一种水声ofdm接收机中时频域联合抑制ici的方法和系统
阅读说明：本技术 一种水声ofdm接收机中时频域联合抑制ici的方法和系统 (Method and system for inhibiting ICI (inter-carrier interference) by combining time domain and frequency domain in underwater sound OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) receiver ) 是由 李渝舟 黄运龙 邱吉慧 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水声OFDM接收机中时频域联合抑制ICI的方法和系统,属于水声无线通信技术领域。包括：利用分段快速傅里叶变换P-FFT中信号分段的方式,将一个OFDM块持续时间内的基带接收信号分段为多个非重叠短信号；借鉴分数快速傅里叶变换F-FFT在多个频率上进行傅里叶变换的思想,对每个分段后的非重叠短信号在载波频率和以特定基准偏移频率的分数倍偏移载波频率的多个频率上进行傅里叶变换,从而在每个载波处产生多个输出；将每个载波处的多个输出加权合并成一路,用于符号检测,并利用随机梯度算法求解和更新加权合并的权重。本发明通过结合了P-FFT和F-FFT的特点,联合时域和频域抑制ICI,在多普勒因子和载波数都较大的情况下,性能有显著的提升。(The invention discloses a method and a system for inhibiting ICI (inter-carrier interference) by combining time domain and frequency domain in an underwater sound OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) receiver, belonging to the technical field of underwater sound wireless communication. The method comprises the following steps: segmenting a baseband receiving signal in the duration of one OFDM block into a plurality of non-overlapping short signals by utilizing a signal segmentation mode in segmented fast Fourier transform (P-FFT); taking into account the idea that fractional fast fourier transform F-FFT performs fourier transform on multiple frequencies, fourier transforming each segmented non-overlapping short signal on a carrier frequency and multiple frequencies that shift the carrier frequency by a fraction of a specific reference shift frequency, thereby producing multiple outputs at each carrier; and combining a plurality of output weights at each carrier into a path for symbol detection, and solving and updating the weights of the weighted combination by using a random gradient algorithm. The invention combines the characteristics of P-FFT and F-FFT, and inhibits ICI by combining the time domain and the frequency domain, and the performance is obviously improved under the condition that both Doppler factors and the number of carriers are large.)
