呂曜輝，杜鵬宇，張宏滔，朱小輝

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基于混沌正交組合序列的M元碼分多址水聲通信

呂曜輝1,2，杜鵬宇3，張宏滔3，朱小輝3

(1. 哈爾濱工程大學水聲技術(shù)重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150001； 2. 中國科學院聲學研究所，北京 100190； 3. 杭州應用聲學研究所聲納技術(shù)重點實驗室，浙江杭州 310023)

提出了M元能量檢測器算法，該算法簡單易實現(xiàn)，極大優(yōu)化了M元碼分多址系統(tǒng)接收機結(jié)構(gòu)和解碼運算量。同時，M元能量檢測器具有抗載波相位跳變和抗水聲信道多途干擾的能力。針對M元碼分多址水聲通信系統(tǒng)中所需擴頻序列數(shù)量龐大、選碼難度高的問題，提出了混沌正交組合序列，通過簡單的迭代組合即可產(chǎn)生大量滿足要求的擴頻序列，而且同族的混沌正交組合序列間滿足正交關(guān)系。海試試驗成功實現(xiàn)了7個用戶的M元碼分多址水聲通信試驗 (=512)，共采用了3 584條混沌正交組合序列，每個用戶通信速率為70 bit.s-1，驗證了算法的有效性，為網(wǎng)絡化水聲通信的應用提供了技術(shù)基礎。

水聲通信；M元編碼；碼分多址；混沌正交組合序列；能量檢測器

0 引言

隨著水聲通信技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡通信需求的增加，多用戶水下聲通信逐漸成為一個廣泛關(guān)注的研究對象[1-2]，這種對水下通信網(wǎng)的廣泛興趣已經(jīng)開始，水下通信網(wǎng)和無人水下潛器及水下無線傳感網(wǎng)絡融合并開啟了一系列對深海探測的序曲。西方發(fā)達國家對水聲通信領(lǐng)域的研究、開發(fā)非常重視，目前國外一些機構(gòu)包括美國海軍水下作戰(zhàn)中心、美國海軍研究局、麻省理工學院、Woods Hole海洋研究所、Scripps實驗室、英國海洋研究所及多所高校，已組建多個水聲通信網(wǎng)并進行了多次試驗，部分網(wǎng)絡已應用于實際，不斷推進覆蓋地面、空中、水下的立體信息通信網(wǎng)的形成。例如美海軍自1998年起多次進行海洋萬維網(wǎng)(Seaweb)[3]水聲通信網(wǎng)絡試驗，是目前規(guī)模最大的在研實用水聲網(wǎng)絡，旨在推進未來海軍性能最好的水下信息作戰(zhàn)系統(tǒng)DADS，它既可用于全球信息化海戰(zhàn)，也可用于信息化海洋研究與開發(fā)；美國于2008年演示的“近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)”PLUSNet是當今世界上最先進的水下網(wǎng)絡之一，由多個攜帶半自主傳感器的潛航器組成。

為了防止相互干擾，需要選擇多址接入的方式來使多個用戶進行通信，目前無線電通信中常用的技術(shù)為頻分、碼分、時分等多址技術(shù)。由于水聲信道的帶寬有限且聲速在水中傳播速度較慢，頻分多址和時分多址技術(shù)在水聲多用戶通信中應用較為困難。碼分多址技術(shù)中使用的不同用戶地址碼相互正交，對信道及噪聲抗干擾的能力很強，所以相比其他復用技術(shù)而言，碼分多址技術(shù)已經(jīng)成為一些水聲通信多用戶系統(tǒng)研究的焦點[4-5]。

M元直接序列擴頻方式可以獲得比傳統(tǒng)直接序列擴頻更高的處理增益和頻帶利用率[6-7]，但是由于M元直擴系統(tǒng)接收機需要拷貝相關(guān)器組進行譯碼，所以隨著的增大計算量將顯著增加[8]。在M元碼分多址(M-ary Code Division Multiple Access，M-CDMA)系統(tǒng)中，這一問題將更加明顯。雖然出現(xiàn)了一些改進算法，但是目前已采用的M元擴頻技術(shù)中值一般不會很大[9-10]，以保證系統(tǒng)接收端的解碼工作量不至過于龐大。本文采用M-CDMA系統(tǒng)中的=512，若仍然采用傳統(tǒng)的拷貝相關(guān)器組進行解碼，接收機結(jié)構(gòu)將變得十分復雜，同時系統(tǒng)所需的擴頻碼數(shù)量十分巨大，選碼難度增加。

