一种应用于远程水声信道的分组扩频ofdm通信方法
【专利摘要】一种应用于远程水声信道的分组扩频OFDM通信方法，从海水吸收性出发，以传统OFDM技术为基础，根据不同频率处的海水吸收衰减对OFDM子载波进行分组，将OFDM中若干个连续的子载波传输一个或几个信息符号来提高每一个信息符号的发射功率，以补偿不同频率处由海水吸收性造成的功率损失，从而改善系统的误码率性能。在发送端对数据依次进行信道编码和分组扩频OFDM调制处理，在接收端对数据依次进行分组扩频OFDM解调和信道译码处理。相比于传统的OFDM系统,本发明具有低信噪比环境下系统误码率性能较好的优点。
【专利说明】一种应用于远程水声信道的分组扩频OFDM通信方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种OFDM水声通信方法，尤其是采用一种分组扩频OFDM通信方法进行远距离水声通信，属于水声信号处理【技术领域】。
【背景技术】
[0002]正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波调制技术，该技术不仅有着很高的频带利用率，而且有很强的抗ISI能力，可以很好的克服多径效应。OFDM技术的基本思想是将一个频率选择性衰落信道分割成多个并行的平坦衰落信道。目前OFDM技术已经被广泛应用于各个通信领域，如广播式的音频、无线局域网(WLAN)、长期演进技术(LTE)和超宽带通信(UffB)等新一代无线通信技术。从上世纪90年代中后期开始，逐渐有人开始了将OFDM技术应用于水声通信的研究，但是大多数都集中在中近程水声通信，对其在远程水声通信中的应用研究较少。
[0003]最早的关于扩频技术和OFDM技术结合的研究出现在1993年9月，Berkeley大学的 Linnartz、Fettweis 和德国的 Fazel、Papke 分别提出 MC-CDMA 方案。MC-CDMA 是一种多载波频域扩频系统，在发射端将发送数据通过复制器并且串并转变成N路相同的并行信号，然后每一路分别乘以扩频码的一个码元，再调制到多个子载波上，最后将N路信号相加得到发送信号。多载波扩频系统是通过在频域进行扩频，得到频率分集带来的增益，从而有很好的抗多径衰落能力。
[0004]海水对声波的吸收性是造成远程水声通信困难的主要原因之一，随频率和传播距离增大而增大的信号衰减导致传统OFDM系统很难实现可靠的远程水声通信。在进行近距离和中等距离OFDM水声通信时，海水吸收性对系统误码率性能的影响较小，而当传输距离较大时，海水吸收性随着距离增增大而变强，系统误码率性能急剧下降，接收端无法正确接收信息。导致误码率降低的主要是由于当传输距离较大时，经过海水信道到达接收端的发送信号衰减很大，高频部分的信号甚至完全淹没在噪声中。因此，要想提高水下远距离通信质量，需要采取相关技术来补偿由海水吸收性造成的随频率变化的信号衰减，使得信号经过信道衰减到达接收端时每个信息符号仍有较高的信噪比。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是使用OFDM技术在低信噪比环境下仍然能实现可靠的远程水声通信，一种基于传统OFDM的适用于远程水声通信的分组扩频方案，其核心思想是若干个连续的子载波传输一个或几个信息符号来提高每一个符号的发射功率，以补偿不同频率处由海水吸收性造成的功率损失，改善系统误码率性能。本发明包括以下几个步骤:
[0006]I)信道编码，具体方法为卷积码编码和交织。
[0007]2)分组扩频调制，具体方法为:
[0008]①子载波分组数目k的计算方法。分组扩频OFDM系统在发射端根据通信环境进行子载波分组，将分组后每组中的子载波合起来称为虚子载波，子载波分组理想的目标是使得分组后所有虚子载波的衰减情况相同。以第一个子载波的衰减为参考，式(I)是海水对声波的吸收系数的经验公式，定义由海水吸收性造成的衰减系数为β (f)，则β (f)=-α (f)0首先根据式(I)计算出所有N个子载波频率点&，f\，…，fN_i处的衰减系数βνβρ…，，其中再分别减去^得到相对于第一个子载波的衰减系数Ytl, Y1,…，
Yη，其中 Yi= β「β。。
[0009]
【权利要求】
1.一种应用于远程水声信道的分组扩频OFDM通信方法，其特征在于:若干个连续的子载波传输一个或几个信息符号来提高每一个符号的发射功率，以补偿不同频率处由海水吸收性造成的功率损失。
