孫琳，李海森，董照琦，鄒博

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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基于TR-STBC的MIMO水聲通信方法

孫琳1,2，李海森1,2，董照琦1,2，鄒博1,2

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：針對(duì)水下小尺度接收平臺(tái)通過(guò)僅使用接收分集的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法，獲得的空間處理能力弱、通信性能較差的問(wèn)題，提出了時(shí)反空時(shí)分組編碼(TR-STBC)多輸入多輸出 (MIMO)水聲通信方法。根據(jù)正交空時(shí)分組編碼的原理，設(shè)計(jì)了碼率為1/2的TR-STBC方案，所提方法利用該編碼方案可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射分集，從而提高系統(tǒng)的空間處理性能，進(jìn)而降低誤碼率和后處理所用自適應(yīng)均衡器的復(fù)雜度。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：與僅使用接收分集的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法相比，所提方法性能更優(yōu)，并且當(dāng)發(fā)射陣元數(shù)固定、陣元間距與信道的垂直相關(guān)長(zhǎng)度相等時(shí)，所提方法能獲得最佳的空間處理性能。

關(guān)鍵詞：水聲通信；被動(dòng)時(shí)反；時(shí)反空時(shí)分組編碼；多輸入多輸出；自適應(yīng)均衡

高速、高性能的水聲通信是近年來(lái)水聲領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。隨著通信速率的增加，淺水信道的多途效應(yīng)[1]所引起的碼間干擾會(huì)影響幾十甚至上百個(gè)碼元，這極大地影響了通信性能。為了抑制嚴(yán)重的碼間干擾，傳統(tǒng)的水聲通信往往采用復(fù)雜的自適應(yīng)均衡技術(shù)[2]。近年來(lái)，時(shí)反技術(shù)由于其結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性和良好的空時(shí)聚焦性[3]，被廣泛的應(yīng)用于水聲通信領(lǐng)域[4-9]。

時(shí)反技術(shù)主要可分為主動(dòng)時(shí)反(active time reversal, ATR)和被動(dòng)時(shí)反(passive time reversal, PTR)。與ATR相比，PTR僅需要單向傳輸，探測(cè)信號(hào)和信息信號(hào)的間隔時(shí)間短，更能保證估計(jì)的信道和實(shí)際信道的匹配性，因此得到了更廣泛地研究。時(shí)反技術(shù)與空間分集技術(shù)相結(jié)合，可以獲得較高的空間處理性能，進(jìn)而提高通信性能[3]?，F(xiàn)有研究中，PTR主要與接收分集相結(jié)合，但是當(dāng)接收平臺(tái)的尺度較小、陣元數(shù)較少時(shí)，能夠獲得空間處理性能較低，為了進(jìn)一步提高通信性能，可以利用發(fā)射分集。文獻(xiàn)[8]對(duì)基于發(fā)射分集的PTR水聲通信進(jìn)行了初步的研究，但是該方法PTR處理后的信號(hào)不能實(shí)現(xiàn)最大比合并，因此通過(guò)發(fā)射分集獲得空間處理性能較低。本文提出了時(shí)反空時(shí)分組編碼(time-reversal space-time block coding, TR-STBC) 多輸入多輸出(multiple-input-multiple-output, MIMO)水聲通信方法。所提方法根據(jù)正交空時(shí)分組編碼的原理[10-11]，設(shè)計(jì)了碼率為1/2的TR-STBC方案，使小尺度接收平臺(tái)PTR處理后的信號(hào)實(shí)現(xiàn)最大比合并，從而獲得較高的空間處理性能，進(jìn)而提高通信性能。

1TR-STBC MIMO水聲通信方法

1.1發(fā)射端的信號(hào)處理

(a)發(fā)射端

(b)接收端圖1　發(fā)射-接收方案原理框圖Fig. 1　Block diagram of transmitter and receiver

(1)

(2)

式中：0N是一個(gè)N×N的零矩陣。

1.2接收端的信號(hào)處理

第j個(gè)陣元接收的信號(hào)為

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

并將M個(gè)接收陣元處理后的信號(hào)合并可得

(8)

其中

(9)

由式(8)、(9)知，N個(gè)發(fā)射信號(hào)的副本在接收端實(shí)現(xiàn)了最大比合并。此外，式(8)等號(hào)右端第1項(xiàng)包含了系數(shù)2，這是因?yàn)?/2碼率的TR-STBC使每個(gè)子信號(hào)都發(fā)射了2次。

2空間處理性能

2.1理論推導(dǎo)

無(wú)線電通信中，多元收發(fā)對(duì)空間處理性能的提高通過(guò)空間分集增益：

來(lái)衡量，式中：γ表示輸入信噪比，Pe表示錯(cuò)誤概率。淺水通信中錯(cuò)誤概率尚未有統(tǒng)一公式，但是淺水通信中錯(cuò)誤概率與輸出信號(hào)干擾噪聲比(signal-to-interference-noiseratio,SINR)有一定關(guān)系，因此以下通過(guò)分析輸入信噪比和輸出SINR的關(guān)系來(lái)衡量所提方法的空間處理性能，即在輸入信噪比的不變條件下，輸出SINR越高，空間處理性能就越高。

將式(8)中信號(hào)矩陣進(jìn)行重組，并按碼元速率1/T進(jìn)行采樣可得

(10)

式(10)右端第1項(xiàng)僅與第m時(shí)刻發(fā)射的信息碼元有關(guān)，第2項(xiàng)為其他碼元對(duì)第m個(gè)碼元產(chǎn)生碼間干擾，第3項(xiàng)為噪聲干擾。

