[发明专利]一种利用压缩感知获得水声信道互易性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及水声通信，尤其是涉及一种利用压缩感知获得水声信道互易性的方法。

背景技术

声波是水下通信中唯一可进行远程传输的信息载体，随着近年来海洋开发的不断深入发展，对于水下通信的传输能力以及提高通信容量的要求越来越高，然而水声通信的信道使得通信系统的性能有很大的局限性。由于水声信道的复杂性,存在窄带宽、强多径、高噪声、随时时-空-频变等特性，严重地限制了通信系统的性能。需要出现新的调制、编码、功率控制等方法，更有效地应用于衰落信道。近年来，有很多研究者正在研究新的自适应传输技术，这些自适应传输方案，都是通过瞬时监视信道条件，来调整调制水平、符号率、码率、传输功率等级或者与这些参数相关的一些方面。实际中，为了实现自适应传输方法，传输过程中的信道状态信息（CSI）必须是可知的，接收机需要估计出信道状态信息，并通过反馈信道传输给发射机，发射机便可以利用这些状态信息来确定自适应传输方法。因此，只有在已知反馈信道系数的前提下，才能更好地实现自适应的传输方法。由于信道互易性可以通过上行链路的信道状态信息得到下行链路的信道状态信息，因此获得水声信道的互易性具有非常重要的意义。

在TDD系统中，上下行链路使用相同的频谱，可以认为上下行信道具有相同的衰落特性，因此可以把上行信道的信道状态当作下行信道的信道状态，即上下行信道具有互易性。但在水声通信中，TDD信道的互易性会受到多种因素的影响，从而导致其在一定程度上的丧失，具体表现就是所获得的上行信道的信道状态无法表征下行信道的信道状态，导致水声通信中信道互易性丧失的因素有以下几个方面：

（1）信道时变特性

在水声通信环境中，由于实际海洋的随机界面波动、不均匀的介质，以及海水温度微结构、内波、浮游生物和气泡等引起的散射效应，使得声信道随时间变化。当对声信道进行前后两次观测的时间间隔较大(大于信道相干时间)时，两次观测结果就会出现较大差异。在TDD系统中，上行子帧和下行子帧是交替出现的。在上下行子帧交替的这段时间内，信道时变将导致下行子帧的信道状态无法用上行子帧期间得到的上行信道的信道状态来精确表征，从而使得信道互易性丧失。然而，可以使用接收到的导频符号构造MMSE预测器对水声信道进行预测[1]，对于一个时间段内的水声信道进行连续观测，所得的一系列观测值就反映了水声信道时变的历史状况；基于这些历史观测值，对未来一段时间内的水声信道状态进行比较准确的预测，从而使上行进行发送预处理所依据的信道状态信息尽可能准确地反映当前下行链路的信道状态，使得水声信道的互易性损失得以弥补。

（2）I/Q不平衡

I/Q支路不平衡[2,3]是由通信设备中器件的非理想特性引起的，并存在于上变频和下变频系统中。在TDD系统中，即使信道是慢衰落信道，即在一个完整的上下行子帧持续期间，无线信道是保持不变的，但由于I/Q不平衡的存在，也会使得上行链路上估计得到的上行信道的信道状态和下行链路上估计得到的下行信道的信道状态并不互易。MMSE准则的宽线性(widely linear)均衡器可以实现对接收端I/Q不平衡的系统进行补偿[4]。

（3）信道估计误差

信道估计误差对信道互易性的影响是显而易见的。即使不存在上述两个因素(信道时变和I/Q不平衡)导致的信道非互易性，单纯的信道估计误差也将会导致信道互易性的丧失。因此，性能良好的信道估计算法是补偿这种互易性丧失的有效方法。此时，可以采用压缩感知（Compress Sensing）技术对OFDM系统进行信道估计[5][6][7][8]。

（4）干扰不对称

水声信道中存在有源噪声干扰和无源噪声干扰，有源噪声来自于通信设备以及海洋中的其它船只，表现为大幅度的单频噪声干扰；无源噪声是一种特殊干扰背景，是舰船上各种声源产生的，表现为脉冲噪声干扰。而在传输过程中，噪声干扰对上下行信号的影响是不同的，这将导致TDD系统中上下行信道估计得到的信道状态信息失去互易特性，影响系统性能。若要获得水声信道的互易性，必须将噪声干扰去除。目前对抗这种干扰结构不对称所致的互易性损失的办法基本上采用闭环方法[9]，即在接收端进行干扰状况评估并将结果反馈到发送端，从而指导发送端使用预编对码误差进行补偿。但是由于水声环境的复杂性，每一次传输的信号受到的干扰程度不同，在发送端对信号进行预编码并不能很好的消除噪声干扰。由于时域脉冲噪声干扰和大幅度的单频噪声干扰都具有稀疏性，因此本发明提出了利用压缩感知理论消除脉冲噪声干扰和大幅度的单频噪声干扰在OFDM水声通信系统中的影响，以保证水声信道的互易性。