[发明专利]一种基于素数码交织及脊髓码编码的水下抗干扰传输方法

权利要求书

1.一种基于素数码交织及脊髓码编码的水下抗干扰传输方法，其特征在于：所依托的水下抗干扰传输系统包括系统参数初始化模块、发送信号处理模块、交织参数控制单元、时变水声信道模块和接收信号处理模块；

其中，发送信号处理模块包括信源交织单元、校验单元、Spinal编码单元、信道交织单元以及调制单元；接收信号处理模块包括解调单元、信道解交织单元、S pinal解码单元、解校验单元以及信源解交织单元；

本系统中各模块及单元的连接关系如下：

时变水声信道模块与发送信号处理模块和接收信号处理模块相连，具体地，时变水声信道模块分别与调制单元和解调单元相连；系统参数初始化模块与发送信号处理模块以及接收信号处理模块相连，具体的，系统参数初始化模块分别与其中的校验单元、Spinal编码单元、调制单元、解调单元、Spinal解码单元以及解校验单元相连；交织参数控制单元分别与信源交织单元、信道交织单元、信源解交织单元以及信道解交织单元相连；

本系统中各模块及单元的功能如下：

系统参数初始化模块的功能包括：1)为校验单元和解校验单元提供所需的校验模式、校验信息比特长度以及校验多项式；2)为Spinal编码单元和Spinal解码单元提供Spinal编码的帧长度、信息比特长度以及滑窗大小；3)为调制单元提供调制参数，为解调单元提供解调参数；4)初始化帧数、最大错误帧数、误码率和误帧率；

发送信号处理模块的功能是将待传输的信息比特依次经信源交织单元进行信源交织再经校验单元进行校验；接着在Spinal编码单元进行Spinal信道编码，然后经信道交织单元进行信道交织；最后，经调制单元进行OFDM调制及上变频得到发送到水声时变信道模块的信号；

水声时变信道模块的功能是模拟水下多径时变衰落信道，具体通过对发送信号处理模块输出的信号加入加性噪声及乘性噪声实现；

接收信号处理模块的功能是接收水声时变信道模块传输来的信号依次经解调单元进行解调、信道解交织单元进行信道解交织；再经Spinal解码单元进行Spinal解码以及解校验单元进行解校验，最后经信源解交织单元进行信源解交织；最后输出恢复的信息比特；

信源交织单元的功能是接收交织参数控制单元传来的交织参数p对待传输的信息比特进行信源交织，具体交织方式采用素数码交织及平方素数码交织两种中的一种，输出信源交织后的信息比特；

Spinal编码单元的功能是对校验单元输出的信息比特进行Spinal编码，输出Spinal编码后的信息比特；

信道交织单元的功能是接收交织参数控制单元传来的交织参数q对Spinal编码后的信息比特进行信道交织，具体交织方式采用素数码交织及平方素数码交织两种中的一种，输出信道交织后的信息比特；

调制单元的功能是对信道交织后的符号进行调制及上变频，并经天线输出待发送信号；

接收信号处理模块接收调制单元输出的待发送信号经时变水声信道模块后的信号；

解调单元的功能是接收经时变水声信道模块后的信号，并进行下变频和解调，输出解调后信息比特；

信道解交织单元的功能是接收解调单元传来的解调后信息比特，并接收交织参数控制单元传来的交织参数q对解调后信息比特进行信道解交织，输出解信道交织后比特；

其中，信道解交织方式与信道交织单元的交织方式相同；

Spinal解码单元的功能是对信道解交织单元输出的解信道交织后信息比特进行Spinal解码，输出Spinal解码后的信息比特；

解校验单元的功能是对Spinal解码后的信息比特进行解校验，输出解校验比特；

其中，解校验方式与校验单元的校验方式相同；

信源解交织单元的功能是对解校验单元输出的解校验比特，依据交织参数控制单元传来的交织参数p进行信源解交织，具体解交织方式与信源交织单元的交织方式相同；

所述基于素数码交织及脊髓码编码的水下抗干扰传输方法，包括如下步骤：

步骤一、系统参数初始化模块初始化系统参数、Spinal编译码参数、校验参数、调制参数与解调参数；

其中，系统参数包括帧数、帧内编码比特数、帧内信息比特数、误码率、误帧率以及最大错误帧数；

其中，误码率和误帧率均被初始化为0；

帧数及帧内编码比特数的乘积数值范围依据置信度为大于等于99％设置；

其中，Spinal编译码参数包括编码参数以及译码参数；其中，编码参数为hash函数初始状态二进制序列；译码参数根据译码方法不同，参数也不同；

当采用滑窗译码算法，译码参数为滑窗大小；

其中，当前帧内比特数记为F_i；

其中，误码率和误帧率参数均被初始化为0；Spinal编译码参数包括Spinal编码的帧长度、信息比特长度以及列表长度；校验参数包括校验类型及对应校验参数；初始化帧序号变量i为0；