由式(10)可得，所提方法的輸出SINR為

(11)

由文獻(xiàn)[3]知,僅使用接收分集的PTR水聲通信方法的輸出SINR為

(12)

2.2仿真分析

由于在淺水環(huán)境中，空間分集所能獲得的空間處理性能與不同陣元間的信道響應(yīng)的相關(guān)性有關(guān)，因此為了分析所提方法的空間處理性能，必須分析信道間的相關(guān)性。本文利用相關(guān)系數(shù)[12]來(lái)衡量信道間的相關(guān)性。

(a)相關(guān)系數(shù)ρik,1

(b)相關(guān)系數(shù)ρik,2圖2　發(fā)射陣元與接收陣元間信道的相關(guān)系數(shù)Fig. 2　Correlation coefficients of channels between transmitter elements and receiver elements

(a)P/N0為30 dB時(shí)

(b)P/N0為10 dB時(shí)圖3　2種通信方法輸出SINRFig. 3　Output SINR of two communication methods

3水池試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)在四壁消聲的信道水池內(nèi)進(jìn)行，池底為沙底。接收陣由無(wú)指向性的標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器R1和R2組成，其分別距離水面1 m和2 m。發(fā)射陣與接收陣的水平距離為L(zhǎng)=6.5 m，由2個(gè)無(wú)指向性發(fā)射換能器T1和T2組成，其中T1距離水面1.5 m,T2距離水面1.7 m。

發(fā)射信息碼元總數(shù)為5 100，碼率為2 400symbol/s，其中，前200個(gè)碼元用于訓(xùn)練。載波頻率為12 kHz，接收端的采樣頻率為60 kHz。試驗(yàn)中后處理所用的均衡器為直接判決均衡器，采樣間隔為符號(hào)間隔，抽頭數(shù)為nt，所用算法為RLS算法，遺忘因子為λ=0.999。

圖4、5分別給出了在接收信噪比為24.0dB時(shí)，本文方法和僅使用接收分集的PTR水聲通信方法的試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比圖4、5的結(jié)果可知，在未使用自適應(yīng)均衡時(shí)，與僅使用接收分集的PTR水聲通信方法相比，由于所提方法利用發(fā)射分集提高了系統(tǒng)的空間處理性能，因此誤碼率BER更低，星座圖分布更好；在自適應(yīng)均衡處理后，由于所提方法利用發(fā)射分集提高了系統(tǒng)的空間處理性能，降低了時(shí)反處理后的殘余干擾，因此在均衡后的誤碼率相似的情況下，所提方法所用的均衡器的抽頭數(shù)降低了一半。

圖4　所提方法的性能Fig. 4　Performance of the proposed method

圖5　僅使用接收分集的PTR水聲通信方法的性能Fig. 5　Performance of the PTR acoustic communication method exploiting receiver diversity alone

4結(jié)論

本文提出了基于TR-STBC的MIMO水聲通信方法，闡述了方法的原理，并有針對(duì)性地構(gòu)建了淺海信道模型和水池試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：

1) 所提方法利用設(shè)計(jì)的碼率為1/2的TR-STBC方案可以使多元發(fā)射信號(hào)在接收端實(shí)現(xiàn)最大比合并，從而獲得較高的空間處理性能；

2) 與僅使用接收分集的PTR水聲通信方法相比，由于所提方法提高了系統(tǒng)的空間處理性能，因此其誤碼率和后處理所用自適應(yīng)均衡器的復(fù)雜度更低，通信性能更優(yōu)；

3) 當(dāng)發(fā)射陣元數(shù)固定時(shí)，令發(fā)射陣元間距等于信道的垂直相關(guān)長(zhǎng)度，可以使所提方法獲得的空間處理性能達(dá)到最佳。

下一步工作是開(kāi)展湖上試驗(yàn)，驗(yàn)證所提方法的穩(wěn)定性。

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Multi-input-multi-output acoustic communications using time-reversal space-time block coding

SUN Lin1,2, LI Haisen1,2, DONG Zhaoqi1,2, ZOU Bo1,2

(1. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract：A multi-input-multi-output (MIMO) acoustic communication method using time-reversal space-time block coding (TR-STBC) was proposed to solve the problem that small-scale receivers in shallow water have low spatial processing performance and poor communication performance when using the passive time reversal (PTR) acoustic communication method, which employs receiver diversity alone. Through the 1/2 rate TR-STBC scheme, based on orthogonal space-time block coding, the proposed method uses transmitter diversity to improve spatial processing performance, and therefore, bit error rate (BER) and the complexity of the adaptive equalizer for post-processing could be reduced. Simulation and experiment results show that the proposed method is superior to the PTR communication method using receiver diversity alone. The proposed method shows best spatial processing performance, when the number of transmitter elements remains constant and the spacing of the transmitter elements equals the vertical coherence length of channel.

Keywords：acoustic communications; passive time reversal (PTR); time-reversal space-time block coding (TR-STBC); multiple-input-multiple-output (MIMO); adaptive equalization

中圖分類號(hào)：TN929.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-7043(2016)03-355-06

doi:10.11990/jheu.201408029

作者簡(jiǎn)介：孫琳(1981-), 女, 博士研究生;通信作者：李海森, E-mail: hsenli@126.com.

基金項(xiàng)目：中國(guó)高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20112304130003).

收稿日期：2014-08-21.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151027.1100.004.html

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2015-10-27.

李海森(1962-), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師.