一种单载波多用户水声通信方法技术

本发明专利技术公开了一种单载波多用户水声通信方法，基于单载波相移键控调制体制，将多个用户的通信信息调制在载波相位上，信源比特信息通过卷积编码器进行信道编码，再采用随机交织器交织，确定接收端通信信号的解码流程，通信接收机采用基于软干扰消除的迭代信道估计器，将接收信号中的干扰用户信号重构并消除，利用产生的信号更新期望用户的信道，被动时间反转镜将消除干扰后的多通道信号合并为单通道信号，在压缩多途信道的同时提高期望用户信噪比，再将单通道信号输入自适应turbo均衡器中，软均衡器输出的符号经过信道解码器解码后输出比特数据，接收机再经过多次迭代实现解码，能够进行用户数较多的数据解码且接收机计算复杂度较低。

【技术实现步骤摘要】
一种单载波多用户水声通信方法
本专利技术涉及一种单载波多用户水声通信方法，特别是一种基于迭代软干扰消除的单载波多用户水声通信方法，属于水声通信领域。
技术介绍
无人潜航器被广泛应用于海洋资源开发、海洋环境观测、情报收集、装备预置、探测预警等领域，并逐渐形成多无人潜航器协同观测模式。但是，随着任务内容和复杂度的上升，单一的无人潜航器已很难满足日益增长的需求。这使得以多潜航器组成水下集群协同执行任务成为必然的发展方向。与发展较为成熟的单用户水下通信技术相比，用来支持水下集群通信的多用户通信技术仍然面临较多的困难和挑战，例如水下环境中严重受限的带宽，长达几十毫秒甚至上百毫秒的多途时延信道，相比于无线电通信更加严重的多普勒扩展，信道的快速时变性以及强烈的多址干扰。当水下多用户通信系统的用户数量增多时，多址干扰会逐渐成为影响水下多用户通信机性能最重要的因素。许多技术用来实现水下多用户通信系统，其中直接扩频序列码分多址技术被认为是最具发展前景的技术之一，但是该技术的数据速率过低，无法满足未来场景中各种应用的高速数据传输要求。而交织分多址作为与码分多址相似的技术，被证明在性能上优于基于长码和短码的码分多址系统，但是其仍然面临码率较低且计算复杂度较高等问题。正交频分复用技术作为无线电通信中最关键的技术之一，因为其能够灵活地为各个用户分配子载波和功率而受到广泛的研究。但是正交频分复用技术具有较高的峰均功率比，而且对载波频率偏移十分敏感，这都使得其在水声多用户通信中的应用受到巨大的限制。相比之下，单载波多用户通信系统具有较高的通信速率，并且在峰均功率比和对抗载波频率偏移等方面具有优势，能够满足未来应用对水下多用户通信的需求，但是单载波多用户通信系统面临强多址干扰的巨大挑战。如何在快速时变的水声信道中且具有强多址干扰的条件下，对单载波多用户通信数据进行高性能解码，成为水声通信技术中重要的技术问题。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于迭代软干扰消除的单载波多用户水声通信方法，能够进行用户数较多的数据解码且接收机计算复杂度较低。为解决上述技术问题，本专利技术的一种单载波多用户水声通信方法，包括以下步骤：步骤1：输入：第i块接收信号ym,i，m∈[1,M]，M为接收阵元数，全部用户的导频向量Xn，其中，n∈[1,N]，N为用户的数量，即发射天线数，根据信道参数将接收数据划分为NB个数据块、迭代次数Iter，i∈[1,NB]；步骤2：信道和参数初始化，具体为：根据反馈的软信息，计算反馈符号更新迭代次数Iter，利用MMSE信道估计算法进行初始信道估计，得到其中m∈[1,M]，表示发射阵元n与接收阵元m之间的信道，“1”表示第“1”个数据块；步骤3：块间干扰消除，消除因为缺少保护间隔而产生的前一个数据块对当前数据块的影响；步骤4：连续干扰消除，利用上一次迭代反馈的先验符号以及估计的信道重构多址干扰其中l∈[1,N],l≠n，n表示期望用户索引值，l表示干扰用户索引值，并对多址干扰的进行幅度补偿和时间延迟，最后从接收信号中减去，得到仅包含期望信号和噪声的多通道数据步骤5：信道更新，利用消除多址干扰之后的信号更新期望用户信道，使用MMSE信道估计算法，具体为：其中，是噪声功率，IL是维度为L的单位矩阵，(·)H表示矩阵的共轭转置，定义为上一次迭代反馈的符号；步骤6：时间反转合并，利用被动时间反转合并技术将接收的多通道信号转换成单通道数据具体为：其中，Xn,i和Xl,i分别表示用户n和用户l的第i块发射符号矩阵，qnn,m,i和qnl,m,i为Q函数，为干扰消除尺度因子，zn为噪声项；步骤7：软判决反馈均衡，使用软判决反馈均衡消除残留的码间干扰，软判决反馈均衡器的输出为：其中，ffk和fbk分别为软判决反馈均衡器的前馈和反馈滤波器，k表示第k个符号，并且使用递归最小二乘自适应算法更新，和分别表示k时刻对应和中的滑动窗向量；步骤8：判断n＝N是否成立，若成立，则当前数据块所有用户检测完成，执行步骤9，进行下一个数据块的处理；否则，执行步骤4，继续检测当前数据的剩余用户；步骤9：判断i＝NB是否成立，若成立，则当前迭代的数据块全部处理完成，执行步骤10对检测的符号进行信道解码；否则，执行步骤3，继续检测下一个数据块；步骤10：计算对数似然比、解交织、信道解码，输出解码结果和反馈软信息，反馈外信息作为下一次迭代的先验信息：其中，Le(cn,j)表示用户n比特cn,j的对数似比，表示以条件概率计算的对数似然比，L(cn,j)表示上一次迭代反馈的对数似然比；步骤11：判断迭代次数是否达到Iter，若达到最大迭代次数，则解码完成，输出表示用户n比特序列的估计结果，否则执行步骤2继续迭代。本专利技术还包括：1.步骤3中块间干扰消除，消除因为缺少保护间隔而产生的前一个数据块对当前数据块的影响具体为：重构块间干扰，满足：其中，且其中k的取值范围为[Nb+1,Nb+L+1]，Nb是每一个数据块的长度，将重构的块间干扰信号从当前块中减去。2.步骤4中仅包含期望信号和噪声的多通道数据具体为：其中，为上一次迭代产生的先验符号，在第一次迭代中，为上一个数据块估计结果的硬判决符号；干扰尺度因子其中，是重构干扰信号与目标信号的匹配滤波输出结果，τ是匹配滤波器输出最大峰值的时延值，Pl是发射信号的平均功率，N0是噪声功率。本专利技术的有益效果：本专利技术与传统的多用户水声通信方法不同之处在于通过软干扰消除获得的信号更新期望用户的信道，该信道用来支持高性能的时间反转合并。而时间反转镜将消除多址干扰的多通道信号合并为单通道信号，再将其输入自适应turbo均衡器获得期望用户的符号估计，最后通过信道解码器解码得到比特信息。本专利技术的优点在于(1)能够有效对抗水下强多址干扰；(2)可降低接收机的计算复杂度；(3)可实现较高的通信速率。(4)可用来实现水下无线网络之间的数据传输。附图说明图1是基于迭代软干扰消除的单载波多用户水声通信技术流程图；图2(a)是试验布置图；图2(b)是发射接收位置分布阵元深度；图3用户5迭代处理结果，(a1)-(a4)是均衡器输出星座图(b1)-(b4)为对应解码器输出星座图；图4是多用户数据处理误码率统计结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术具体实施方式做进一步说明。本专利技术通过下述技术方案予以实现：基于单载波相移键控调制体制，将多个用户的通信信息调制在载波相位上。信源比特信息通过卷积编码器进行信道编码，再采用随机交织器交织。确定接收端通信信号的解码流程。通信接收机采用基于软干扰消除的迭代信道估计器，将接收信号中的干扰用户信号重构并消除，利用产生的信号更新期望用户的信道。被动时间反转镜将消除干扰后的多通道信号合并为单通道信号，在压缩多途信道的同时提高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单载波多用户水声通信方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：输入：第i块接收信号y