由于海面的起伏和收發(fā)雙方的相對運動，相干水聲通信的接收信號載波上將會產(chǎn)生一個隨時間變化的跳變相位。跳變相位將直接導致水聲擴頻系統(tǒng)的擴頻增益下降，嚴重影響水聲擴頻系統(tǒng)的性能。因此，在設計任何一個水聲擴頻系統(tǒng)時都必須考慮如何解決跳變相位的影響。對于跳變載波相位，通常采用鎖相環(huán)(Phase Locking Loop，PLL)技術(shù)來對載波進行跟蹤同步，但是在碼分多址系統(tǒng)中，由于多址干擾的影響，鎖相環(huán)技術(shù)的應用將變得十分困難。

綜上，M-CDMA系統(tǒng)的實現(xiàn)將面臨著以下幾個問題：(1) 當過大時，接收端解碼運算量巨大；(2) 多用戶系統(tǒng)中載波相位跳變的影響；(3) 系統(tǒng)需要龐大數(shù)量的擴頻序列。本文基于M元直擴系統(tǒng)，提出M元能量檢測器算法，該算法具有抗載波相位跳變和抗水聲信道多途擴展影響的能力，同時簡單易實現(xiàn)，極大優(yōu)化了M-CDMA系統(tǒng)接收端的解碼運算量。針對M-CDMA選碼難度高的問題，本文提出了混沌正交組合序列，通過簡單的迭代和組合即可產(chǎn)生大量滿足要求的擴頻序列。2015年1月，在某海域成功實現(xiàn)了7個用戶的M-CDMA水聲通信，每個用戶的通信速率為70 bit.s-1.

1 M元能量檢測器

1.1 M元能量檢測器原理

圖1給出了M元能量檢測器的原理圖，下面通過公式推導來對M元能量檢測器的原理進行說明。

圖1 M元能量檢測器原理圖

首先定義一個M元擴頻序列矩陣：

式中，為移位矩陣，定義為

接收端采用M元能量檢測器進行解碼，其將本地參考的M元擴頻序列矩陣與接收信號進行相乘，通過檢測輸出信號能量來完成解碼：

從上述推導過程可以看出，與傳統(tǒng)的拷貝相關(guān)譯碼相比，M元能量檢測器大大減小了接收端系統(tǒng)的運算量。下面將進一步分析M元能量檢測器的性能。

1.2 性能分析

解調(diào)后信號經(jīng)過低通濾波處理并離散化：

此時M元能量檢測器輸出為

可以看出，當載波相位跳變緩慢變化時，M元能量檢測器算法可有效抑制載波相位跳變的干擾。

2 M-CDMA水聲通信系統(tǒng)

2.1 混沌正交組合序列

Walsh序列具有良好的正交性能，且產(chǎn)生方便，其遞推關(guān)系如下：

Walsh序列雖然具有嚴格的正交關(guān)系，但是其自相關(guān)特性較差，因此將混沌序列與Walsh組合，構(gòu)成混沌正交組合序列。

通過式(15)生成的一族混沌正交組合序列仍保持著同一族序列中任意兩條序列互相正交的性能：

同時，混沌正交組合序列也保有了混沌序列優(yōu)良的相關(guān)特性。在一族(=32)混沌正交組合序列中，隨機選擇一條序列分別與所有序列做相關(guān)運算的輸出結(jié)果如圖2所示。可以看到，本文提出的混沌正交序列均擁有良好的相關(guān)特性，不同的混沌正交組合序列呈弱互相關(guān)特性。

將混沌正交組合序列應用到M元能量檢測器中，則式(5)將變?yōu)?/p>

由式(5)可知，當采用傳統(tǒng)擴頻序列(如Gold序列)時，由于接收擴頻序列與非期望擴頻序列并非嚴格正交，因此接收擴頻序列與本地期望擴頻序列匹配輸出能量將受到其與本地非期望擴頻序列匹配輸出能量的干擾。而由式(17)可以看到，利用混沌正交組合序列的正交特性，當前接收擴頻序列與本地序列非期望序列的匹配輸出能量均為0，保證了在檢測接收擴頻序列與本地期望擴頻序列匹配輸出能量時，不受其與非期望擴頻序列匹配輸出能量的影響，從而提高了M元能量檢測器的性能。