步骤二、将当前第i帧内待传输的信息比特进行信源交织，具体为：

信源交织单元接收交织参数控制单元传来的交织参数p对当前第i帧内待传输的信息比特进行信源交织，输出信源交织后的信息比特；

其中，信源交织方式为素数码交织及平方素数码交织两种中的一种；

步骤三、校验单元对步骤二信源交织后的信息比特进行校验，输出校验后比特序列；校验后比特序列的长度，记为LF_i；

步骤四、对步骤三输出的校验后比特序列在Spinal编码单元中进行Spinal编码，输出Spinal编码后符号；

其中，Spinal编码包括如下子步骤：

步骤4.1将校验后比特中的LF_i比特的信息序列以m比特为单位分成LF_i/m个信息分段，记为：C₁、C₂、...、C_LFi/m，其中，每个分段都包含有m个比特；

步骤4.2依据步骤一设定的Spinal编译码参数中的hash函数初始状态二进制序列将LF_i/m个信息分段按顺序依次经hash函数h经公式(1)计算当前第k段的m个比特对应的二进制序列S_k，再经星座函数映射为Spinal编码后符号，记为：Spinal₁,Spinal₂,...,Spinal_LFi/m；

S_j＝h(S_j-1,C_j),1≤j≤LF_i/m, (1)

其中，S_j-1为当j取1，即S₀为步骤一系统参数初始化模块初始化的hash函数初始状态二进制序列；下一个hash函数初始状态二进制序列S_j由当前输入的信息分段C_j和S_j-1经hash函数h产生；

步骤五、信道交织单元将步骤四输出的Spinal编码后符号信道交织，具体包括如下子步骤：

步骤5.1信道交织单元接收交织参数控制单元传来的交织参数q；

步骤5.2基于交织参数q对步骤四输出的Spinal编码后符号中的所有信息比特进行参数为q的素数码交织；

其中，素数码交织具体通过生成素数码矩阵，再将素数码矩阵的元素作为地址，对步骤四输出的Spinal编码后的符号进行交织，输出信道交织后符号；

其中，素数码矩阵中元素的生成表达式如下公式(2)：

d＝tl(mod q) (2)

其中，d(t,l)是有限域GF(p)上模p乘法的结果，且0＜t,l＜q；其中，q为素数，d表示对应的输出符号地址，t和l分别表示Spinal编码后的符号转换为矩阵后的输入比特地址；其中t表示行号，l表示列号；

平方素数码是素数码在GF(p²)上的扩展，即以GF(p)中元素的二维向量来表示上述素数码中的各个参数，设(u,v)表示行数l，(a,b)表示符号序号；这里up+v，ap+b，k₁p+k₀对应的多项式分别为：uy+v，ay+b，k₁y+k₀，u,v,a,b,k₁,k₀∈GF(p)且(a,b)≠(0,0)；根据以上约定，以f(y)＝y²-z为既约多项式，由下式(3)实现GF(q²)域乘法：z为既约多项式的常数项；

其中，表示模q加，(a,b)，(u,v)分别表示输入的符号位置，对应的输出符号地址表示为

步骤六、将步骤五输出的信道交织后符号经过调制单元进行调制，再对调制后信号进行上变频，得到待发送信号并经发射天线输出，即发射待发送信号；

步骤七、步骤六发射的待发射信号经水声时变信道模块进行传输，引入噪声和衰落；

步骤八、解调单元接收经过水声时变信道模块传输的信号，并进行下变频和解调，输出解调后符号；

其中，解调方式与步骤六中的相同；

步骤九、信道解交织单元接收解调单元传来的解调后信息比特，并接收交织参数控制单元传来的交织参数q对解调后信息比特进行信道解交织，输出解信道交织后比特；

其中，信道解交织方式与信道交织单元的交织方式相同；

步骤十、将步骤九输出的解交织后符号经Spinal解码单元进行Spinal码译码，输出Spinal解码后的信息比特；

步骤十一、将步骤十Spinal解码后的信息比特经解校验单元进行解校验，输出解校验比特；

其中，解校验方式与步骤三校验单元采用的校验方法相同；

步骤十二、将步骤十一输出的解校验比特在信源解交织单元进行解信源交织，输出解信源交织后比特，即恢复的信息比特；

其中，信源解交织单元对解校验单元输出的解校验比特依据交织参数控制单元传来的交织参数p进行信源解交织，具体交织方式与信源交织单元的交织方式相同；

步骤十三、对步骤十二恢复的信息比特与步骤一输入的当前帧待传输的信息比特进行比较和判决，计算得当前帧是否错误以及得出当前帧内的错误比特数；并将当前错误帧累加更新至当前错误帧数；

步骤十四、判断当前错误帧数是否达到最大错误帧数，如果未达到，则进一步判断当前帧序号i是否等于帧数，如果不等于则当前帧序号i加1，跳到步骤二；否则若等于帧数，则计算并输出错误统计结果；否则，如果达到最大错误帧数，计算并输出错误统计结果。