黃遠(yuǎn)芳，馮海泓，李記龍

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FBMC/OQAM水聲通信系統(tǒng)的適應(yīng)性成型脈沖設(shè)計(jì)

黃遠(yuǎn)芳1,2，馮海泓1，李記龍1

(1. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海 201815；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

水聲信道是一個(gè)時(shí)變的雙擴(kuò)散信道，不僅會(huì)引起傳輸信號(hào)的時(shí)頻擴(kuò)展，而且會(huì)造成嚴(yán)重的信息損失。由于濾波器組多載波/交錯(cuò)正交幅度調(diào)制(Filter Bank Based Multicarrier/Offset Quadrature Amplitude Modulation, FBMC/ OQAM)系統(tǒng)可通過(guò)改變發(fā)送信號(hào)的成型脈沖來(lái)減小時(shí)頻擴(kuò)展帶來(lái)的符號(hào)干擾和子載波干擾，因此更適合快速時(shí)變的水下聲信道。為了降低現(xiàn)有成型脈沖設(shè)計(jì)算法的優(yōu)化難度，提出了一種快速且易于實(shí)現(xiàn)的成型脈沖設(shè)計(jì)方法，該方法根據(jù)信道時(shí)頻統(tǒng)計(jì)特性對(duì)擴(kuò)展高斯函數(shù)(Extend Gaussian Function, EGF)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了期望信號(hào)能量最大化，并在時(shí)域符號(hào)間加入適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)間隔，進(jìn)一步增強(qiáng)了抗多途干擾的能力。仿真結(jié)果表明，無(wú)論在高頻散信道還是在低頻信道下，相比于其它成型脈沖算法，該算法在降低計(jì)算量的同時(shí)，改進(jìn)了的FBMC/OQAM系統(tǒng)的傳輸性能，誤碼率降低了2～3 dB。

水聲通信；FBMC/OQAM系統(tǒng)；時(shí)變信道；成型脈沖濾波器；擴(kuò)展高斯函數(shù)

0 引言

正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)由于具有頻譜利用率高、均衡器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特性，成為近年來(lái)高速水聲通信的研究熱點(diǎn)[1]。對(duì)于水下聲信道，由于聲波的傳播速度遠(yuǎn)小于電磁波的傳播速度，因此在艦載移動(dòng)通信條件下的多普勒頻移比無(wú)線通信的多普勒頻移大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，再加上海洋環(huán)境的起伏，使得載波產(chǎn)生較大的頻率偏移。隨著子載波正交性的破壞，OFDM系統(tǒng)的通信性能將嚴(yán)重下降。雖然循環(huán)前綴(Cyclic Prefix, CP)的引入降低了多途效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響，但水聲信道的時(shí)延變化范圍較大，可達(dá)到幾百毫秒的數(shù)量級(jí)，使得OFDM系統(tǒng)的傳輸效率和通信誤碼率之間的矛盾變得尤為突出[2]。針對(duì)水聲信道的復(fù)雜性，具有頻譜利用率高、對(duì)時(shí)變信道不敏感等特性的濾波器組多載波技術(shù)(Filter Bank Based Multicarrier, FBMC)受到了格外關(guān)注[3-4]。

文獻(xiàn)[9-10]指出，當(dāng)成型脈沖的時(shí)頻擴(kuò)散度與實(shí)際傳輸信道的散射函數(shù)相匹配時(shí)，尤其在雙擴(kuò)散嚴(yán)重的信道中，信干比(Signal Interference Ratio, SIR)可提高3～6 dB。近年來(lái)，出現(xiàn)了大量關(guān)于FBMC的適應(yīng)性成型脈沖設(shè)計(jì)的研究。其中，文獻(xiàn)[12-14]和文獻(xiàn)[15]分別對(duì)埃爾米特(Hermite)脈沖、高斯脈沖進(jìn)行了優(yōu)化，文獻(xiàn)[16]通過(guò)約束帶外能量設(shè)計(jì)出了短時(shí)完全重建(Short Perfect Reconstruction，SPR)濾波器。雖然這幾類(lèi)優(yōu)化脈沖改善了FBMC系統(tǒng)的通信性能，但算法普遍涉及非線性?xún)?yōu)化問(wèn)題的求解，復(fù)雜度較高，難以滿(mǎn)足通信實(shí)時(shí)性的需求。針對(duì)該問(wèn)題，本文提出了一種適合時(shí)變信道環(huán)境的成型脈沖設(shè)計(jì)方法，該方法的主要思想是結(jié)合信道散射函數(shù)，以最優(yōu)信道增益為優(yōu)化準(zhǔn)則對(duì)EGF脈沖進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)信道時(shí)間擴(kuò)散程度在符號(hào)間加入適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)間隔，進(jìn)一步降低了多途的影響，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)期望信號(hào)的能量最大化和干擾最小化。此外，為了降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，本文給出了一種FBMC/OQAM系統(tǒng)的快速實(shí)現(xiàn)方法。蒙特卡洛仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的成型脈沖在時(shí)變信道下具有較穩(wěn)健的通信性能。

