一种基于索引调制的ocdm水声通信方法
阅读说明：本技术 一种基于索引调制的ocdm水声通信方法 (OCDM underwater acoustic communication method based on index modulation ) 是由 何成兵 张晓洋 张阳 史文涛 戴祥飞 吴新宇 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于索引调制的OCDM水声通信方法,将空间调制技术同OCDM相结合,在激活子载波传输相位调制信息的同时,利用静默子载波的索引位置承载信息。本发明明使得OCDM通信系统中有效子载波数减少从而降低子载波间的干扰,同时因静默子载波也承载信息,使得因子载波数减少所造成的数据速率损失得到了补偿,本发明利用激活子载波索引位置承载信息,使得通信系统相比于OCDM因有效子载波数减少而系统抗频移性能得到提升的同时,弥补了因有效子载波数的减少而造成数据速率的下降。(The invention provides an OCDM underwater acoustic communication method based on index modulation, which combines a spatial modulation technology with OCDM, and utilizes the index position of a silent subcarrier to carry information while activating the subcarrier to transmit phase modulation information. The invention makes the effective sub-carrier number in the OCDM communication system reduce to reduce the interference between the sub-carriers, and simultaneously, because the silent sub-carrier also bears the information, the data rate loss caused by the reduction of the factor carrier number is compensated.)
技术领域
本发明涉及水声通信领域，更具体地说，涉及基于索引调制的OCDM水声通信方法。
背景技术
随着人类海洋事业的发展，世界各国对水下信息传输技术的发展要求也日益提高。众所周知，电磁波无法在水下远距离传输，致使水声通信技术是目前远程无线水下信息传输的唯一可靠方式。然而相较于其他通信信道，水声信道由于其严重的多途扩展、时延扩展和多普勒效应，以及由此引起的各种衰落特性，被认为是通信领域最具挑战性的信道之一。
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术具有较高的频带利用率且能够有效地削弱信道的多途效应带来的符号间干扰(Inter SymbolInterference，ISI)，但OFDM同时也具有易受信道时变与频衰的影响、较高的峰均功率比和对相位差敏感等缺点。这些缺点导致OFDM调制在频偏及多径明显的水声信道中性能不佳。
申晓红等提出一种正交线性调频复用(Orthogonal Chirp DivisionMultiplexing，OCDM)水声通信方法(申晓红，马义然，“一种移动水声通信方法”，中国专利公开号：CN107682297A)，利用离散分数阶傅里叶变换(Discrete Fractional FourierTransform，DFRT)去替代OFDM调制方式中的傅里叶变换，从而使子载波在时频面上产生旋转，使得子载波信号成为一组正交LFM信号。即OCDM将OFDM的窄带子载波变为了宽带信号，使其能够兼具多载波调制技术的频带利用率同时提升了系统抗频率衰减的性能。而信息传输仍同OFDM调制一样采用相位调制将信息承载在子载波上。该方法中关于系统性能的进一步提升除了依赖接收端均衡算法性能的提升，最直接的做法便是增加子载波间隔，减少子载波间干扰，从而提升系统性能。