技术领域
本发明属于水声无线通信技术领域，更具体地，涉及一种水声OFDM接收机中时频域联合抑制ICI的方法和系统。
背景技术
海洋占据了地球71％的表面积，蕴含了丰富的矿产资源、化学资源、生物资源和动力资源，探索和开发海洋这一人类未来生存发展的重要空间，已经成为一项全球性的共识。高速水声通信技术作为实现水下海量信息传输，构建智慧海洋网络的关键技术，在各类军用，民用和商用海事活动中均扮演着至关重要的角色。然而，由于声波的低速传播特性和恶劣的水下环境，水声信道相比地面无线电信道具有传播速度慢，多径时延扩展强，多普勒频移严重，可用带宽极其有限的特点。因此，设计和部署高速水声通信系统面临诸多挑战。
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)这一多载波技术，将高速串行传输的数据流转换为低速并行传输的数据流，可以有效对抗由多径效应引起的时延扩展。另一方面，OFDM允许载波间频谱重叠，提升了频谱效率。由于OFDM具有这些技术优势，能有效地解决上述水声信道带来的部分挑战，从而被认为是实现高速水声通信的一种标准技术。为了从接收信号中恢复出数据符号，OFDM系统通常需要在接收机使用相干检测技术或差分相干检测技术。
对于使用相干检测技术的OFDM系统，需要先进行信道估计，从而根据获取的信道状态信息消除信道对信号的影响，进而从接收信号中恢复出数据符号。而对于使用差分相干检测技术的OFDM系统，则是通过在发射机对数据符号进行差分编码，在接收机利用相邻载波间的相干性，以差分的方式检测出数据符号，消除了信道估计的必要。然而，由于声波在水下的低速传播特性，水声信道通常具有强烈的多普勒效应。进一步地，在由多普勒频移扩展引起的载波间干扰(Inter-Carrier Interference,ICI)没有得到有效抑制的情况下，OFDM载波间的正交性将被严重破坏，上述两种检测方法的性能也会大幅下降，甚至不能正常工作。
因此，一种性能优良的水声OFDM系统ICI抑制方法亟待研究。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种水声OFDM接收机中时频域联合抑制ICI的方法和系统，称之为分段-快速傅里叶变换(Partially-Shifted FastFourier Transform,PS-FFT)，其目的在于结合了分段快速傅里叶变换(Partial FastFourier Transform,P-FFT)和分数快速傅里叶变换(Fractional Fast FourierTransform,F-FFT)，联合时域和频域抑制ICI。以差分相干检测系统为例，本发明在多普勒因子和载波数都较大的情况下，性能有显著的提升。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种水声OFDM接收机中时频域联合抑制ICI的方法，该方法包括：
S1.利用分段快速傅里叶变换P-FFT中信号分段的方式，将一个OFDM块持续时间内的基带接收信号分段为多个非重叠短信号；
S2.借鉴分数快速傅里叶变换F-FFT在载波频率和以载波间隔的分数倍偏移载波频率的多个频率上进行傅里叶变换的思想，对每个分段后的非重叠短信号在载波频率和以特定基准偏移频率的分数倍偏移载波频率的多个频率上进行傅里叶变换；
S3.将当前载波处的多个输出加权合并成一路，用于符号检测，并更新出下一个载波处加权合并的权重，依次进行，直到检测完所有的载波。
更新方式可以是随机梯度算法或者牛顿法等方法。通过使用随机梯度算法等方法求解得到合适的权重后，再进行加权合并时才能有效抑制ICI。具体地，加权合并和更新权重的过程在各个载波上逐次进行，在第一个载波处用一个预先设定的初始化权重进行加权合并，然后利用随机梯度算法等方法更新出第二个载波处的权重。第二个载波处进行加权合并时，使用第一个载波处更新出的权重，然后再利用随机梯度算法等方法更新出第三个载波处的权重……依次下去，直到检测完所有的载波。
优选地，步骤S1具体如下：将基带接收信号v(t)乘以一系列互不重叠的矩形窗函数φa(t)，得到A个分段后的信号va(t)＝v(t)φa(t)，a＝0,1,…,A-1。
优选地，矩形窗函数φa(t)具体如下：
优选地，步骤S2具体如下：
将va(t)按2B个预先设定的频率进行频移，得到2B个频移后的信号，其中，b＝±1,±2,…,±B，与原来未频移的信号va(t)共同构成(2B+1)个信号va,b(t)，b＝0,±1,±2,…,±B，表示为：
再对每一个va,b(t)进行傅里叶变换
其中，fe为基准偏移频率，B表示单边偏移频率个数，k表示载波序号，Δf表示载波间隔。
优选地，步骤S3包括以下步骤：
