[发明专利]基于索引调制的单载波高速扩频水声通信方法

权利要求书

1.一种基于索引调制的单载波高速扩频水声通信方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在发射端首先将原始信息进行串并转换，即将串行数据转换为并行数据；

步骤2：对串并转换后的信息x进行联合符号序号映射；

先将信息x进行分块，每个单载波数据块可表示J×p×K比特信息，其中J为扩频码子集个数，p为每个子块可表示的比特数，p＝p₁+p₂+p₃，K为每个单载波数据块所分的子块个数；在每个子块中，通过p₁＝log₂(N_c)信息位从从预定义扩频码的N_c个子集中选择一个扩频码，构成扩频码的子集J，其中，N_c是预定义的子集中的扩频码个数，每个扩频码由L个码片组成，其中第k个扩频码的矢量形式表示为：

c_k＝[c_k,1,…,c_k,L]^T (1)

其中c_k,i,i∈1,…,L是c_k的第i个元素，k是子集合索引选择的扩频码序号；

将选定的原始扩频码c_k进行循环移位调制，定义一个循环移位矩阵

其中，I_N和0_N表示N×N单位矩阵和N×N的全0矩阵；

将选定的原始扩频码c_k循环移位了Δ个码片后，已调的CSK信号表示为

x_k′＝T_k^Δc_k (3)

其中，T_k^Δ表示第k个扩频码循环移位的矩阵，T^Δ表示Δ个矩阵T相乘，Δ是由p₂比特信息决定的循环移位索引，其中，p₂＝log₂(L)；

然后，每个选定的扩频码乘以相应的MPSK(M-ary phase shift keying)调制符号，表示p₃＝log₂M个信息位，其中M是多进制相位调制的进制数；这意味着符号s_k通过循环移位的扩展码c_i在L个时隙传播，得到的第k个子块信号为

为了提高数据率，在预定义的扩频码集合N_c中选择J个扩频码，在每个块之间调制后叠加，得到第k个子块的叠加信号为

CSK调制和MPSK调制在每个选中的扩频码c_k,j上进行；依次，得到所有子块

步骤3：插入CP，得到q＝[q(0),…,q(v-1)]为循环前缀CP，v为循环前缀长度；

步骤4：对信号x进行并串转换；

步骤5：将串行数据通过水声信道；

步骤6：在接收端，将每个块接收到的PN序列r_q与本地已知的PN序列直接相关以获取信道估计；通过第(k-1)个和第k个块的信道估计结果求平均值作为最终的信道估计

基于UWA信道的稀疏特性，最终信道估计表示为

其中，Γ是设定的阈值；

接收到的时域信号y经过FFT处理之后，输入到均衡器中进行频域均衡；令Y，X和H分别为y，x和h的L点DFT，并将Z定义为信道加性高斯白噪声的DFT；然后，接收到的频域信号为

Y＝HX+Z (9)

其中，H是信道估计结果的频域形式；

在快速傅里叶逆变换IFFT之后，接收到的已处理信号z表示为：

z＝F^HCY (10)

其中，F^H代表反傅里叶变换；

对于MMSE均衡器，均衡器的抽头系数可以表示为如下公式：

其中，C_k为MMSE均衡器矩阵C＝[C₁,C₂,…,C_L]^T中的第k个对角元素是第k个均衡器抽头，代表信道估计的频域形式H的第k个元素的估计值，SNR代表信噪比；

对于MRC均衡器，均衡器的抽头系数可以表示为如下公式：

其中，C_k为MRC均衡器矩阵C＝[C₁,C₂,…,C_L]^T中的第k个对角元素是第k个均衡器抽头，代表信道估计结果的频域形式H的第k个元素的估计值；

步骤7：符号序号联合解码，即接收端信息提取

在接收器处设计了低复杂度检测器，来检测所选扩频码的循环移位值，进行解扩和解调符号：

第一阶段，使用DFT来计算循环相关性，计算和存储基本序列c的DFT，接收端计算均衡后的接收信号z的DFT，其循环相关性为

q_k＝IDFT(DFT(z_i)·DFT^*(c_k)) (13)

通过使用(13)获得的矢量q_k的元素是[q₀,q₁,…,q_L-1]^T，z是接收信号，c_k是第k个扩频码，k＝1,…,N_c；

通过比较N_c个分支的输出的最大平方值，再通过循环相关确定所选扩频码的索引；矩阵及其第(k,δ)的元素是q_k,δ，

其中，k、δ表示矩阵Q中元素取模后最大值所在的行和列，对应的物理意义分别是子块中有效扩频码索引，有效循环移位索引；

第二阶段，在获得和得到被估计的信息符号表示为：

其中，和则分别表示每个子块中有效扩频码索引，有效循环移位索引和调制符号的估计值。