一种5G多载波水声通信方法技术

本发明专利技术涉及一种5G多载波(广义频分复用)水声通信方法，属于水声通信领域，涉及广义频分复用(GFDM，Generalized Frequency Division Multiplexing)水声通信技术。本发明专利技术提出了一种适用于水声领域的GFDM通信系统，包括系统整体实现及发射端和接收端结构，实现了在带宽资源有限的水声信道中，子块和子载波数目的灵活选择，提高了频谱利用率。并且GFDM技术具有更低的峰均比，使其更适用于多为电池供电的水声系统中，能够更为有效的利用能量。本发明专利技术的目的是针对信道带宽资源有限的水声通信领域，提供一种有效利用信道资源和零散频谱资源的方法，可促进未来水下组网技术的发展。

A 5G Multicarrier Underwater Acoustic Communication Method

The invention relates to a 5G multi-carrier (generalized frequency division multiplexing) underwater acoustic communication method, belonging to the field of underwater acoustic communication, and relates to the underwater acoustic communication technology of generalized frequency division multiplexing (GFDM). The invention provides a GFDM communication system suitable for underwater acoustic field, including the overall implementation of the system and the structure of transmitter and receiver, realizes the flexible selection of the number of sub-blocks and sub-carriers in the underwater acoustic channel with limited bandwidth resources, and improves the spectrum utilization ratio. Moreover, GFDM technology has lower peak-to-average ratio, which makes it more suitable for underwater acoustic systems powered by batteries, and can use energy more effectively. The object of the present invention is to provide a method for effectively utilizing channel resources and scattered spectrum resources in the field of underwater acoustic communication with limited channel bandwidth resources, which can promote the development of underwater networking technology in the future.