2.2 M-CDMA系統(tǒng)

傳統(tǒng)的碼分多址系統(tǒng)中，每個用戶分配一條偽隨機序列作為地址碼；而M-CDMA系統(tǒng)中，每個用戶需要分配條偽隨機序列作為地址碼，這將直接增大系統(tǒng)的選碼難度。另外，隨著的增加，M-CDMA系統(tǒng)的接收機結(jié)構(gòu)將變得十分復雜。針對上述問題，本文提出了基于M元能量檢測器算法的M-CDMA水聲通信系統(tǒng)，系統(tǒng)中的擴頻序列采用本文提出的混沌正交組合序列，系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 M-CDMA系統(tǒng)原理圖

DS-CDMA系統(tǒng)在發(fā)送端為每個用戶分配一個擴頻序列作為地址碼，而本文提出的M-CDMA系統(tǒng)則是在發(fā)送端為每個用戶分配一族彼此正交的混沌組合序列。由于DS-CDMA系統(tǒng)中每個用戶對應的擴頻序列彼此不是嚴格正交，因此系統(tǒng)將出現(xiàn)多址干擾；同理，由于不同族的混沌正交組合序列間并非嚴格正交，本文提出的M-CDMA系統(tǒng)同樣存在著碼間干擾，下面通過公式進行說明。

式(19)指出，M-CDMA系統(tǒng)中的干擾來自兩個方面：多址干擾和噪聲干擾。由于不同族的混沌正交組合序列并非嚴格正交，將隨著用戶數(shù)量的增多而增大，而噪聲干擾由于被本地擴頻序列進行了擴頻處理，其干擾大大降低。因此M-CDMA系統(tǒng)中的主要干擾為多址干擾，并且隨著用戶數(shù)量的增多而增大。多址干擾是限制碼分多址系統(tǒng)的系統(tǒng)容量的主要因素。另外，水聲信道的多途擴展將使得M-CDMA系統(tǒng)的多址干擾變得更加嚴重。時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)具有時間和空間聚焦的特性，可以很好的與碼分多址系統(tǒng)結(jié)合。因此，將時反處理技術(shù)與M-CDMA系統(tǒng)結(jié)合可以有效抵抗水聲信道帶來的影響，顯著提高系統(tǒng)容量。

3 海試試驗

2015年1月在某海域進行了M-CDMA海上試驗，試驗海域深度為20～40 m。試驗當天海面風浪較大，這使得接收信號的相位發(fā)生快速跳變。由于試驗條件限制，本次海試試驗無法進行嚴格意義上的M-CDMA試驗，而是單獨接收M-CDMA系統(tǒng)中各個用戶的信號，在后續(xù)數(shù)據(jù)處理時將所有用戶的接收數(shù)據(jù)進行疊加處理。圖4給出了M-CDMA海試試驗的布局情況，接收端在A點錨定不動，發(fā)射端分別在距離A點5 km、7 km和10 km處，改變換能器的布放深度，給各個用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖4 M-CDMA系統(tǒng)的海試布局

M-CDMA系統(tǒng)不僅受到多址干擾的影響，還將受到“遠近效應”的影響。在多址水聲通信中，由于各用戶節(jié)點與主節(jié)點所處的水平距離不同，使得各信號到達主節(jié)點的傳播損失是不同的，如果所有用戶都以相同的功率發(fā)射，距離主節(jié)點較近的用戶接收功率較大。這樣，功率較強的信號將會使功率較弱的信號淹沒其中，無法正確解碼；另外，與主節(jié)點水平距離相同、發(fā)射深度不同的用戶，由于經(jīng)過的水聲信道不同，各個用戶信號到達主節(jié)點的傳播損失仍然不同，這同樣會導致“遠近效應”。即多址水聲通信中的“遠近效應”問題不僅要考慮到用戶間的相對位置，還要全面考察水聲信道的特性?！斑h近效應”問題一般采用功率控制算法解決。由于功率控制不在本文討論范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)處理時首先將各個用戶的功率進行歸一化處理，避開“遠近效應”對多址系統(tǒng)的影響。

