一种基于被动时反技术的otfs水声通信方法
阅读说明：本技术 一种基于被动时反技术的otfs水声通信方法 (OTFS underwater acoustic communication method based on passive time reversal technology ) 是由 景连友 张娜敏 李明 殷洪玺 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及水声通信领域,具体涉及一种基于被动时反技术的OTFS水声通信方法。所述的通信方法步骤如下：将时延-多普勒域内的信号经过离散辛傅里叶反变换,得到时频域内的信号。利用水声通信发射机将时域信号经载波调制后发射。接收端：对接收换能器收到的信号进行预处理；对经过预处理后的接收信号进行OFDM解调；对时延-多普勒域内的接收信号进行信道估计；在时延-多普勒域内对接收信号进行二维被动时反处理。本发明的通信方法针对水声OTFS系统,提出一种二维被动时反方法来对时延-多普勒域内的二维信道进行压缩,能够实现时间、空间、频率上的聚焦,能有效降低后续均衡处理难度,提高系统的通信性能。(The invention relates to the field of underwater acoustic communication, in particular to an OTFS (optical transmission and reception) underwater acoustic communication method based on a passive time reversal technology. The communication method comprises the following steps: and performing inverse discrete Fourier transform on the signal in the delay-Doppler domain to obtain a signal in a time-frequency domain. And modulating the time domain signal by using an underwater acoustic communication transmitter and then transmitting. Receiving end: preprocessing signals received by a receiving transducer; OFDM demodulation is carried out on the preprocessed received signals; performing channel estimation on a received signal in a delay-Doppler domain; and performing two-dimensional passive time reversal processing on the received signal in a time delay-Doppler domain. The communication method of the invention provides a two-dimensional passive time reversal method for compressing a two-dimensional channel in a time delay-Doppler domain aiming at an underwater acoustic OTFS system, can realize focusing on time, space and frequency, can effectively reduce the difficulty of subsequent equalization processing, and improves the communication performance of the system.)
技术领域
本发明涉及水声通信领域，具体涉及一种基于被动时反技术的OTFS水声通信方法。
背景技术
随着对海洋资源的需求越来越强，人们对海洋的探索也越来越深入。对于探索海洋的过程中，水下通信是一项必不可少的技术。水声通信作为开展中、远程水下通信的唯一技术手段，受到了人们的广泛关注。相比于陆上的射频通信信道，水声信道具有时延扩展长、时变显著、多普勒效应严重以及可用带宽受限等特征，这些特征对实现高速率水声通信造成了很大的挑战。目前水声通信中常用的技术有：单载波时域均衡技术、单载波频域均衡技术、正交频分复用技术(OFDM)、Turbo均衡技术。单载波时域均衡技术虽然能够实现高速率通信但存在着接收机设计复杂度高、对参数敏感、不易实现的缺点。OFDM对长时延扩展信道具有较好的鲁棒性和较低的复杂度，在高速水声通信中得到了广泛的应用。OFDM调制的优点是符号能够在正交的子载波信道中不受干扰的传输。但是在时变信道中，子载波间的正交性会被破坏，存在子载波间干扰(ICI)，这会严重降低OFDM的性能。
近些年，研究人员提出OTFS调制。该调制适用于无线通信系统中的高速移动场景。OTFS调制的特点是它能够将时域中的时变信道转换到与时间无关的时延-多普勒域中。现有研究表明，在时变信道下，OTFS可以取得比OFDM更好的性能。但是，虽然在时延-多普勒域中的信道可以近似视为时不变的，仍然存在这符号间干扰。因此，OTFS系统依旧需要采用有效的信道均衡技术来消除干扰。
本发明将OTFS调制应用于水声通信中。但由于水声信道的长时延扩展，导致现有无线通信系统中的OTFS均衡技术的复杂度太高而无法实现。因此，本项目根据水声信道特点，提出一种用于水声OTFS系统的被动时反接收方法。
发明内容
本发明将正交时频空(OTFS)调制应用于水声通信中，并提出了适用于OTFS水声通信系统的二维被动时反(2D PTR)接收方法。该接收机能够在时延-多普勒域中对二维信道进行压缩。压缩后的信道可以等效为一个二维的冲激函数，能有效降低符号间干扰，降低后续均衡难度。
本发明的技术方案如下：
一种基于被动时反技术的OTFS水声通信方法，步骤如下：
第一步：发射端
1.1信息比特流经过QAM调制后，得到M*N个QAM符号，将其转换成M×N的矩阵，该信号矩阵即为时延-多普勒域中发射信号。