【技术特征摘要】
1.一种单载波多用户水声通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：输入：第i块接收信号ym,i，m∈[1,M]，M为接收阵元数，全部用户的导频向量Xn，其中，n∈[1,N]，N为用户的数量，即发射天线数，根据信道参数将接收数据划分为NB个数据块、迭代次数Iter，i∈[1,NB]；
步骤2：信道和参数初始化，具体为：根据反馈的软信息，计算反馈符号更新迭代次数Iter，利用MMSE信道估计算法进行初始信道估计，得到其中m∈[1,M]，表示发射阵元n与接收阵元m之间的信道，“1”表示第“1”个数据块；
步骤3：块间干扰消除，消除因为缺少保护间隔而产生的前一个数据块对当前数据块的影响；
步骤4：连续干扰消除，利用上一次迭代反馈的先验符号以及估计的信道重构多址干扰其中l∈[1,N],l≠n，n表示期望用户索引值，l表示干扰用户索引值，并对多址干扰的进行幅度补偿和时间延迟，最后从接收信号中减去，得到仅包含期望信号和噪声的多通道数据
步骤5：信道更新，利用消除多址干扰之后的信号更新期望用户信道，使用MMSE信道估计算法，具体为：



其中，是噪声功率，IL是维度为L的单位矩阵，(·)H表示矩阵的共轭转置，定义为上一次迭代反馈的符号；
步骤6：时间反转合并，利用被动时间反转合并技术将接收的多通道信号转换成单通道数据具体为：



其中，Xn,i和Xl,i分别表示用户n和用户l的第i块发射符号矩阵，qnn,m,i和qnl,m,i为Q函数，为干扰消除尺度因子，zn为噪声项；
步骤7：软判决反馈均衡，使用软判决反馈均衡消除残留的码间干扰，软判决反馈均衡器的输出为：



其中，ffk和fbk分别为软判决反馈均衡器的前馈和反馈滤波器，k表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩笑，朱广军，殷敬伟，葛威，李林，田亚男，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23