1 系統(tǒng)模型

1.1 調(diào)制

FBMC/OQAM系統(tǒng)的基帶傳輸函數(shù)為[17]

其中，

1.2 正交性

其中，

1.3 時(shí)變信道下的信號(hào)解調(diào)

通常水聲信道可看作時(shí)變的多途信道，若發(fā)送信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)變信道(忽略噪聲的影響)，則接收信號(hào)為[18]

其中，

1.4 輸出信干擾比

1.5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

由于交換反快速傅里葉變換(Inverse Fast Fourier transform, IFFT)與的位置不影響計(jì)算結(jié)果，因此可先計(jì)算數(shù)據(jù)流的IFFT，然后與脈沖相乘。具體離散系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示，其中，的截?cái)鄥^(qū)間為，L是重疊因子。與文獻(xiàn)[17]不同的是，本文的調(diào)制解調(diào)流程采用時(shí)域加窗，對(duì)實(shí)部和虛部進(jìn)行處理后延遲相加，因此只需給出指定長(zhǎng)度的脈沖波形，實(shí)現(xiàn)起來(lái)更簡(jiǎn)單。

2 適應(yīng)性成型脈沖設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)變信道模型

2.2 基帶成型脈沖濾波器

本文采用EGF脈沖，其表達(dá)式為：

2.3 時(shí)頻局域性(Time Frequency Localization, TFL)

其中,

其中，

圖2 σt或σf隨α變化的曲線圖

Fig.2 σt or σf versus α

2.4 模糊函數(shù)簡(jiǎn)化

將式(22)代入式(12)，得

優(yōu)化目標(biāo)等價(jià)于

3 仿真結(jié)果

本部分將采用Matlab仿真軟件對(duì)OFDM與FBMC/OQAM通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真實(shí)驗(yàn)所涉及的通信系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。其中，F(xiàn)BMC/OQAM系統(tǒng)中的每個(gè)數(shù)據(jù)幀由=10個(gè)符號(hào)組成，幀前均包含一個(gè)訓(xùn)練序列用于信道估計(jì)，信道估計(jì)方法采用最小二乘(Least Square, LS)方法，并在接收端對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行單抽頭迫零均衡。對(duì)于給定的信道，子載波間隔的減小可以降低多途對(duì)系統(tǒng)的影響，然而由=1可知將會(huì)增大，隨著的增大無(wú)疑會(huì)引入較大的頻偏影響?？紤]到信道影響和頻譜效率這兩個(gè)因素，我們令=16 Hz，相應(yīng)的=1/=62.5 ms，令時(shí)變信道帶寬=4.096 kHz，則子信道數(shù)目=256。本文主要研究采用不同成型脈沖的FBMC/OQAM系統(tǒng)對(duì)時(shí)變信道環(huán)境的適應(yīng)性，并與傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)對(duì)比，除了EGF脈沖，其余脈沖的參數(shù)參考文獻(xiàn)[18]。如無(wú)特別聲明，本文采用蒙特卡洛方法對(duì)WSSUS信道建模[19]，一個(gè)信道由主要的=6條多徑組成，各個(gè)多徑的幅值=[1,0.42,0.28,0.14,0.07,0.02]，對(duì)每個(gè)信道進(jìn)行50次仿真平均。