【技术实现步骤摘要】
一种5G多载波水声通信方法
本专利技术涉及一种5G多载波(广义频分复用)水声通信方法，属于水声通信领域，涉及广义频分复用(GFDM，GeneralizedFrequencyDivisionMultiplexing)水声通信技术。
技术介绍
5G通信是无线电领域中提出的一种尚处于探索阶段的移动通信技术，该技术能够发展更高的数据传输速率和更高的频谱利用效率并且能够与其他先进技术完美结合，是一种可根据实际需要分配资源的智能通信技术。新一代通信技术要求其可根据实际通信需求进行感知和调整，符合未来移动通信中变化快速、多样的需求。在未来5G系统中，主要需求为高数据传输速率，这种对高数据传输速率的需求对带宽资源有限的水声通信系统更为重要。因此，多载波通信技术再一次引起了研究人员的关注。在水声通信中，频谱资源极为有限，因此，如何充分利用频谱资源，乃至一些空白频谱成为了未来的研究重点。通常，一些空白频谱所处频段不同并且往往具有非连续性，传统多载波技术中的常用技术-(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)技术较难实现对这些频谱资源的利用，并且技术要求各个子载波必须严格正交，使得系统对频偏敏感，另外，多个子载波的叠加也会产生较高的峰均比，且该值会随着子载波数目的增多而变大，而水声信道带宽资源有限，为了在通信频带内尽可能多的传输信息，多载波水声通信系统的子载波数目往往较大，故OFDM水声通信系统有可能具有更高的峰值平均功率比，这就对水声通信系统的功率放大器提出了更高的要求，犹如前文所说，即使功率放大器达到了发射信号的要求，较高的峰均比也会使功放长时间工作在大信号区，造成能量的浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对信道带宽资源有限的水声通信领域，提供一种有效利用信道资源和零散频谱资源的方法。本专利技术提出了一种适用于水声领域的GFDM通信系统，包括系统整体实现及发射端和接收端结构，实现了在带宽资源有限的水声信道中，子块和子载波数目的灵活选择，提高了频谱利用率。并且GFDM技术具有更低的峰均比，使其更适用于多为电池供电的水声系统中，能够更为有效的利用能量。本专利技术的目的是针对信道带宽资源有限的水声通信领域，提供一种有效利用信道资源和零散频谱资源的方法，可促进未来水下组网技术的发展。因此，本专利技术一种5G多载波水声通信方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：在发射端，对源数据进行编码，对编码后的数据进行GFDM调制，代表GFDM调制后的信号；步骤二：对GFDM调制后的信号添加循环前缀；若T0代表子符号周期，Tcp代表循环前缀长度，则一个GFDM的符号周期为：TGFDM＝Tcp+M·T0其较OFDM技术使用更少的循环前缀，因此，具有更高的频谱效率；步骤三：调制后的信号经过水声信道后，在接收端，对数据进行同步、水声信道估计与均衡后，进行GFDM解调；步骤四：对GFDM解调后的信号进行解映射和解码。优选地，本专利技术还包括选自如下1-4中的特征：1.步骤一中GFDM调制过程为：经过调制后的数据向量可表示为其中，且dk,m代表传输在第k个子载波和第m个子符号上的数据，该数据对应的冲击响应为：其中,n代表采样点，从上式中可以看出，每一个gk,m[n]都是原型滤波器经过不同时间和频率的变换获得的，发射数据可表示为：令上等式可写为GFDM中调制矩阵A的维度为KM×KM(K个子载波，M个子符号)，可表示为：是经过时域频域移位生成的，类比和是的循环移位。2.步骤一中GFDM调制矩阵A的维度中参数K的选取方法分为两大类，其中第一类为：当信道条件良好时，根据水声信道可用带宽，首先设置参数K的值，依据子载波数目参数K将可用带宽资源平均分配、另从数据长度N及关系式K×M＝N，推算出子块数目参数M的值。3.步骤一中GFDM调制矩阵A的维度中参数K的选取方法分为两大类，其中第二类为：当信道条件不好或想利用零散频谱信息时，依据信道带宽频率的限制范围，采用自适应方法灵活设置子载波数目参数K，依据数据长度N及关系式K×M＝N，推算出子块数目参数M的值。4.步骤三中GFDM解调后经水声信道传输过程为：经过水声信道后，接收信号为：其中，代表接收信号，代表发射信号，水声信道传输函数用H表示，假设考虑高斯白噪声存在的情况，高斯白噪声用表示；在接收端，时频同步后，去循环前缀，经过信道估计和均衡后，接收信号为可表示为：5.步骤三中GFDM解调过程为：解调所用的矩阵B的维数和调制矩阵A相同，当接收端采用不同的均衡方式时，矩阵B的形式不同，以匹配滤波、迫零均衡和最小均方误差准则这三种方式为例，在这几种均衡方式下矩阵B的形式分别用BMF,BZF和BMMSE来表示，可分别表示为：BMF＝AHBZF＝A-1其中，噪声和信号的方差分别为和最终解调后获得估计的发射数据GFDM技术的这种可灵活选择子载波数目和子块数目的优点，使其在广义上涵盖单载波技术和OFDM技术。一个GFDM符号则在时域和频域分别被分割，时域上被分割成M个子符号，频域上被分割成K个子载波。当GFDM系统子符号数M＝1且滤波器组(FN为N×N的傅里叶变换矩阵，FH是F的Hermitian变换矩阵)时，GFDM技术就相当于OFDM技术。当子载波数目K＝1且是Dirichlet脉冲时，GFDM技术就相当于单载波频域均衡(SC-FDE,SingleCarrierFrequencyDomainEqualization)技术。并且GFDM技术具有更多可选择的滤波器组。因此，GFDM以牺牲一些额外的实现复杂度为代价来保留OFDM技术的一些主要优点。GFDM技术的块状结构可以根据要求进行设计，特别是对带宽有限的系统。在子块和子载波数量上的选择的灵活性使得GFDM可以充分利用分散的频谱，大大提高了频谱效率，并且可以更为方便的应用到多用户水声通信中。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术通过在水声通信领域中利用GFDM技术，实现了在带宽资源有限的水声信道中子块和子载波数目的灵活选择，提高了频谱利用率，并且GFDM技术更低的峰均比使其更适用于多为电池供电的水声系统中，能够更有效的利用能量。附图说明图1是GFDM多载波水声通信系统框图；图2是GFDM多载波水声通信系统调制器结构图；图3是不同通信系统时频分割示意图：OFDM,SC-FDE,GFDM；图4是GFDM多载波水声通信系统数据块结构；图5是滚降因子0.9，K＝5，M＝9的调制矩阵；图6是滚降因子0.1，K＝8，M＝9的调制矩阵；图7是滚降因子0.9，K＝8，M＝9的调制矩阵；图8是滚降因子0.9，K＝10，M＝9的调制矩阵。具体实施方式无线电5G通信多载波技术包括广义多载波技术(GMC，GeneralizedMulti-Carrier)技术、滤波器组多载波技术(FBMC，FilterBankMultiCarrier)技术、广义频分复用(GFDM，GeneralizedFrequencyDivisionMultiplexing)技术和双正交频分复用技术(BFDM，BiorthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技术等。本专利技术针对GFDM技术展开研究，与OFDM技术的不同之处在于，其可以根据实际需要对原型滤波器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种5G多载波水声通信方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤一：在发射端，对源数据

【技术特征摘要】
1.一种5G多载波水声通信方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤一：在发射端，对源数据进行编码，对编码后的数据进行GFDM调制，代表GFDM调制后的信号；步骤二：对GFDM调制后的信号添加循环前缀；若T0代表子符号周期，Tcp代表循环前缀长度，则一个GFDM的符号周期为：TGFDM＝Tcp+M·T0其较OFDM技术使用更少的循环前缀，因此，具有更高的频谱效率；步骤三：调制后的信号经过水声信道后，在接收端，对数据进行同步、水声信道估计与均衡后，进行GFDM解调；步骤四：对GFDM解调后的信号进行解映射和解码。2.根据权利要求1所述的一种5G多载波水声通信方法，其特征在于：步骤一中GFDM调制过程为：经过调制后的数据向量可表示为其中，且dk,m代表传输在第k个子载波和第m个子符号上的数据，该数据对应的冲击响应为：其中，n代表采样点，从上式中可以看出，每一个gk,m[n]都是原型滤波器经过不同时间和频率的变换获得的；发射数据可表示为：令上式可写为GFDM中调制矩阵A的维度为KM×KM(K个子载波，M个子符号)，可表示为：是经过时域频域移位生成的，类比和是的循环移位。3.根据权利要求1所述的一种5G多载波水声通信方法，其特征在于：步骤一中GFDM调制矩阵A的维度中参数K的选取方法分为两大类，其中第一类为：当信道条件良好时，根据水声信道可用带...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴金秋，康鹏斌，刘鹏云，邵会兵，姚宏达，刘辉，王小虎，刘浩源，
申请(专利权)人：唐山照澜海洋科技有限公司，北京控制与电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：河北,13