一种基于矢量阵ＭＩＭＯ的高速水声通信方法技术

本发明专利技术公开了一种基于矢量阵ＭＩＭＯ的高速水声通信方法，包括以下步骤：１）在系统发射端采用多个阵元同时发送信息，各阵元发射信号采用垂直分层空时编码进行调制；２）在系统接收端采用矢量水听器阵进行接收；对各阵元接收信号分别进行基于ｐ＋ｖ的声压振速联合信息处理；３）将联合信息处理的输出信号送入内嵌数字锁相环的空时判决反馈均衡器进行自适应空时判决反馈均衡，即可同时恢复各发射阵元所发信息。本发明专利技术的优点是：通过在发射端和接收端同时采用多个阵元进行多发多收，借助空间复用，可使系统在不增加带宽的条件下大幅提高通信速率；可有效提高接收端信噪比，显著提高水声ＭＩＭＯ通信系统的稳健性及作用距离。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水声通信领域，主要是一种基于矢量阵MIMO的高速水声通信方法。
技术介绍
水声通信可为水上、水下平台之间进行信息交换提供一种灵活而有效的技术手 段。近年来，随着海洋开发和信息产业的不断发展，人们对高速水声通信的需求日益迫切。 但由于水声信道是十分复杂的时空频变随机多径信道，存在带宽窄、噪声高、起伏大等诸多 不利因素，使得在水下实现高速可靠通信变得尤为艰难，由此也导致水声通信所能达到的 通信速率水平一直远远滞后于空间无线通信。为克服水声信道恶劣的传播条件，基于频率调制的非相干调制技术在水声通信领 域一直占有重要地位。但由于较低的带宽利用率，使其很不适应在带宽受限的水声信道进 行图像传输或多用户网络应用。为在有限的带宽条件下有效提高水声通信系统的传输速 率，基于相位调制的相干水下通信技术开始受到更多关注。对于水下相位相干通信系统， 提高通信速率和降低误码的主要难点有两个方面一是由于多径传播而引起的码间干扰 (intersymbolinterference, ISI)的影响；二是水下多径传播的动态机制。目前，自适应时 域均衡技术是相干系统用来解决上述问题的主要方法之一。为进一步提高稳健性，还可在 接收端采用阵列进行接收，借助空间分集合并接收技术可有效改善系统性能，从而有效提 高均衡技术的稳健性。由于声信道通常具有较大的时延扩展，对中、高数据率的浅海信道， 由时延扩展而引起的码间干扰将有几十甚至几百个码元宽度。为有效补偿如此严重的码间 干扰，就需要均衡器具有足够多的抽头，从而导致均衡算法的计算量大大增加。为有效提高水下信息传输速率，另一种方法是采用正交频分复用(OFDM)技术。 OFDM技术把高速信息流调制到多个正交的子载波上并行传输，使得每个子载波上的符号持 续时间增长，从而增强了抵制码间干扰的能力。借助于循环前缀，OFDM技术可通过简单的频 域均衡来消除码间干扰，从而避开了较为复杂的时域均衡。但对于正交性的要求使得OFDM 技术对频率偏移十分敏感，而水声信道通常存在着严重的多普勒频率偏移，这成为OFDM技 术应用于水下通信的一大障碍。以上两种相位相干通信系统均属于传统的单发射阵元(即只有一个发射阵元)系 统，虽然相对非相干系统，其带宽利用率有较大提高，但其提高毕竟有限，要在带宽严重受 限的水声信道进一步大幅提高信息传输速率，依靠上述系统是无法实现的。
技术实现思路
本专利技术的目的正是要克服上述技术的不足，而提供一种稳健的基于矢量阵 ΜΙΜ0(多输入多输出)的高速水声通信方法，在不增加系统带宽的条件下大幅提高系统的 通信速率。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案这种基于矢量阵MIMO的高速水声通信 方法，与传统的单发射阵元系统不同，这种方法在发射端采用多个发射阵元同时发送信息，通过充分开发空间资源，可使系统的带宽利用率获得极大提高，具体包括如下步骤(1)、在水声通信系统的发射端采用多个发射阵元同时发送信息，各阵元发射信号 采用贝尔实验室垂直分层空时VBLAST编码进行调制；(2)、在水声通信系统的接收端采用矢量水听器阵进行接收，阵元个数需大于发射 阵元个数，对各阵元接收信号分别进行基于P+v的声压振速联合信息处理；接收端采用矢 量阵进行接收的目的是借助声压振速联合信息处理技术强大的背景噪声抑制能力，可有 效提高接收端信噪比，从而显著提高水声MIMO通信系统的稳健性及作用距离。(3)、将联合信息处理的输出信号(Ρ+V)送入内嵌数字锁相环的空时判决反馈均 衡器进行自适应空时判决反馈均衡，对均衡器的输出进行判决，即可同时恢复各发射阵元 所发信息。作为优选，所述的贝尔实验室垂直分层空时VBLAST编码，具有极高的频谱效率且 易于实现。其本质是一种空间复用技术，即首先利用串并转换将高速源数据流按发射阵元 个数分割为几个子数据流(也称之为层)，然后对应于各发射阵元以相同载波频率相同速 率同时并行发送出去。由于这些子数据流占据相同的频带，因此可使系统频谱效率获得大 巾畐提尚。作为优选，对各阵元接收信号进行声压振速联合信息处理的具体过程为首先分 别对每一阵元接收到的声压信号P及三个振速矢量(Vx、Vy、Vz)进行同步、测向，再将振速通 过Givens旋转后得到指向声源的总振速V，总振速与声压相加形成一路输出信号(p+v)。