一种基于无码率码的海洋浮标OFDM机会通信方法技术

本发明专利技术为一种基于无码率码的海洋浮标OFDM机会通信方法，根据源符号个数生成无码率码编码信息；将原始数据分割为若干源数据块，对于一个源数据块，各模块无码率码编码信息得到预编码矩阵，将预编码矩阵的逆矩阵与源符号在二元域进行矩阵相乘，生成中间符号，并进一步生成编码符号；然后组成数据包并通过OFDM通信系统在海洋浮标信道传输；根据接收到的数据包的编码符号编号，获取预编码译码矩阵，在二元域进行行变换消元，同时将对应行的编码符号进行二元域运算，将得到的不同的源数据块进行组合，恢复信源数据。本发明专利技术能够在复杂海洋信道环境下利用有限通信机会，提高通信可靠性和有效性。有效性。有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无码率码的海洋浮标OFDM机会通信方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，特别涉及一种基于无码率码的海洋浮标OFDM机会通信方法。

技术介绍

[0002]正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种特殊的多载波调制技术，它允许各个子载波信道的频谱相互重叠，可以充分的利用频谱资源。从时域上看，OFDM通过增加循环前缀的方式可以有效减少，海洋无线信道多径时延扩展造成的符号间干扰(Inter Symbol Interference，ISI)问题。从频域上看，海洋无线信道因多径产生的频率选择性衰落，虽然会在部分OFDM子载波上造成影响，但是每个子信道上的衰落都不再具备频率选择性，可视为平坦衰落。另外OFDM调制解调技术已经可以很方便的用快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)和快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation，FFT)算法实现，非常符合海洋浮标通信系统对低功耗和小型化的需求。
[0003]无码率码技术作为无固定码率的编译码技术，采用的是基于概率分布的随机编码方案，可以连续生成任意数量的编码符号，接收端只需要收到一定数量的编码符号即可成功译码。因其仅关注接收的编码符号的数量而不关注具体是那些编码符号，所以无码率码可以在未知信道状态信息的情况下，自适应调整码率，充分利用通信机会，提高通信的可靠性和有效性。常用的无码率码技术有LT码和Raptor码。
[0004]中国专利CN 111917517 A公开了一种超距海上通信方法，该专利技术中为了克服海洋小尺度衰落导致的误码问题，采用了基于低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check,LDPC)的OFDM通信方法，其中LDPC码是一种前向纠错技术(Forward Error Correction，FEC)可以在物理层纠正一定数量的比特错误。该通信方法的缺点首先在于当遇到复杂海洋环境导致的大尺度衰落时，通信的信噪比较低导致通信的同步的准确度下降并且误比特率增加，当错误比特数量超过LDPC码的纠错门限时该数据传输失败，接收端将无法收到信源信息，通信可靠性无法保证。其次，LDPC码是一种固定码率的物理层纠错码，无法通过调整码率去自动适应海洋信道状态的变化。
[0005]通过以上分析，现有技术存在的问题及缺陷为：海洋浮标通信信道环境复杂，无线通信时不仅会受到频率选择性衰落和时间选择性衰落这样的小尺度衰落，还会因海水水膜覆盖天线受到随机的大尺度衰落影响。传统的FEC技术纠错能力有限，当受到大尺度衰落时容易造成数据的丢失，可靠性无法保证。而且传统的FEC技术为固定码率编码，无法自动适应海洋复杂多变的信道环境，自动调整码率。传统的HARQ技术，在海洋信道状态长期较差时，导致发送端会对某些数据包不断地超时重传，此时该通信系统的有效性较低。其次在于当海洋信道状态较差时接收端在无法保证反馈链路的可靠性，ACK反馈信息也可能会丢失，导致发送端重复发送已被成功接收的数据包，从而造成信道资源和通信“机会”的浪费。传统的OFDM通信系统，未针对海洋复杂信道环境突发通信情况下设计，在时变信道和低信噪
比情况下OFDM符号传输正确率较低。
[0006]解决上述问题及缺陷的难度为：在海洋复杂环境信道环境下，需要在物理层提供一种突发的OFDM通信方案，能够在较低的信噪比下依然保证时间同步的准确度、在具有多普勒频移的情况下补偿频率偏移保证载波频率同步，保护OFDM子载波正交性，提供更为可靠的物理层比特传输。在海洋浮标通信资源和“机会”有限的情况下，需要一种能够具有纠错能力保证可靠性、能够自动适应信道状态变化调整码率保证有效性的编码和传输方案。