将同一载波k处，具有相同索引a的所有(2B+1)个输出zk,a,b排列成列向量zk,a＝[zk,a,-B,…,zk,a,-1,zk,a,0,zk,a,1,…,zk,a,B]T，再将同一载波k处，所有A个列向量zk,a进一步排列成列向量最后用一个长度与zk相等的列向量wk的共轭转置乘以zk得到合并后的符号xk：
优选地，步骤S3还包括：
对合并后的信号进行差分相干检测得到检测符号对检测符号进行符号判决得到判决符号
优选地，所述利用缩放后的梯度更新出下一个载波处的权重具体包含以下步骤：
先计算出原始梯度gk，gk的计算表达式具体如下：
其中，
将原始梯度gk乘以|xk-1|进行缩放，得到缩放后的梯度
当|ek|和的数值分别小于对应的预先设定的阈值eth和gth时，利用缩放后的梯度和预先设定的步长系数μ更新出下一个载波处的权重wk+1：
如果不满足上述阈值条件，不更新权重，即下一个载波的权重与当前载波处的权重相同：
wk+1＝wk。
优选地，步骤S3还包括：
对合并后的信号进行相干检测得到检测符号对检测符号进行符号判决得到判决符号
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种水声OFDM接收机中时频域联合抑制ICI的系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行第一方面所述的水声OFDM接收机中时频域联合抑制ICI的方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
本发明结合了P-FFT和F-FFT的特点，设计出了一种新的ICI抑制方法，称之为PS-FFT。一方面，采用P-FFT中信号分段的方式，将基带接收信号分段成多个非重叠的短信号，由于在分段之后的较短时间间隔内，信道变化小于在分段之前的较长时间间隔内的变化，从而在时域上减小信道的时变性，从时域的角度抑制了ICI；另一方面，借鉴F-FFT在载波频率和以载波间隔的分数倍偏移载波频率的多个频率上进行傅里叶变换的思想，对信号在载波频率和以特定基准偏移频率的分数倍偏移载波频率的多个频率上进行傅里叶变换，等效为将信号先按多个频率进行频移，再对这些信号在载波频率上进行傅里叶变换(解调)，根据系统的多普勒频移的数值大小，合理设置基准偏移频率fe，可有效补偿大于的多普勒频移，从频域的角度抑制了ICI。将二者结合起来，能联合时域和频域抑制ICI。本发明在多普勒因子和载波数都较大的情况下，性能有显著的提升。
附图说明
图1为本发明提供的接收机结构框图；
图2为本发明进行测试的仿真水声信道的路径增益图；
图3为本发明与现有方法在差分相干检测系统中的MSE性能随多普勒因子变化的测试结果图；
图4为本发明与现有方法在差分相干检测系统中的MSE性能随信噪比变化的测试结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种水声OFDM接收机中时频域联合抑制ICI的方法依托于一个具体的水声OFDM系统，从发射机数据比特到接收机数据比特的端到端系统流程，具体包括以下处理：
步骤一，对于差分相干检测系统，在发射机，对原始数据比特依次进行Q阶相移键控(Phase-Shift Keying,PSK)调制、差分编码、逆傅里叶变换得到基带时域传输信号s(t)。而对于相干检测系统，在发射机，对原始数据比特依次进行Q阶相移键控调制、逆傅里叶变换得到基带时域传输信号s(t)。
具体地，在差分相干检测系统中，对原始数据比特进行能量归一化的Q阶PSK调制产生的原始数据符号bk属于星座符号集合其中，集合中元素aq＝ej2πq/Q,q＝0,1,…,Q-1。
对bk按照公式(1)所示的编码规则进行差分编码，得到实际搭载到每个载波上传输的差分符号dk；
其中，K是OFDM系统载波数目。
进一步地，对dk进行逆傅里叶变换得到基带时域传输信号s(t)涉及如(2)所示的变换公式。
其中，T是OFDM块持续时间，fk＝f0+kΔf是第k路载波的频率，f0是最低载波频率，Δf是载波间隔。在数字系统中，式(2)可以通过相应的逆快速傅里叶变换(Inverse FastFourier Transform,IFFT)来实现。
特别地，在相干检测系统中，除了没有公式(1)所示的差分编码步骤外，其他步骤与上述差分相干检测系统中的步骤相同。
步骤二，发射机对基带时域传输信号s(t)添加循环前缀，并进行上变频得到射频传输信号，经过水声信道传输后到达接收机，接收机对接收到的射频信号进行重采样，下变频和去除循环前缀得到基带接收信号v(t)。
步骤三，如图1所示，在接收机，对一个OFDM块持续时间内的基带接收信号v(t)进行先分段，然后在多个预先设定的频率上进行傅里叶变换，从而在每个载波处将产生多路解调输出zk,a,b。