作为优选，在步骤(3)中，对于具有N(N彡2)个发射阵元和M(M>N)个接收阵 元的水声MIMO通信系统，所述内嵌数字锁相环的空时判决反馈均衡器由N个前馈空时滤 波器和N个反馈空时滤波器构成；W(k) = [Wl(k)，w2(k)，...，wN(k)]表示前馈滤波器的 M(Kf+l)XN维加权矩阵，其中wn(k)是第n(l彡η彡N)个前馈空时滤波器的M(Kf+l)维权 向量；B(k) = [Mkhb2GO，· · ·，bN(k)]表示反馈滤波器的NKbXN维加权矩阵，其中bn(k) 为第η(1 < η < N)个反馈空时滤波器的NKb维权向量；前馈空时滤波器的输入可表示为 M(Kf+l)维列向量明…， \)]Τ(3)式中，r(k-l)= Lr1 (k-1), r2 (k-1) ],..., rM (k-1) ], 0 ^ 1 彡 Kf，为 M 维行向量；上 标T表示向量转置；反馈空时滤波器的输入可表示为NKb维列向量s(k-d) ^ [S1 (k-d),s2{k-d),···,Sn(k-d)]T(4)式中，((免—)=[<(众之(Α:- /-1),·.·，之(众--A + l)]，j = 1，···，N，d 是时延参数；由空时判决反馈均衡器输出的第H(KnSN)层(对应第η个发射阵元)已解调 信号的判决变量可表示为 式中，夂用来对第η个前馈空时滤波器的输出进行载波相位恢复，先令反馈滤波 器的输入(1 ^ η ^ N)等于已知的由第η个发射阵元发送的训练序列，根据基于 LMS的自适应算法对空时判决反馈均衡器的权向量进行更新调整，调整过程具体包括以下 步骤5步骤1 初始化令<(0) 二 0 (M(Kf+l)维列向量)；bn (0) = 0 (NKb 维列向量)；k = 0 ； μ =常数(0 < μ < 1)；Φ (0) = 0 而=常数(0 < K1 < 1)；K2 = O-IXK1;步骤2 更新k = k+Ι ；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于矢量阵ＭＩＭＯ的高速水声通信方法，其特征是：包括如下步骤：　　（１）、在水声通信系统的发射端采用多个发射阵元同时发送信息，各阵元发射信号采用垂直分层空时ＶＢＬＡＳＴ编码进行调制；　　（２）、在水声通信系统的接收端采用矢量水听器阵进行接收，阵元个数需大于发射阵元个数，对各阵元接收信号分别进行基于ｐ＋ｖ的声压振速联合信息处理；　　（３）、将联合信息处理的输出信号（ｐ＋ｖ）送入内嵌数字锁相环的空时判决反馈均衡器进行自适应空时判决反馈均衡，对均衡器的输出进行判决，即可同时恢复各发射阵元所发信息。

【技术特征摘要】
一种基于矢量阵MIMO的高速水声通信方法，其特征是包括如下步骤(1)、在水声通信系统的发射端采用多个发射阵元同时发送信息，各阵元发射信号采用垂直分层空时VBLAST编码进行调制；(2)、在水声通信系统的接收端采用矢量水听器阵进行接收，阵元个数需大于发射阵元个数，对各阵元接收信号分别进行基于p+v的声压振速联合信息处理；(3)、将联合信息处理的输出信号(p+v)送入内嵌数字锁相环的空时判决反馈均衡器进行自适应空时判决反馈均衡，对均衡器的输出进行判决，即可同时恢复各发射阵元所发信息。2.根据权利要求1所述的基于矢量阵MIMO的高速水声通信方法，其特征是所述的垂 直分层空时VBLAST编码，首先利用串并转换将高速源数据流按发射阵元个数分割为几个 子数据流，然后对应于各发射阵元以相同载波频率相同速率同时并行发送出去。3.根据权利要求1所述的基于矢量阵MBTO的高速水声通信方法，其特征是对各阵元 接收信号进行声压振速联合信息处理的具体过程为首先分别对每一阵元接收到的声压信 号P及三个振速矢量(vx、vy、vz)进行同步、测向，再将振速通过Givens旋转后得到指向声 源的总振速V，总振速与声压相加形成一路输出信号(P+v)。4.根据权利要求1所述的基于矢量阵MIMO的高速水声通信方法，其特征是在步骤 (3)中，对于具有N(N彡2)个发射阵元和M(M>N)个接收阵元的水声ΜΙΜΟ通信系统，所 述内嵌数字锁相环的空时判决反馈均衡器由N个前馈空时滤波器和N个反馈空时滤波器 构成；W(k) = [Wl(k)，W2(k)，···，WN(k)]表示前馈滤波器的M(Kf+l)XN维加权矩阵，其中 wn(k)是第n(l彡η彡N)个前馈空时滤波器的M(Kf+l)维权向量；B(k) = Eb1 (k)，b2(k)，· · ·， bN(k)]表示反馈滤波器的NKbXN维加权矩阵，其中bn(k)为第n(l彡η彡N)个反馈空时滤 波器的NKb维权向量；前馈空时滤波器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜煜，白兴宇，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]