圖5給出了M-CDMA系統(tǒng)中每個用戶與主節(jié)點間水聲信道實際測量的歸一化輸出結(jié)果?？梢钥闯觯總€用戶的信道多途擴展都在10 ms以內(nèi)，信道結(jié)構(gòu)較為簡單，不同用戶對應的水聲信道結(jié)構(gòu)不同。表1給出了海試試驗相關(guān)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。由于本次海試每個用戶發(fā)送數(shù)據(jù)量有限，M-CDMA系統(tǒng)所有用戶均實現(xiàn)了0誤碼解碼。圖6給出了M-CDMA系統(tǒng)中每個用戶前10 bit信息解碼效果圖，從圖6可以看出，在每個用戶的每個符號周期內(nèi)，M元能量檢測器，輸出能量均出現(xiàn)明顯的峰值。因此通過搜索符號周期內(nèi)峰值出現(xiàn)的位置即可完成當前用戶的當前符號周期內(nèi)的解碼。

圖5 不同用戶實測的信道圖

表1 M-CDMA系統(tǒng)中的用戶位置信息

圖6 M-CDMA系統(tǒng)解碼輸出結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出的M元能量檢測器算法，通過檢測匹配能量輸出進行解碼，極大優(yōu)化了M元碼分多址系統(tǒng)接收機結(jié)構(gòu)，降低了接收端解碼計算量。同時，M元能量檢測器算法具有抗載波相位跳變和抗水聲信道多途擴展干擾的能力。本文提出的混沌正交組合序列使得M元碼分多址系統(tǒng)選碼工作變得簡單，在M元碼分多址水聲系統(tǒng)通信試驗中通過簡單的迭代和組合成功產(chǎn)生了7族3584條擴頻序列。在2015年1月的海上試驗中成功實現(xiàn)了7個用戶的M元碼分多址水聲通(=512)，解碼效果良好。

基于M元能量檢測器和混沌正交組合序列的M元碼分多址通信系統(tǒng)仍然受到多址干擾的影響，這是因為不同族的混沌正交組合序列并非具有嚴格正交特性，這使得基于混沌正交編碼的M元多用戶系統(tǒng)仍然面臨“遠近效應”的問題，后續(xù)將重點針對“遠近效應”問題開展功率控制研究。另外，水聲信道將使期望用戶和非期望用的多途擴展干擾變成“虛擬用戶”，使得多址干擾進一步增加，從而嚴重影響系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)容量。因此，后續(xù)研究將充分考慮水聲信道的影響，通過結(jié)合實際水聲物理環(huán)境特性發(fā)展空分多址技術(shù)，進一步提高M元碼分多址系統(tǒng)性能。

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M-ary code division multiple access underwater acoustic communication based on chaotic orthogonal combination sequence

Lü Yao-hui1,2, DU Peng-yu3, ZHANG Hong-tao3, ZHU Xiao-hui3

(1. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang, China;2. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;3.Science and Technology on Sonar Laboratory, Hangzhou Applied Acoustic Institute, Hangzhou 310023,Zhejiang, China)

An M-ary energy detector algorithm is proposed. The algorithm is simple and easy to implement, which greatly optimizes the receiver structure and decoding operation of the M-ary code division multiple access (CDMA) system. Also, the M-ary energy detector has the ability to resistcarrier phase hopping and multi-channel interference in underwater acoustic channels. To solve the problem of selecting a large number of spreading sequences in M-ary CDMA underwater acoustic communication system, a chaotic orthogonal combination sequence is proposed in this paper, and a large number of spreading sequences satisfying the requirements can be generated through a simple combination of iterations. And, the orthogonal relationship exists between the chaotic orthogonal combination sequences of the same family. In January 2015, a sea trial successfully implemented the M-ary code CDMA Acoustic Communication Test (= 512) for 7 users with a total of 3584 chaotic orthogonal combination sequences and a communication rate of 70 bit.s-1, whichverifies the validity of the proposed algorithm and provides a technical basis for the application of networked underwater acoustic communications.

underwater acoustic communication; M-ary code; code division multiple access; chaotic orthogonal combination sequence; energy detector

TB567

A

1000-3630(2018)-01-0032-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.01.006

2017-12-04;

2018-02-10

國家自然科學基金資助項目(61701449、61701450、61471137)。

呂曜輝(1982－), 男, 北京人, 碩士研究生, 研究方向為水聲信號處理。

呂曜輝, E-mail: hqb0092@163.com