然而在固定子载波的条件下，增加子载波间隔便意味着有效子载波的减少，使得通信系统性能的提升是以牺牲数据传输速率为代价。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于索引调制的OCDM水声通信方法。为了弥补因提升OCDM通信性能而牺牲的数据速率，本发明提供了一种基于索引调制的OCDM水声通信方法，将空间调制技术同OCDM相结合。在激活子载波传输相位调制信息的同时，利用静默子载波的索引位置承载信息。该发明使得OCDM通信系统中有效子载波数减少从而降低子载波间的干扰，同时因静默子载波也承载信息，使得因子载波数减少所造成的数据速率损失得到了补偿。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：
步骤一：确定单个符号子载波个数为N，索引调制阶数为M1，相位调制阶数为M，频域间隔为F；
步骤二：在通信系统发射端，将信道编码后的串行数据流串并转换得到并行数据流，每组数据流长度为比特；
步骤三：将步骤二所得并行数据进行调制，log2(M)比特数据用于激活子载波的索引位置选择，即将该部分数据信息承载在激活子载波的索引位置上；另一部分log2(M1)比特数据采用相位调制的方式转化为相位信息，调制在激活子载波上；同时为了最大限度地消除ISI，在映射的过程中引入分数阶域保护间隔，因此每组数据在完成所有数据映射后将激活个子载波；对步骤二中所得并行数据流分别做反分数阶傅里叶变换(InverseDiscrete Fractional Fourier Transform，IDFRT)，在IDFRT后将得到一组具有相同调频斜率，不同中心频率的LFM信号；
步骤四：将步骤三所得并行数据流分别加入循环保护前缀；
步骤五：将步骤四中加入循环前缀的并行数据流并串转换后通过换能器发射；
步骤六：接收端对经过水声信道后被水听器接收到的串行数据进行串并转换；
步骤七：对步骤六所得串并转换得到的并行数据流分别去除循环前缀；
步骤八：将步骤七中去除循环前缀后的并行数据流分别做傅里叶变换将时域数据转换为频域数据，在频域中采用最小均方差频域均衡(Minimum Mean Square Error,MMSE)对接收数据进行均衡后，通过反傅里叶变换将频域数据转换为时域信号；
步骤九：对步骤八所得时域信号做相对应阶数的分数阶傅里叶变换得到分数阶域信号，同时去掉分数阶域子载波间隔；
步骤十：对步骤九所得分数阶域信号搜索激活子载波的索引位置，从而反映射出索引位置所承载的数据信息；再对激活子载波所承载的相位信息进行相位调制解调，得到另一部分的数据信息；
步骤十一：对步骤十所得到的解调后的并行数据信息进行并串转换后输出。
本发明的有益效果在于利用激活子载波索引位置承载信息，使得通信系统相比于OCDM因有效子载波数减少而系统抗频移性能得到提升的同时，弥补了因有效子载波数的减少而造成数据速率的下降。
附图说明
图1是本发明IM-OCDM水声通信系统框图。
图2是本发明IM-OCDM子载波映射示意图。
图3是本发明IM-OCDM子载波分数阶傅里叶变换能量聚焦图。
图4是本发明IM-OCDM与OCDM、OFDM的误码性能图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：
步骤一：确定单个符号子载波个数为N，索引调制阶数为M1，相位调制阶数为M，频域间隔为F；
步骤二：在通信系统发射端，将信道编码后的串行数据流串并转换得到并行数据流，每组数据流长度为比特；
步骤三：将步骤二所得并行数据进行调制，log2(M)比特数据用于激活子载波的索引位置选择，即将该部分数据信息承载在激活子载波的索引位置上；另一部分log2(M1)比特数据采用相位调制的方式转化为相位信息，调制在激活子载波上；同时为了最大限度地消除ISI，在映射的过程中引入分数阶域保护间隔，因此每组数据在完成所有数据映射后将激活个子载波；对步骤二中所得并行数据流分别做反分数阶傅里叶变换(InverseDiscrete Fractional Fourier Transform，IDFRT)，在IDFRT后将得到一组具有相同调频斜率，不同中心频率的LFM信号；
步骤四：将步骤三所得并行数据流分别加入循环保护前缀；
步骤五：将步骤四中加入循环前缀的并行数据流并串转换后通过换能器发射；
步骤六：接收端对经过水声信道后被水听器接收到的串行数据进行串并转换；
