一种自适应水声通信方法与流程

本发明涉及一种水声通信方法领域，具体涉及一种基于信道预测的自适应调制与功率分配的ofdm水声通信方法。

背景技术：

水声信道中存在着多途扩展严重、频带资源有限等问题，不同水文环境、同一环境不同时刻、不同频点对应的水声信道衰落特性不尽相同。传统的多载波ofdm水声系统对每个子信道采用相同的通信参数，没有充分利用频谱资源。

自适应技术相比传统的固定通信模式可以更好的适应复杂的水声信道并提高通信效率，充分利用频带资源。然而自适应技术在水声通信领域中还处于摸索阶段，大多数的自适应水声通信系统选择固定阈值法或模式切换方式对子载波或子带进行调制，需要预先测量水域环境，根据不同通信方式的误码率曲线确定模式切换阈值，这无疑降低了自适应技术对于不同水域环境的实用性。

自适应技术需要根据信道状态信息实时调整传输参数，受传输时延影响，通过传统信道估计的方法获取的信道状态信息相对于即将发射数据时刻的信道会存在过时的问题，在快时变信道中性能严重下降。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种自适应水声通信方法。

一种自适应水声通信方法，所述方法包括如下步骤：

(1)发射端发送测试信号，接收端对接收信号进行处理，估计得到时信道冲激响应估计结果；

(2)利用自适应信道预测方法对时域信道冲激响应进行预测；

(3)将预测信道结果通过信令传输反馈给发送端，获得自适应传输所需的信道状态信息；

(4)发送端根据信道状态信息基于自适应分配算法确定每个子载波的通信参数，并根据通信参数对子载波进行自适应调制和功率分配；

(5)发射端发射ofdm信号，实现自适应水声通信。

所述步骤(1)中，发射端发送ofdm通信信号，接收端对接受信号解码，得到多个时刻的时域信道数据为：

式中，l＝0,1,...,k-1，k为信道长度，p为预测阶数，为m-p时刻的信道估计值,为m时刻的信道估计值，为m时刻的时域信道数据。

在l个时间抽头上，用当前和过去的p个信道采样值依次进行信道预测，通过自适应信道预测算法得到最佳预测系数w[m；l]，获得未来时刻的信道冲激响应，信道预测的更新方程为

式中，w[m；l]为预测系数向量，w^h[m；l]为w[m；l]的共轭转置向量，为m+1时刻的信道预测值。

所述步骤(3)中，发送端通过离散傅里叶变换将预测信道转换到频域，得到自适应系统所需的信道状态信息。

所述步骤(4)中，自适应分配算法实现在一定通信速率btarget和发射功率pt下，使系统的误码率性能达到最优的目标，系统所用的优化准则表示为：

minber

式中，ber为错误码率，bk为第k个子信道上分配的比特数，pk为第k个子信道上的分配功率。

本发明的有益效果是：

在时域上进行信道预测，减少反馈冗余的同时提高预测精度，为自适应系统提供更加可靠的信道状态信息；利用自适应分配算法对子载波进行比特和功率分配，省去了传统自适应水声通信系统提前测量水域环境并根据不同通信方式的误码率曲线人为设置模式切换门限的步骤，可以直接根据反馈的信道状态信息进行自适应参数选取，提高在陌生环境下的实用性。

附图说明

图1为发明流程图。

图2为递归最小二乘算法对北极冰下实测信道数据的预测结果图。

图3为分别在实测和预测信道下的自适应水声通信系统误码率曲线图。

具体实施方式

结合附图对本方法做进一步详细描述。

本发明针对时变水声信道下的高质量通信问题，提出具有信道预测功能的自适应调制与功率分配ofdm水声通信方法。ofdm技术与自适应技术相结合能够有效对抗信道频率选择性衰落，并充分利用信道资源。为保证自适应技术在时变信道中的可靠通信，在时域进行信道预测，以此获得下次发射时刻的信道状态信息。同时使用自适应分配算法对子载波进行比特和功率分配，显著提升水声系统性能并使其应用更灵活。

