多载波非相干水声通信的频响估计及信号传输方法、系统
阅读说明：本技术 多载波非相干水声通信的频响估计及信号传输方法、系统 (Frequency response estimation and signal transmission method and system for multi-carrier incoherent underwater acoustic communication ) 是由 武岩波 朱敏 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了多载波非相干水声通信的频响估计及信号传输方法、系统。本发明利用对控制信息进行编码后的码字恒重的特性,对子载波的幅度频率响应进行初步的估计,通过深度神经网络对所有频点的幅频响应进行联合优化估计,之后进行根据各频点的幅频响应幅度对各个符号进行后验概率估计,获得比特对数似然序列,用于信道纠错码译码。本发明提高了非相干水声通信的传输速率、降低其对每比特能耗的要求。(The invention discloses a frequency response estimation and signal transmission method and system for multi-carrier incoherent underwater acoustic communication. The invention uses the character of code word constant weight after coding the control information to carry out preliminary estimation to the amplitude frequency response of the sub-carrier wave, carries out joint optimization estimation to the amplitude frequency response of all frequency points through a deep neural network, and then carries out posterior probability estimation to each symbol according to the amplitude frequency response amplitude of each frequency point to obtain a bit log likelihood sequence for decoding the channel error correcting code. The invention improves the transmission rate of the incoherent underwater acoustic communication and reduces the requirement on the energy consumption of each bit.)
技术领域
本发明属于水声通信领域，具体地，针对多载波非相干水声通信的频点分配、幅频响应估计及高阶调制，涉及多载波非相干水声通信的频响估计及信号传输方法、系统。
背景技术
在海底观测无线网络中，采用水声通信的方式实现固定观测潜标、移动观测潜水器、无线中继潜标和无线网关之间的数据和指令传输。其中，非相干通信由于采用简单的能量检测方式，不需要跟踪快速变化的相位，具有无需导频开销、受多普勒效应影响小等优势。由于采用多载波并行传输方式，具有较强的抗多径的能力。非相干通信在无线拓展系统中是最常用的传输体制，负责网络控制指令传输及大量的传感器数据的回传。非相干通信的错误率、传输速率和每比特能耗等技术指标直接决定着整个无线拓展网络的工作性能和生存周期。由于水声信道的多径严重，造成信道具有严重的频率选择性，现有的算法通常避免对各频点的幅度响应的估计，而是在发端采用恒重码字及开关键控(OOK，On-offkeying)的方式将信息序列调制到多个子载波上，接收端采用能量合并的检测方式。
现有的非相干水声通信方案中每个子载波最多只能携带编码后的1个比特，同时恒重码的使用进一步降低了通信速率，并且由于没有区分不同载波的频响差异，造成低信噪比时译码错误率高。
发明内容
本发明的目的在于提高非相干水声通信的传输速率、降低其对每比特能耗的要求。
为实现上述目的，本发明提供了一种多载波非相干水声通信的频响估计及信号传输方法，传输的每个数据包包括控制信息和数据信息，所述方法包括步骤：
发射端控制信息编码调制的步骤：
将表示控制信息的控制信息序列进行对偶K码和恒重码两级级联编码，恒重码编码后的码字再进行开关键控OOK调制，控制信息比特经编码调制后用于多载波传输；