表1 通信系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

為了更好地適應(yīng)多途信道，OFDM系統(tǒng)通過(guò)在符號(hào)間加入循環(huán)前綴的方法，在接收端消除大部分碼間干擾。相反，F(xiàn)BMC/OQAM系統(tǒng)因其時(shí)域符號(hào)相互重疊，因此只能通過(guò)設(shè)計(jì)成型脈沖來(lái)減小多途信道帶來(lái)的碼間干擾。雖然成型脈沖的設(shè)計(jì)可在一定程度上降低OFDM系統(tǒng)對(duì)頻移的敏感，但在強(qiáng)多途環(huán)境下，通信性能將嚴(yán)重下降。為了提高FBMC/OQAM系統(tǒng)應(yīng)對(duì)多途的能力，將利用CP-OFDM(Cyclic Prefix- Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系統(tǒng)的特點(diǎn)，在FBMC/OQAM系統(tǒng)加入與CP-OFDM系統(tǒng)的循環(huán)前綴相等(為了保證兩系統(tǒng)具有相等的通信速率)的保護(hù)間隔。

圖3 雙擴(kuò)散信道下誤碼率隨保護(hù)間隔的變化

圖4 低頻散信道下誤碼率隨信噪比的變化

圖5 高頻散信道下誤碼率隨信噪比的變化

圖6 強(qiáng)多途信道下誤碼率隨多普勒頻移的變化

圖7 高頻散信道下誤碼率隨多途的變化

4 結(jié)論

本文深入研究了FBMC/OQAM系統(tǒng)的成型脈沖設(shè)計(jì)算法，提出了一種適合水聲時(shí)變信道的成型脈沖濾波器，并給出了一種簡(jiǎn)單有效的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。在該系統(tǒng)下，將優(yōu)化的EGF脈沖與其他脈沖在WSSUS時(shí)變信道模型下進(jìn)行了仿真比較，同時(shí)也比較了FBMC/OQAM系統(tǒng)與傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)的通信性能。結(jié)果表明，在時(shí)變信道環(huán)境中，優(yōu)化的EGF脈沖在高信噪比條件下通信性能優(yōu)于其他幾類(lèi)脈沖，同時(shí)也優(yōu)于OFDM系統(tǒng)。尤其在高頻散信道下，相比于OFDM系統(tǒng)，F(xiàn)BMC/OQAM系統(tǒng)誤碼率下降了近5 dB。脈沖優(yōu)化算法充分利用了時(shí)變信道的統(tǒng)計(jì)特性，有效降低了時(shí)頻雙擴(kuò)散效應(yīng)引入的符號(hào)干擾和載波干擾，因此適合帶寬資源緊張的快速時(shí)變水聲信道。

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Adaptive pulse shaping design for FBMC/OQAM system in underwater acoustic communication

HUANG Yuan-fang1,2, FENG Hai-hong1, LI Ji-long1

(1. Shanghai Acoustic Laboratory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201815, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Underwater acoustic channel is a time-varying doubly dispersive channel, which will not only cause the time-frequency spread of transmission signal, but also cause serious loss of information. Pulse shaping design of the FBMC/OQAM systems can reduce the inter-symbol interference (ISI) and inter-channel interference (ICI) in time-varying channels, therefore is more suitable for highly time-varying underwater acoustic channel. To avoid the difficulty of optimizing the existing methods, a fast and reliable pulse shaping design method is introduced, which takes advantage of the statistic characteristics of time-varying channels to optimize the Extended Gaussian Function (EGF) for maximizing the energy of the desired signal and adds appropriate protection intervals between symbols to further combat time dispersion. Simulation results show that the performance of the proposed adaptive pulse shaping design method is superior to some other methods, whether in algorithm’s speed or in system communication performance, and whether in frequency mildly dispersive channel or in frequency highly dispersive channel. The error rate of FBMC/OQAM systems is reduced by 2～3 dB.

underwater acoustic communication; FBMC/OQAM system; time-varying channel;pulse shaping filter;extended Gaussian function

TB56

A

1000-3630(2019)-01-0032-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.005

2018-01-26;

2018-03-08

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61531018)。

黃遠(yuǎn)芳(1992－), 女, 廣東汕頭人, 碩士, 研究方向?yàn)樗曂ㄐ拧?/p>

馮海泓,E-mail: fhh@mail.ioa.ac.cn