具体地，对基带接收信号v(t)进行分段的步骤等效为将v(t)乘以式(4)所示的一系列互不重叠的矩形窗函数φa(t)，得到A个分段后的信号va(t)：
va(t)＝v(t)φa(t),a＝0,1,…,A-1 (3)
其中，函数
然后，对分段后的信号va(t)在多个预先设定的频率上进行傅里叶变换的步骤等效为：
先将va(t)按2B个预先设定的频率b＝±1,±2,…,±B进行频移，得到2B个频移后的信号，与原来未频移的信号va(t)共同构成(2B+1)个信号va,b(t)，表示为：
再对每一个信号va,b(t)进行傅里叶变换得到多路解调输出zk,a,b涉及如(6)所示的变换公式。
式(6)所示的傅里叶变换表达式是连续形式的，数字系统中可以用相应的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)来实现。
步骤四，在接收机，将每个载波处的A(2B+1)个解调输出zk,a,b加权合并成一路信号xk。
具体地，首先，将同一载波k处，具有相同索引a的所有(2B+1)个解调输出zk,a,b排列成列向量zk,a：
zk,a＝[zk,a,-B,…,zk,a,-1,zk,a,0,zk,a,1,…,zk,a,B]T (7)
然后，再将同一载波k处，所有A个列向量zk,a进一步排列成列向量zk：
最后，再用一个长度与zk相等的列向量wk的共轭转置乘以zk得到加权合并后的符号xk：
步骤五，对于差分相干检测系统，在接收机，对合并后的符号xk依次进行差分相干检测、符号判决和Q阶相移键控解调得到接收数据比特。对于相干检测系统，在接收机，对合并后的符号xk依次进行相干检测、符号判决和Q阶相移键控解调得到接收数据比特。
具体地，在差分相干检测系统中，利用当前符号xk和前一个符号xk-1之间的相干性进行差分相干检测得到检测符号的公式表示为：
然后对检测符号进行符号判决得到的具体方法是通过计算和PSK星座图上的点aq之间的均方误差，找到使得该均方误差最小的aq，即为判决结果具体计算公式表示为：
特别地，在相干检测系统中，(10)所示的在差分相干检测系统中检测出的公式需要替换成在相干检测系统中的公式，其他步骤与上述差分相干检测系统中的步骤相同。
步骤六，在接收机，利用随机梯度算法求解和更新加权合并的权重。
具体地，在差分相干检测系统中，按公式(12)所示的方式计算检测符号和判决符号之间的均方误差|ek|2：
并做一步近似：
再对均方误差|ek|2计算关于权重向量wk的复共轭的偏导，求解结果表示为：
其中，
对求导结果取相反数，得到原始梯度gk：
对求得的原始梯度gk乘以|xk-1|进行缩放，得到缩放后的梯度
最后，根据误差ek的模的大小和原始梯度向量gk中数据的大小以及测试经验，合理设置两个阈值eth和gth，当误差ek的模|ek|和原始梯度gk的内积同时满足式(17)和(18)所示的条件时，按梯度和预先设定的步长系数μ更新用于下一个载波处加权合并的权重向量wk，如式(19)所示：
|ek|<eth (17)
如果不满足上述阈值条件，不更新权重，即下一个载波处的权重与当前载波处的权重相同：
wk+1＝wk (20)
其中，需要特别说明的是，更新权重的算法分为训练模式和判决驱动模式。在发射机，是将一帧数据的前若干个载波上的数据符号设置为导频，即这些符号对于接收机是已知的。接收机逐符号进行检测，最先检测到的是放在数据帧最前面的导频符号，此时算法工作于训练模式，在计算式(12)所示的均方误差时，是将设置成发射机的符号bk。在完成导频符号处的检测后，算法进入判决驱动模式，的值为检测符号的判决结果。
特别地，在相干检测系统中，由于检测出的公式与差分相干检测系统中的公式(10)不一样，相应地，通过得到的均方误差|ek|2，梯度gk等结果的表达式也与(12)，(13)等公式中的结果不一样。其他步骤与上述差分相干检测系统中的步骤相同。
图2为用于测试的仿真水声信道的路径增益图，分别采用Single-FFT、P-FFT、F-FFT和本发明方法在如图2所示的仿真水声信道环境中进行端到端的OFDM系统仿真测试，以展示不同方法在差分相干检测系统中，抑制ICI的性能，测试结果如图3和图4所示，其中，图3为MSE性能随多普勒因子变化的测试结果图，图4为MSE性能随信噪比变化的测试结果图。
通过仿真实验结果，本发明实现的PS-FFT技术，相比P-FFT和F-FFT技术，在同时具有大载波数和大多普勒因子的差分水声OFDM系统中体现出了比较显著的均方误差(MeanSquare Error,MSE)性能优势。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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