发射端数据信息编码调制的步骤：
将表示数据信息的数据信息序列进行turbo码编码及交织，交织后的比特流进行多进制转换及幅移键控ASK调制，数据信息比特经编码调制后用于多载波传输；
发射端组包的步骤：
编码调制后的控制信息和数据信息通过逆傅立叶变换IFFT实现多载波并行传输，其中，同一恒重码码字经开关键控OOK调制后得到的信号由同一子载波传输，以保证子载波在整个控制信息传输中分配的能量相等；逆傅立叶变换IFFT之后的时域波形包括控制信息块和数据信息块；为提高抗多径能力，在逆傅立叶变换IFFT后的时域波形中插入循环前缀，组帧并在每个帧前后的插入同步信号，同步信号采用线性调频信号，每个同步信号的前后留有间隔，多个帧组成一个数据包，进而完成发射信号的生成；
接收端同步、频点幅度获取及控制信息译码的步骤：
接收端接收经水声信道传输而来的信号，通过对线性调频信号的检测，完成时间同步、平均多普勒补偿，得到载波幅度，载波幅度包括控制信息载波幅度和数据信息载波幅度两部分，之后进行傅立叶变换FFT并求模，得到控制信息载波幅度序列和数据信息载波幅度序列，然后对得到的控制信息载波幅度序列，先进行恒重码平方率软判决检测，之后进行对偶K码的多进制Viterbi译码，获得译码后的控制信息序列，然后将译码得到的控制信息序列进行发射端相同的对偶K码和恒重码级联编码，获得控制信息发射幅度估计序列；
幅频响应估计的步骤：
根据收到的控制信息载波幅度序列和恢复出的控制信息发射幅度估计序列，首先，将所有接收到的发射幅度为零的控制信息子载波符号进行能量平均，获得噪声方差估计，然后对接收到的同一子载波的发射幅度非零的控制信息子载波符号进行能量平均，并减去噪声方差估计，得到各个子载波的信道幅频响应估计，根据所有子载波的信道幅频响应估计得到幅频响应矢量；
基于幅频响应估计的ASK检测及turbo译码的步骤：
对数据信息载波幅度序列，基于信道幅频响应估计求得ASK符号携带的各个比特的对数似然比，将各ASK符号的各比特对数似然比经解交织后作为turbo译码器的输入，经过迭代及硬判决后，恢复数据信息序列，完成传输。
进一步的，所述幅移键控ASK调制采用格雷码映射并进行平均能量归一化，根据ASK阶数采用相应的幅移键控ASK幅度调制映射表。
进一步的，所述幅频响应估计的步骤中，在得到幅频响应矢量之后，通过深度神经网络DNN对幅频响应矢量进行优化调整。
进一步的，深度神经网络DNN包含两级隐藏层，隐藏层的激活函数选取Relu函数，优化时以均方误差作为性能损失函数。
本发明还提供了一种多载波非相干水声通信发送设备，包括：
控制信息编码调制模块，该模块将表示控制信息的控制信息序列进行对偶K码和恒重码两级级联编码，恒重码编码后的码字再进行开关键控OOK调制，控制信息比特经编码调制后用于多载波传输；
数据信息编码调制模块，该模块将表示数据信息的数据信息序列进行turbo码编码及交织，交织后的比特流进行多进制转换及幅移键控ASK调制，数据信息比特经编码调制后用于多载波传输；
组包模块，该模块将编码调制后的控制信息和数据信息通过逆傅立叶变换IFFT实现多载波并行传输，其中，同一恒重码码字经开关键控OOK调制后得到的信号由同一子载波传输，以保证子载波在整个控制信息传输中分配的能量相等；逆傅立叶变换IFFT之后的时域波形包括控制信息块和数据信息块；为提高抗多径能力，在逆傅立叶变换IFFT后的时域波形中插入循环前缀，组帧并在每个帧前后的插入同步信号，同步信号采用线性调频信号，每个同步信号的前后留有间隔，多个帧组成一个数据包，进而完成发射信号的生成。
进一步的，所述幅移键控ASK调制采用格雷码映射并进行平均能量归一化，根据ASK阶数采用相应的ASK幅度调制映射表。
本发明还提供了一种多载波非相干水声通信接收设备，包括：
同步、频点幅度及控制信息译码模块，该模块接收经水声信道传输而来的信号，通过对线性调频信号的检测，完成时间同步、平均多普勒补偿，得到载波幅度，载波幅度包括控制信息载波幅度和数据信息载波幅度两部分，之后进行傅立叶变换FFT并求模，得到控制信息载波幅度序列和数据信息载波幅度序列，然后对得到的控制信息载波幅度序列，先进行恒重码平方率软判决检测，之后进行对偶K码的多进制Viterbi译码，获得译码后的控制信息序列，然后将译码得到的控制信息序列进行发射端相同的对偶K码和恒重码级联编码，获得控制信息发射幅度估计序列；
幅频响应估计模块，该模块首先，将所有接收到的发射幅度为零的控制信息子载波符号进行能量平均，获得噪声方差估计，然后对接收到的同一子载波的发射幅度非零的控制信息子载波符号进行能量平均，并减去噪声方差估计，得到各个子载波的信道幅频响应估计，根据所有子载波的信道幅频响应估计得到幅频响应矢量；