技术实现思路

[0007]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于无码率码的海洋浮标OFDM机会通信方法，以在复杂海洋信道环境下利用有限通信机会，提高通信可靠性和有效性。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0009]一种基于无码率码的海洋浮标OFDM机会通信方法，包括如下步骤：
[0010]步骤1，在发送端，根据源符号个数生成无码率码编码信息；所述无码率码编码信息为LDPC编码矩阵、HDPC编码矩阵和LT编码矩阵；
[0011]步骤2，将原始数据分割为若干源数据块，每个源数据块包含K个源符号；
[0012]步骤3，对于一个源数据块，将其中源符号的LDPC编码矩阵和HDPC编码矩阵，以及LT编码矩阵的前K行，组合得到预编码矩阵A，将预编码矩阵A的逆矩阵与源符号在二元域进行矩阵相乘，生成中间符号C；
[0013]步骤4，生成编码符号，所述编码符号的前K位为输入的源符号本身，第K+n位为修复符号，由中间符号C和LT编码矩阵在二元域进行矩阵相乘得到，在收到接收机的对该源数据块的确认时，停止生成，其中n为大于0的自然数；
[0014]步骤5，组成数据包并通过OFDM通信系统在海洋浮标信道传输；
[0015]步骤6，在接收端，根据接收到的数据包的编码符号编号，找出对应的LT编码矩阵信息，并与LDPC编码矩阵和HDPC编码矩阵组合成预编码译码矩阵；
[0016]步骤7，将接收到的预编码译码矩阵在二元域进行行变换消元，同时将对应行的编码符号进行二元域运算，如果译码成功则对该部分数据包的源数据块编号进行确认反馈，然后对下一个源数据块进行编码；
[0017]步骤8，将得到的不同的源数据块进行组合，恢复信源数据。
[0018]与现有技术相比，本专利技术将OFDM通信系统作为物理层比特传输系统，并通过改进的时间同步、频率同步和信道均衡等方法。同时采用一种无码率码编码技术系统化Raptor化码和失活译码算法对信源信息进行分块后编码发送，并译码后在接收机恢复。其主要具有如下优点：
[0019]第一，本专利技术的OFDM物理层传输系统，具有更高的频谱利用率，充分利用频谱资源，在海洋浮标信道环境下更有效性更高。
[0020]第二，本专利技术的OFDM物理层传输系统，是针对海洋浮标信道参数设计的，对浮标
‑
舰船通信环境的多普勒频移和多径效应影响更具有适应性，并且在收到海水水膜覆盖和海浪遮挡导致的接收信号信噪比较低的情况下也能保证一定的可靠性，在海洋浮标信道环境下可靠性更高。
[0021]第三，本专利技术的系统化Raptor码编码方法，是一种无码率码编码方案，在海洋浮标因受到海水水膜覆盖和海浪遮挡造成接收信号信噪比随机的变化时，其编码码率可以自适应信道变化调整码率，充分利用通信“机会”窗口，提高效率。并且因其具有系统码的特性，如果其发送的前K个编码符号也就是源符号本身，能被无误接收则接收机可以无需译码，直接恢复源符号。
[0022]进一步的，本专利技术OFDM物理层传输系统所采用的时间同步算法，是一种维迭代梯形搜索时间同步算法，能够在海洋浮标受到海水水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无码率码的海洋浮标OFDM机会通信方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在发送端，根据源符号个数生成无码率码编码信息；所述无码率码编码信息为LDPC编码矩阵、HDPC编码矩阵和LT编码矩阵；步骤2，将原始数据分割为若干源数据块，每个源数据块包含K个源符号；步骤3，对于一个源数据块，将其中源符号的LDPC编码矩阵和HDPC编码矩阵，以及LT编码矩阵的前K行，组合得到预编码矩阵A，将预编码矩阵A的逆矩阵与源符号在二元域进行矩阵相乘，生成中间符号C；步骤4，生成编码符号，所述编码符号的前K位为输入的源符号本身，第K+n位为修复符号，由中间符号C和LT编码矩阵在二元域进行矩阵相乘得到，在收到接收机的对该源数据块的确认时，停止生成，其中n为大于0的自然数；步骤5，组成数据包并通过OFDM通信系统在海洋浮标信道传输；步骤6，在接收端，根据接收到的数据包的编码符号编号，找出对应的LT编码矩阵信息，并与LDPC编码矩阵和HDPC编码矩阵组合成预编码译码矩阵；步骤7，将接收到的预编码译码矩阵在二元域进行行变换消元，同时将对应行的编码符号进行二元域运算，如果译码成功则对该部分数据包的源数据块编号进行确认反馈，然后对下一个源数据块进行编码；步骤8，将得到的不同的源数据块进行组合，恢复信源数据。