步骤七：对步骤六所得串并转换得到的并行数据流分别去除循环前缀；
步骤八：将步骤七中去除循环前缀后的并行数据流分别做傅里叶变换将时域数据转换为频域数据，在频域中采用最小均方差频域均衡(Minimum Mean Square Error,MMSE)对接收数据进行均衡后，通过反傅里叶变换将频域数据转换为时域信号；
步骤九：对步骤八所得时域信号做相对应阶数的分数阶傅里叶变换得到分数阶域信号，同时去掉分数阶域子载波间隔；
步骤十：对步骤九所得分数阶域信号搜索激活子载波的索引位置，从而反映射出索引位置所承载的数据信息；再对激活子载波所承载的相位信息进行相位调制解调，得到另一部分的数据信息；
步骤十一：对步骤十所得到的解调后的并行数据信息进行并串转换后输出。
实施例：
参照图1本发明所提基于索引调制的OCDM水声通信系统具体流程如下：
步骤一：确定单个符号子载波个数为N，索引调制阶数为M，相位调制阶数为M1，频域间隔为F。
步骤二：将待传输的串行数据流串并转换，每组数据长度为比特
步骤三：参照图2所示，log2M比特数据用于激活子载波索引位置的选择，即从M个子载波中激活一个子载波作为承载相位信息的激活子载波，之后将log2M1比特数据采用MPSK相位调制，将相位信息承载在已激活子载波上。因此当每组数据完成调制后，单个符号激活子载波数为个。
步骤四：在步骤三中为了有效地应对多径干扰，在频点映射过程中加入分数阶域保护间隔，即在映射过程中有效载波之间插入间隔。
步骤五：对步骤四添加了保护间隔后的并行数据分别进行N点IDFRT即可得到一组等间隔的正交LFM信号。本发明采用的DFRT算法为Ozaktas分解型算法。连续的分数阶傅里叶变换定义为：
式中p为分数阶傅里叶变换的阶数。Fα为分数阶傅里叶变换的算子，Fα[f(t)]即表示对函数f(t)做分数阶傅里叶变换。
Ozaktas算法通过对式(1)进行相应地分解，将连续分数阶傅里叶变换中的复杂积分形式转换为简单的形式，并结合香农内插公式，最后利用FFT计算得到DFRT的结果。因此该方法的计算复杂度基本与FFT相当，使得OCDM计算成本同OFDM几乎相同。
利用公式1对步骤2中映射后的信号δ(u-nsinα/T)做分数阶傅里叶逆变换后得到：
由上式得到，当对δ(u-nsinα/T)做IDFRT后将得到一组具有相同调频斜率、不同的中心频率、中心频率间隔为2π/T的LFM信号。因此本发明所发射的波形是一组正交LFM波形，其中各LFM波形的频率为：
同时由(2)式可以推导得到：
由(4)式可知，在做IDFRT后得到的一组LFM子载波之间同OFDM各子载波之间一样都是正交的。
步骤六：在接收端，本发明利用块状导频对信道进行估计，再将接收到的数据转到频域，之后利用最小均方差频域均衡(Minimum Mean Square Error,MMSE)去除信道作用。完成均衡后，通过反傅里叶变换将数据重新转到时域，并通过分数阶傅里叶变换完成子载波能量聚焦。其中MMSE均衡的均衡器系数为
上式中H为信道冲击响应，N0/(2Es)为信噪比。
步骤七：将步骤六中转化为分数阶域的信号去除子载波间隔；
步骤八：在步骤七之后参照图3IM-OCDM子载波分数阶傅里叶变换能量聚焦图，通过对能量聚焦后的激活子载波位置进行检测便能够得到相对应的索引信息，再对激活子载波进行相位解调得到相位的信息。
步骤九：最后将所解调出数据并串转换输出。
结合IM-OCDM系统流程图，利用具体实验示例进一步详细描述本发明：
本发明实例的仿真参数设置：其中带宽为4000Hz，中心载频为6000Hz，总载波个数为64，CP长度为16，索引调制的阶数为4，分数阶傅里叶变换的阶数为1.01。同时IM-OCDM的分数阶域间隔为1，OCDM的分数阶域保护间隔和OFDM的频域间隔均为2，从而IM-OCDM的有效载波数为16，OCDM与OFDM的有效载波数为32。该参数设置使得IM-OCDM、OCDM、OFDM的数据率均为3047bit/s。因此该实验能够在三种调制方式通信速率相同条件下进行性能对比实验。
参照图4为IM-OCDM、OCDM、OFDM在多径数为10的水声信道，噪声为高斯白噪声条件下的误码性能图。通过误码性能曲线的对比，可以证实IM-OCDM相比于OCDM和OFDM在因增加有效子载波间隔而提升系统性能的同时拥有与其他两者调制方式相同的通信速率。