本发明进一步描述如下：

实施例一，自适应水声通信方法的具体实现。

下面结合附图1对本发明中的基于信道预测的自适应调制和功率分配方法进行详细说明。

首先，发射端发送ofdm通信信号，接收端对接收信号解码，得到多个时刻的时域信道数据为

式中，l＝0,1,...,k-1，k为信道长度，p为预测阶数，为m-p时刻的信道估计值。然后在l个时间抽头上，用当前和过去的p个信道采样值依次进行信道预测，通过自适应信道预测算法得到最佳预测系数w[m；l]，获得未来时刻的信道冲激响应，信道预测的更新方程为

式中，w[m；l]为预测系数向量。

以递归最小二乘算法为例，表1为自适应信道预测方法的具体实现流程。

表1

将预测结果经过信令传输通知发送端，发送端通过离散傅里叶变换将预测信道转换到频域，得到自适应系统所需的信道状态信息。

然后发送端根据信道状态信息为每个子载波选择合适的调制方式、分配发送功率。通过自适应分配算法实现在一定通信速率btarget和发射功率pt下，使系统的误码率(ber)性能达到最优的目标，因此系统所用的优化准则可以表示为

minber

式中，bk为第k个子信道上分配的比特数，pk为相应的分配功率。

最后对信源信息进行自适应调制与功率分配后再次发送，实现自适应水声通信。

以fischer算法为例，表2为自适应分配方法的具体流程。

表2

实施例二，仿真研究。

仿真条件：信道预测利用的是2018年8月12日在北极冰区得到的时变水声信道数据。预测阶数p＝1，遗忘因子λ＝0.9，平衡因子δ＝0.99。已知北极冰下实测信道数据为300组。利用前299组信道预测得到的第300个时刻的信道如附图2所示。

仿真中采用的调制方式为bpsk、qpsk、8qam和16qam，采样频率为48khz，子载波总数为342，子载波间隔为11.7hz，ofdm符号长度为256ms，其中循环前缀长度为64ms，fft点数为4096，块状导频插入比例为1:1，每次发送30个ofdm数据块，信道估计方式为最小二乘方法。

附图3为本发明分别在实测和预测信道下的自适应水声通信系统误码率曲线图。曲线1表示仿真所用信道为实测的第300个时刻的信道，系统所用调制方式为qpsk调制；曲线2表示仿真信道为预测的第300个时刻的信道，系统基于fischer算法进行自适应分配；曲线3表示仿真信道为实测的第300个时刻的信道，系统基于fischer算法进行自适应分配。可以看出，基于自适应算法的系统误码率性能明显优于传统的qpsk调制，证明了此发明对水声通信系统性能的改善。对比图中的曲线2和曲线3，可以看出两条曲线的趋势基本一致。证明此发明能够对稀疏水声信道进行有效预测，可以为时变环境中的自适应传输提供可靠的信道状态信息。

综上所述，本发明提供的是一种自适应水声通信方法。本发明属于水声通信领域。涉及一种基于信道预测的自适应调制与功率分配的正交频分复用(ofdm)水声通信方法。(1)首先发射端发送测试信号，接收端对接收信号进行处理，估计得到时域信道冲激响应；(2)利用自适应信道预测方法对时域信道冲激响应进行预测；(3)将预测信道结果通过信令传输反馈给发送端，获得自适应传输所需的信道状态信息；(4)发送端根据信道状态信息基于自适应分配算法确定每个子载波的通信参数，并根据通信参数对子载波进行自适应调制和功率分配；(5)发射端发射ofdm信号，实现自适应水声通信。本发明的优点在于(1)在时域上进行信道预测，减少反馈冗余的同时提高预测精度，为自适应系统提供更加可靠的信道状态信息；(2)利用自适应分配算法对子载波进行比特和功率分配，省去了传统自适应水声通信系统提前测量水域环境并根据不同通信方式的误码率曲线人为设置模式切换门限的步骤，可以直接根据反馈的信道状态信息进行自适应参数选取，提高在陌生环境下的实用性。