1.2将时延-多普勒域内的信号经过离散辛傅里叶反变换(ISFFT)，得到时频域内的信号。对时频域内的信号进行加窗处理。之后，对该信号进行OFDM调制，得到时域信号；
第二步：利用水声通信发射机将时域信号经载波调制后发射。
第三步：接收端
3.1.对接收换能器收到的信号进行预处理，预处理包括同步、下变频和抽样处理等；
3.2对经过预处理后的接收信号进行OFDM解调，转换到时频域。再通过离散辛傅里叶变换转换到时延-多普勒域；
3.3对时延-多普勒域内的接收信号进行信道估计；
3.4在时延-多普勒域内对接收信号进行二维被动时反处理；
所述的二维被动时反处理为：将二维接收信号与经过相位补偿后的二维反转信道进行二维卷积。
3.5对经过二维被动时反处理后的数据进行后续的均衡。
本发明的有益效果：
本发明的通信方法针对水声OTFS系统，提出一种二维被动时反方法来对时延-多普勒域内的二维信道进行压缩，能够实现时间、空间、频率上的聚焦，能有效降低后续均衡处理难度，提高系统的通信性能。
附图说明
图1是本发明的发射端结构示意图。
图2是本发明的接收端结构示意图。
图3是仿真信道的信道脉冲响应。
图4是仿真信道的散射函数图。
图5是仿真信道在时延-多普勒域的信道响应。
图6是仿真信道经过二维被动时反处理后等效信道图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步详细的描述。
本发明仅涉及通信系统中的基带调制阶段，因此着重讲述该部分方法，对于载波调制与解调阶段内容忽略。
发射端结构如图1所示。发射端主要由7个模块组成：QAM调制器、ISFFT模块、加窗函数模块、IFFT模块、添加循环前缀模块、并串转换模块和载波调制器。
发射端的具体实施方式包括以下分步骤：
T1.产生时延-多普勒域中发射信号；
信息比特数据经过QAM调制后，得到M*N个QAM符号，将其转换成M×N的矩阵XDD。XDD即为时延-多普勒域内的发射信号，XDD中的元素在时延-多普勒域中的对应位置为：
其中和分别表示时延域和多普勒域中的分辨率。
T2.利用离散辛傅里叶反变换(ISFFT)变换得到时频域信号；
对发射信号XDD做ISFFT处理，将其转换为时频域信号XFT，可表示为：
式中，和为傅里叶变换矩阵，(·)H表示Hermitian变换。
T3.时频域信号经过发送脉冲整形窗口；
信号XFT经过一个发射脉冲整形窗口在本发明中，WTx为一个值全为1的矩阵。
T4.离散傅里叶反变换；
对XFT做M点的IFFT后可以得到时域信号XT，表示为：
T5.加入循环前缀与并串转换；
为避免子块间干扰，对XT添加循环前缀(CP)：
XCP＝XTACP (4)
式中为添加CP矩阵，NCP为CP长度。接着，对XCP进行并串转换，得到时域中的OTFS发射信号：
x＝vec{XCP} (5)
T6.对数据x进行载波调制，并发送到水声信道中。
接收端结构如图2所示。接收端包括：预处理模块、串并转换模块、CP去除模块、FFT模块、加窗函数模块、SFFT模块、信道估计模块、二维被动时反处理模块和后续均衡模块，其中预处理模块包括同步、下变频和抽样等处理，主要是将接收到的通带信号变成基带信号，这里不进行描述。
R1.将接收信号进行串并转换，并移除CP：
在接收端，将第p个接收水声器接收到的信号yp转换到矩阵中：
Yp＝unvec(yp) (6)
将接收信号Yp中的CP去除得到时域中接收信号：
Yp T＝RCPYp (7)
式中，为移除CP矩阵。
R2.离散傅里叶变换：
对Yp T进行FFT处理，将其从时域转换为时频域，可表示为：
Yp FT＝FMYp T (8)
R3.接收窗函数与离散辛傅里叶变换(SFFT)：
时频域接收信号Yp FT同样经过一个值全为1的接收窗函数。接着，对接收信号Yp FT做SFFT得到时延-多普勒域中的接收信号，其可以表示为：
公式(9)中给出的时延-多普勒域中的接收信号，其可以表示为在时延-多普勒域中的发射信号XDD与带有相位补偿的信道的二维周期卷积。该关系可以表示为：
式中，为时延-多普勒域中的信道，为时延-多普勒域噪声。[·]M和[·]N分别表示对M和N取模处理。eφ(α,β)为时延-多普勒域中对信道的补偿相位，具体表示为：
式中，α＝(l-l')M，β＝(k-k′)N。
R4.在时延-多普勒域内对接收信号进行信道估计，得到估计后的信道信道估计方法可采用常规的信道估计算法。
R5.二维被动时反(2D PTR)处理；
首先定义一个二维信道经过时反后的信道其(l,k)元素与中元素的对应关系为：
那么，OTFS系统中二维被动时反处理相应地定义为：
式中，和分别表示第p个接收通道下时延-多普勒域中的接收信号与估计的时反信道，eφ(γ,η)是与时反信道对应的相位补偿。
将公式(10)代入公式(13)中，公式(13)可进一步表示为：
令eφ(γ,η)＝e-φ(α,β)，且
则公式(14)可以表示为：
式中，为每个信道自相关的求和，ζl,k为每个信道的滤波器噪声之和。
与传统的被动时反处理相似，二维被动时反的Q函数也近似为一个冲激函数，区别在于二维被动时反的Q函数是一个二维矩阵。因此，本发明所提的二维被动时反技术能够对信道进行压缩，具有对空间和时间聚焦的能力。图3为二维被动时反的结构框图，在图中我们使用符号代表二维周期卷积过程。
经过二维被动时反处理后，大部分的干扰已经被消除，由旁瓣产生的残余干扰需要后续的均衡器进一步消除。但此时残余干扰的均衡难度已经降低。
利用水声信道仿真软件得到时变水声信道来验证本发明提出的二维被动时反接收机的性能。在仿真中，设置水深在100m处，水源深度为20m。接收水听器为间距为8米的垂直阵列，接收阵元为6个，顶部的水听器位于水面以下40米。信号的中心频率和带宽分别为fc＝6kHz和B＝4kHz。发射机与接收机之间的距离设置为2.1km，船速设置为1.2m/s，扩频因子设置为1.7。顶部水听器的信道冲击响应与散射函数如图4所示。信道中最大信道延迟扩展约为20ms，多径6簇。
图5给出了单个通道在时延-多普勒域内的信道响应，图6给出了经过二维被动时反处理后的等效信道。通过两个图的对比可以看出，未处理的信道干扰范围大，干扰严重。而经过二维被动时反处理后的信道只有一个主峰，近似为冲激函数。因此，二维被动时反处理在时延-多普勒域内实现了对信道的压缩，提高了信噪比，可以降低后续均衡处理的难度。
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