一种水声正交频分复用异步多用户接入方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声通信领域，具体设及一种水声正交频分复用异步多用户接入方 法。
【背景技术】
[0002] 随着海洋开发的不断深入，应用于水声传感器网络的物理层通信技术正不断受到 关注。水声传感器网络希望在有限的频谱资源中提高带宽利用率，增大网络吞吐量。空分多 址接入(space-division multiple access，SDMA)技术允许多个用户在相同的时隙共享相 同的频谱资源，是有效提高系统容量的方法之一。多用户正交频分复用（odhogonal frequen巧division multiplexing,OFDM)系统就是一个典型的空分多址接入系统，所有 用户共享相同时隙和子载波。考虑一个包含多个分布式用户和单个网关节点的上行水声通 信系统，网关节点上安装多个接收阵元，如图1所示。多个用户的发送信号交叠达到同一接 收端，接收端需要利用各用户多径信道的独立性将各个信号分离开来。若在理想同步条件 下，即同步多用户OFDM系统中，接收信号的各个子载波之间是独立的，可W利用传统的多输 入多输出（multiple-i吨111:，1]11111:1口16-〇111口111:，]\010)系统进行多用户数据解码。然而同步 接入系统通常要求网关节点和用户、W及各用户之间的协作，保证严格的时隙分配，而运种 协作往往需要反馈信道来实现。考虑到水声信道的大传播时延特点，该种协作反馈无疑极 大增加了网络负担。因此实际水下应用中更希望网关节点具备支持异步多用户接入的能 力。
[0003]
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对水声0抑Μ系统异步多用户接入引起严重的(FDM符号间干 扰问题，提出一种水声正交频分复用异步多用户接入方法。
[0005] 本发明的目的是运样实现的：
[0006] (1)重叠截断:首先将接收的时域波形截断为独立处理单元进行解码，每个截断单 元包括前向干扰、期望信号和后向干扰Ξ部分；
[0007] (2)干扰消除:利用上次迭代中得到的干扰估计对当前截断单元进行干扰消除；
[000引（3)频域过采样:对干扰消除后的截断单元进行频域过采样处理；
[0009] (4)多用户信道估计与解码;对频域过采样后的多用户叠加的频域信息，采用匹配 追踪信道估计算法对每个用户进行信道估计与解码；
[0010] (5)干扰重构;利用信道估计及解码数据，通过逆傅里叶变换重构相邻单元的前向 干扰与后向干扰的时域波形；
[0011] (6)处理当前截断单元时，额外存储相邻的下一个截断单元信号，在当前截断单元 和下一截断单元之间共解调3次。
[0012] 本发明的有益效果在于:基于滑动迭代结构，利用重叠截断方法建立异步干扰模 型，在相邻两个符号间进行迭代干扰消除和干扰重建，然后将干扰消除后的接收信号等效 为准同步的多输入多输出(ΜΙΜΟ)系统实现多用户数据解码;可W较好的兼顾处理延迟和解 码性能，具有实际应用价值。
【附图说明】
[0013] 图1为水声通信网络示意图；
[0014] 图2为异步接收机解调算法流程图；
[0015] 图3为异步接收信号重叠截断示意图；
[0016] 图4为异步接收机滑动迭代处理结构。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本发明进行进一步的描述。
[0018] 本发明解决其技术问题所采用的系统包括W下两部分：
[0019] 1.OFDM异步多用户接收机解调算法，包括重叠截断、干扰消除、频域过采样、多用 户信道估计与解码、W及干扰重构五个处理模块：
[0020] (1)重叠截断。首先将接收的时域波形截断为独立处理单元进行解码，每个截断单 元包括前向干扰、期望信号和后向干扰Ξ部分。
[0021] (2)干扰消除。利用上次迭代中得到的干扰估计对当前截断单元进行干扰消除。
[0022] (3)频域过采样。对干扰消除后的截断单元进行频域过采样处理，W保证傅里叶变 换不会丢失信息。
[0023] (4)多用户信道估计与解码。对频域过采样后的多用户叠加的频域信息，采用匹配 追踪信道估计算法对每个用户进行信道估计与解码。
[0024] (5)干扰重构。利用信道估计及解码数据，通过逆傅里叶变换重构相邻单元的前向 干扰与后向干扰的时域波形。
[0025] 2.0抑Μ异步多用户接收机滑动迭代处理结构，即结合1中的解调算法，处理当前截 断单元时，额外存储相邻的下一个截断单元信号，在当前截断单元和下一截断单元之间共 解调3次，即可消除当前截断单元的前向干扰和后向干扰。
[00%] 1、(FDM异步多用户接收机解调算法
[0027]异步接收机解调算法，流程如图2所示。异步多用户接入信号经过重叠截断、干扰 消除、频域过采样、多用户信道估计与解码、W及干扰重构五个处理模块，下面分别进行详 细介绍。
[002引（1)重叠截断
[0029] 对于一个发送端有Nu个异步用户，接收端有Nr个水听器阵的水声通信系统，如图1 所示，并且满足Nu<Nr，其中所有用户均采用具有循环前缀(切clic Prefix,CP)的OFDM调制 方式。OFDM子载波总数为K，符号周期为T，子载波间隔为1 /T。CP长度为Tep，则CP-0FDM块周期 为Tbi = Tcp巧。系统载波频率为fc，则第k个子载波频率fk = fc+k/T，k = -K/2,. . .，Κ/2-1。大 小为Κ的子载波集合中包含数据子载波集Sd，梳状导频集Sp，及空载波集Sn^个独立子集，且 满足Sd U Sp U Sn= {-K/2，. . .，Κ/2-1}。同时各用户仅数据子载波集交叠，导频集不交叠：即 对于任一用户的导频集，其余用户将其视为空载波集。su比;η]为用户U在第η个OFDM块中的 第k个子载波上发送的编码信息符号，其符号映射方式可W为QPSK或16QAM等。当用户U-帖 传输化1个CP-0FDM块时，用户U的发送信号可表示为
[0030]
(1)
[0031] 式中用户U第η个发送CP-0抑Μ块为
[0032]
(2)
[0033] 对于在一个CP-0FDM块内线性时不变的水声多径信道模型，用户U与水听器V之间 的信道冲激响应可表示为
[0034]
(3)
[0035] 其中W说为用户U与水听器V之间信道的多径数目；<1.,与诚分别为一个CP-0FDM块 内恒定的第Ρ条路径的衰减系数和对应的时延。水听器V接收的用户U的信号为
[0039] ευ为用户U到达接收端的时延。不失一般性，令用户1的到达时延ει = 〇,且 Si ^^2 ^而/2,其中令Smax =SWu。则水听器V接收到的Nu个具有不同达到时延的用户 信号的叠加可表示为
[0040]
(6)
[0041 ]其中；)为叠加的背景噪声。一个OFDM符号周期T内将受到用户的相邻CP-0FDM块 的干扰，严重影响解码性能。
[0042]接收端为了便于解码，通常需将接收的时域波形截断为独立处理单元进行解码。 为此本发明采用重叠截断方法，如图3所示。定义每个截断单元的长度f为OFDM符号周期T加 上最大到达时延Emax，即f = r + s胃图3中第η个截断单元由Ξ部分组成:①前向干扰:用户2 ~Nu的第η-1个CP-0FDM块的部分信号;②期望信号:Nu个用户的第η个CP-0FDM块的完整信号 (用户1的CP部分除外）；③后向干扰:用户1~Nu-1第η