基于幅频响应估计的ASK检测及turbo译码模块，该模块对数据信息载波幅度序列，基于信道幅频响应估计求得ASK符号携带的各个比特的对数似然比，将各ASK符号的各比特对数似然比经解交织后作为turbo译码器的输入，经过迭代及硬判决后，恢复数据信息序列，完成传输。
进一步的，所述接收设备还包括幅频响应优化模块，该模块通过深度神经网络DNN对幅频响应估计模块得到幅频响应矢量进行优化调整。
进一步的，深度神经网络DNN包含两级隐藏层，隐藏层的激活函数选取Relu函数，优化时以均方误差作为性能损失函数。
本发明还提供了一种多载波非相干水声通信的频响估计及信号传输系统，其特征在包括发送设备和接收设备，其中，发送设备采用如权利要求上述发送设备，接收设备采用上述接收设备。
有益效果
本发明提高了非相干水声通信的传输速率、降低其对每比特能耗的要求，具体来说：
(1)本发明在幅频响应的估计中采用控制帧的波形进行估计，无需设置专用的训练导频，能避免导频开销。
(2)由于求模值计算的非线性影响，传统的线性最小均方误差信道估计算法不适用非相干水声通信，本发明在幅频响应的估计中先利用平均能量的方法，以低的计算复杂度合并多个符号时间的幅频估计，并且采用深度神经网络的方式进一步优化，利用各频点的幅频响应之间的非线性相关性，提高频响估计的精度，同时不依赖信道模型。
(3)本发明在获得各频点的幅频响应之后，对各频点的调制信息检测更加准确，可采用高阶幅度键控(ASK，amplitude shift keying)的调制方式提高信道利用率，并且无需导频开销。
(4)本发明对各载波上调制信息的检测形式是基于后验概率的对数似然比，相对于传统的能量检测，更适用于turbo译码器对比特信息形式的要求。
附图说明
图1为本发明多载波非相干水声通信的频响估计及信号传输方法原理框框图；
图2为本发明中发射包组成结构示意图；
图3为本发明中频响估计效果与真值的仿真对比图；
图4为在不同频响估计及检测方式下，译码迭代次数与误比特率的关系曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
本发明基于可用于子载波幅度检测的发射波形生成方案、接收端对各子载波准确的幅度响应估计、以及对各载波上的信息进行后验概率检测，提出了多载波非相干水声通信的频响估计及信号传输方法、系统及其发射设备和接收设备。
本发明利用对控制信息进行编码后的码字恒重的特性，对子载波的幅度频率响应进行初步的估计，通过深度神经网络对所有频点的幅频响应进行联合优化估计，之后进行根据各频点的幅频响应幅度对各个符号进行后验概率估计，获得比特对数似然序列，用于信道纠错码译码。
本发明的多载波非相干水声通信的频响估计及信号传输方法，包括：
发射端控制信息编码调制的步骤：
发射信号流程如图1所示。每个发送包需要传输控制信息和数据信息两部分内容。控制信息比特数量为NCtrl，所有控制信息比特记为经过对偶K码编码后，得到编码的多进制序列为其中RDual为对偶K码的码率，NCWI为后级恒重码编码每个分组的输入比特数目。NCWO为恒重码编码分组的输出比特数目。恒重码映射矩阵记为即当恒重码映射输入的多进制取值为i时，映射输出的二进制序列的第j位结果为矩阵采用Hadamard矩阵生成，恒重码出现1的概率为恒重码编码码率为控制信息比特经过对偶K和恒重码级联编码，在OOK调制后，采用多载波传输的方式，NCarrier为并行的多载波个数。同一恒重码码字由同一子载波传输，以保证子载波在整个控制信息传输中分配的能量相等。第i个子载波的第j个多载波符号的幅度为：
其中，0≤i＜NCarrier，0≤j＜NCtrlSymb，为向下取整函数，且控制信息传输使用的多载波符号个数为
发射端数据信息编码调制的步骤：
待传输的数据信息比特记为其中NData为数据信息比特的个数。经turbo码编码及交织后，获得的比特矢量为其中为turbo编码输出比特数，RTurbo为turbo编码的码率。
将编码及交织后比特流进行多进制序列转换，得到
其中NASK为每个ASK符号携带的比特数，对于不同的ASK阶数，采用格雷码映射并进行平均能量归一化，得到的ASK幅度映射(调制)表，1到3阶的映射表格如下：
其中表示输入*时，输出的ASK幅度。
携带数据信息编码的第i个子载波第j个多载波符号的幅度为：
其中，0≤i＜NCarrier，0≤j-NCtrlSymb＜NDataSymb，且数据信息传输所使用的多载波符号的个数为
发射端的组包的步骤:
发送包的组成结构如图2所示，控制信息和数据信息经过编码和映射后，通过逆傅立叶变换(inverse Fast Fourier Transform,IFFT)实现多载波方式并行传输。最低和最高的子载波频率分别为fL和fH，子载波间隔为fδ。子载波的有效长度为Tδ。前面的控制信息块部分的多载波符号携带控制信息，后面的数据信息块的多载波符号携带数据信息。同一个多载波符号包含多个子载波，它们携带同一类型的信息。为了提高克服多径的能力，在时域波形中插入循环前缀，其长度为Tg。一个帧内包含NSymbPerFrm个多载波符号，每个帧前后的插入同步信号，进而完成发射信号的生成。同步信号采用线性调频的形式，其最低频率和最高频率分别为f0和f1，持续长度为TSync。每个同步信号的前后留有的空白长度为TGap。每个帧的长度为TFrm。根据发送包中帧的个数及帧长，得到包的传输长度为Tpacket。
接收端同步、频点幅度获取及控制信息译码的步骤：
接收端的信号流程如图1所示。通过对线性调频信号的检测，完成时间同步、平均多普勒同步，进行傅立叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)计算，获得整个包内的第i个子载波第j个符号的幅度为y(i，j)，其中，0≤i＜NCarrier，0≤j＜NCtrlSymb+NDataSymb。其仿真生成模型表示为
y(i，j)＝|h(i)x(i，j)+w(i，j)|
其中h(i)为第i个子载波的幅频响应,为待估计量，w(i，j)为对应子载波处的加性噪声。根据接收到的携带有控制信息的载波幅度，首先对恒重码进行传统的平方率软判决检测，之后进行对偶K码的多进制Viterbi译码，获得译码后的控制信息序列将译码得到的控制信息序列进行发送端相同的对偶K码和恒重码级联编码，获得控制信息中的第i个子载波第j个符号的幅度的发射幅度估计，即其中0≤i＜NCarrier，0≤j＜NCtrlSymb。
幅频响应估计的步骤及其基于深度神经网络的改善估计
根据控制信息的接收幅度序列及接收端恢复出的控制信息发射幅度估计，首先将接收到的发射幅度为0的子载波符号进行能量平均，获得噪声方差估计为
然后，对每个子载波，将接收到的发射幅度非0的子载波符号的能量进行平均，并减去噪声方差，得到第i个子载波的信道幅频响应估计为
通过深度神经网络(deep neural network,DNN)对幅频响应矢量进行调整，输入幅频响应矢量和输出幅频响应矢量分别记为
DNN内部包含两级隐藏层，隐藏层的激活函数选取ReLu函数，记为fReLu(·)。因而DNN的输出矢量可表示为：
其中{W0，b0，W1，b1，W2，b2}为各级加权矩阵和偏置矢量，通过Adam工具训练优化获得这些参数，优化时以均方误差作为性能损失函数。
基于幅频响应估计的ASK检测及turbo译码的步骤：
对携带数据信息的第i个子载波的第j个符号(0≤i＜NCarrier，NCtrlSymb≤j≤NCtrlSymb+NDataSymb)，其ASK幅度为的后验概率正比于非中心化参数为尺度参数的莱斯分布概率密度，即
其中莱斯分布的概率密度函数为
并且I0(·)为0阶第一类修正贝塞尔函数。此ASK符号携带的第n个比特的对数似然比为
其中为求ASK符号对应的整数m的第n位比特，求解过程为 为向下取整函数。将各ASK符号的各比特对数似然比经解交织后作为turbo译码器的输入，经过多次迭代及硬判决后，恢复数据信息比特流，即完成传输过程。
本发明中所用到的典型参数及其取值如下所示：
根据以上参数，进行了多径信道下的性能仿真。信道多径采用独立不相关瑞利分布，多径扩展长度为0.625ms，并用于生成用于DNN训练的频率响应样本。图3给出了不同方法获得的频响对比。包括真实频响、利用控制信息的频点进行平均能量估计获得的幅频响应估计，及经过DNN调整后的幅频估计，可看出DNN调整之后更接近真实值。
数据信息的编码器采用1/3码率的turbo码，其分量码为生成多项式为[37,21]的递归系统卷积码。图4给出了4阶ASK的不同检测方式下，不同译码迭代次数与误比特率(biterror rate,BER)的关系曲线。所用的信噪比为10dB。其中，传统方法中的无频响估计的瑞利分布ASK检测方式，增加迭代次数，BER不能改善，说明采用传统的非相干技术不能进行高阶调制的可靠传输。通过本发明提出的基于控制信息恒重码的频响估计之后，基于莱斯分布假设的高阶ASK检测变得可信。对于两种不同的频响估计方式，均可通过多次迭代BER得到改善。采用DNN调整频响估计后，系统的BER更低。
基于相同的发明构思，本发明具体实施方式还提供了多载波非相干水声通信的频响估计及信号传输系统及该系统中的发射设备和接收设备。发送设备包括控制信息编码调制模块、数据信息编码调制模块和组包模块。接收设备包括同步、频点幅度及控制信息译码模块，幅频响应估计模块，幅频响应优化模块，基于幅频响应估计的ASK检测及turbo译码模块。这些模块及组成的相应设备完成上述本发明多载波非相干水声通信的频响估计及信号传输方法的相应功能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。