2.如权利要求1所述应用于远程水声信道的分组扩频OFDM通信方法，其包括以下步骤: 1)使用卷积码编码和交织进行信道编码； 2)分组扩频调制；
3)CFDM 调制；
4)OFDM 解调； 5)相关解扩扩频码逆映射解调； 6)使用解交织和卷积码译码进行信道译码。
3.如权利要求2所述应用于远程水声信道的分组扩频OFDM通信方法，所述分组扩频调制包括以下步骤: ①计算子载波分组数目k: 分组扩频OFDM系统在发射端根据通信环境进行子载波分组，将分组后每组中的子载波合起来称为虚子载波，子载波分组理想的目标是使得分组后所有虚子载波的衰减情况相同，以第一个子载波的衰减为参考，式(I)是海水对声波的吸收系数的经验公式，定义由海水吸收性造成的衰减系数为β (f)，则β (f) =-α (f)，首先根据式⑴计算出所有N个子载波频率点...,、处的衰减系数Pci, β 1；..., ,其中再分别减去β (!得到相对于第一个子载波的衰减系数Y Cl，Y I，…，ΥΝ-1，其中Yi= β O? a(+ _- + 2.75x10 4/'?'+0.003 d^/kra(I) V' I+/2 4100 + /2 其中，f是以kHz为单位的声波频率，单位dB/km表示每公里衰减的分贝数； 假设某个虚子载Va波包含k个子载波，频率分别为fa，fa+1,…，则其中心频率为fa+k/2，该频率处的相对衰减系数分别为Y a+k/2，虚子载波获得的符号功率增益为lOlgk，虚子载波的最大相对衰减系数为其最大频率点处的相对衰减系数，为了获得足够的符号功率增益，k应当满足以下不等式: 1lgk 彡 I Ynl(2) 即虚子载波Va获得的功率增益不能小于其所包含的频率最高的子载波的相对衰减系数的绝对值，能满足上式的最小的正整数k就是虚子载波Va中包含的子载波数目； ②对子载波进行分组: 有了子载波合并数目k的计算方法后便可以对整个通带内的子载波进行分组，分组的实现过程就是不断搜索最小的正整数k满足不等式(2)的过程，由于扩频码的长度不是任意的正整数，因此每次分组的子载波数目也无法是任意正整数，常用的扩频码有m序列，Gold序列和Walsh序列，不妨以m序列为例，m序列的长度为2n_l，分组过程分为以下两个部分: a.为了使高频部分信号获得足够的功率增益，子载波的分组过程从最高频率fN_i处的子载波CV1开始，k的初始值为1，将k代入不等式(3.7)验证，若满足条件，则找到不小于k并且二者差值最小的正整数2"。-1，则2H。-1为该虚子载波包含子载波数目；若不满足条件则令k = k+Ι，再次代入不等式(2)验证，直到找到满足不等式的正数k，再找到相应的正数2"。-1，子载波CV1低频方向连续的2-- -1个子载波即为虚子载波Vtl ； b.接着从子载波^^—η。处开始重复a找到满足条件的-1 ,子载波Cam+低频方向连续的2Bl -1个子载波即为虚子载波V1，按此方法合并子载波直到N个子载波全部分组完毕，由于相邻的两个虚子载波包含的子载波数-1和2"? -1往往相同或者比较接近，因此为了减少搜索时间，搜索2s.-1时可以将k的初始值设为2?-1然后向下递减搜索，而不是像步骤(I)那样k从I开始向上递增搜索。在使用m序列和gold序列作为扩频码时，由于它们的最小周期长度为7，而低频部分的虚子载波包含的子载波数目较少，若每组包含7个子载波，则会造成频带资源的浪费，因此在低频段不再采用扩频码，而使用重复码； ③扩频码映射调制: 对每一组子载波上的数据进行M进制扩频，实际上是一种(N，k)的编码，用长为N的伪随机码去表示k位信息，k位信息共有2k个状态，则需要2k个长为N的伪随机码来与k位信息码的2k个状态，k位信息码与2k个长为N的伪随机码之间是一一映射的关系。
4.如权利要求2所述应用于远程水声信道的分组扩频OFDM通信方法，所述相关解扩扩频码逆映射解调具体为:将OFDM解调后每一组子载波上的数据分别与该组中每一个相关器做相关运算，再通过比较器找出其中的最大值，根据与该最大值对应的相关器中的扩频序列做步骤③的逆映射得到解调后的输出数据。
【文档编号】H04L1/00GK104184694SQ201410462452
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】高翔, 黄磊 申请人:东南大学