2.根据权利要求1所述基于无码率码的海洋浮标OFDM机会通信方法，其特征在于，所述步骤1，首先根据源符号个数K，查表得到LDPC编码矩阵行数S，HDPC编码矩阵行数H，其中LDPC编码矩阵是S*H维低密度奇偶校验矩阵，由K/S个列数为S的循环子矩阵组成，并且子矩阵列重均为3；HDPC编码矩阵是H*(S+K)维的高密度奇偶校验矩阵，矩阵的每列根据枚举二进制反射格雷序列产生，并且每列的列重为H/2；LT编码矩阵根据源符号个数K和度分布函数随机生成，每个不同的K值分别对应唯一的LDPC编码矩阵、HDPC编码矩阵和LT编码矩阵。3.根据权利要求1所述基于无码率码的海洋浮标OFDM机会通信方法，其特征在于，所述步骤2，根据信源数据bit数S、源符号个数K和符号长度T计算得到原始数据的分块数N，具体公式如下：对于不够整块的数据在尾部填零补充。4.根据权利要求1所述基于无码率码的海洋浮标OFDM机会通信方法，其特征在于，所述步骤3，所述LDPC编码矩阵结尾补S维的单位阵I
S
和S*H的0矩阵Z1，所述HDPC编码矩阵结尾补H维的单位阵I
H
，其中S为LDPC编码矩阵行数，H为HDPC编码矩阵行数；所述中间符号C，表示为：C＝A
‑1D其中D为输入符号，由S+H个全0符号Z2和K个编码符号组成，生成的中间符号C的个数等于S、H、K的和；所述步骤4，Raptor编码符号表示为：E＝(x1,x2,
…
,x
K
,e
K+1
,e
K+2
,
…
,e
K+n
)
T
其中e
K+1
,e
K+2
,
…
,e
K+n
为修复符号，表示为：
e
K+1
,e
K+2
,
…
,e
K+n
＝E
(K+1,K+2,
…
,K+n)
＝G
LT(K+1,K+2,
…
,K+n)
CG
LT(K+1,K+2,
…
,K+n)
为LT编码的生成矩阵。5.根据权利要求1所述基于无码率码的海洋浮标OFDM机会通信方法，其特征在于，所述步骤5，包括：步骤501，填充包头，组成数据包；步骤502，校验编码；步骤503，物理层信道编码；步骤504，QPSK映射；步骤505，加扰；步骤506，IFFT变换；步骤507，组帧；步骤508，射频发射；步骤509，海洋浮标信道传输；步骤510，射频接收；步骤511，时间同步；步骤512，频率同步；步骤513，FFT变换；步骤514，信道估计与均衡；步骤515，解扰；步骤516，QPSK解映射；步骤517，信道译码；步骤518，校验。6.根据权利要求5所述基于无码率码的海洋浮标OFDM机会通信方法，其特征在于，所述步骤501，将源数据块编号和Raptor编码符号编号作为包头信息，填充到相应的编码符号之前，组成数据包；所述步骤502，将填充包头后的编码符号进行CRC编码，并将得到的CRC校验码填充到尾部；所述步骤503，码率设定为1/2；所述步骤504，将信道编码后的比特映射为IQ平面的QPSK符号；所述步骤505，将QPSK符号与固定的扰码序列相乘，使其相位均匀分布；所述步骤506，将串行数据流转为并行数据后通过IFFT变换，将频域信号变换为时域的OFDM符号，并同时加上循环前缀；所述步骤507，将生成的若干OFDM符号与前导训练序列组合成帧，并在帧末尾补零；所述步骤508，将基带信号与载波相乘变为射频信号；所述步骤510，将射频信号与载波相乘降为基带信号，将受到信道影响后的基带信号送入接收端；所述步骤511，采用互相关同步或自相关同步；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘毅，牛珑昌，张席畅，师瑞洋，王涵，高思佳，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：