÜ Yao-hui1,2, DU Peng-yu3, ZHANG Hong-tao3, ZHU Xiao-hui3

(1. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang, China;2. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;3.Science and Technology on Sonar Laboratory, Hangzhou Applied Acoustic Institute, Hangzhou 310023,Zhejiang, China)

An M-ary energy detector algorithm is proposed. The algorithm is simple and easy to implement, which greatly optimizes the receiver structure and decoding operation of the M-ary code division multiple access (CDMA) system. Also, the M-ary energy detector has the ability to resistcarrier phase hopping and multi-channel interference in underwater acoustic channels. To solve the problem of selecting a large number of spreading sequences in M-ary CDMA underwater acoustic communication system, a chaotic orthogonal combination sequence is proposed in this paper, and a large number of spreading sequences satisfying the requirements can be generated through a simple combination of iterations. And, the orthogonal relationship exists between the chaotic orthogonal combination sequences of the same family. In January 2015, a sea trial successfully implemented the M-ary code CDMA Acoustic Communication Test (= 512) for 7 users with a total of 3584 chaotic orthogonal combination sequences and a communication rate of 70 bit.s-1, whichverifies the validity of the proposed algorithm and provides a technical basis for the application of networked underwater acoustic communications.

underwater acoustic communication; M-ary code; code division multiple access; chaotic orthogonal combination sequence; energy detector

TB567

A

1000-3630(2018)-01-0032-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.01.006

2017-12-04;

2018-02-10

国家自然科学基金资助项目(61701449、61701450、61471137)。

吕曜辉(1982－), 男, 北京人, 硕士研究生, 研究方向为水声信号处理。

吕曜辉, E-mail: hqb0092@163.com