基于TR-STBC的MIMO水声通信方法

孙琳，李海森，董照琦，邹博

(1.哈尔滨工程大学 水声技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工程大学 水声工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)



基于TR-STBC的MIMO水声通信方法

孙琳1,2，李海森1,2，董照琦1,2，邹博1,2

(1.哈尔滨工程大学 水声技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工程大学 水声工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

摘要：针对水下小尺度接收平台通过仅使用接收分集的被动时反水声通信方法，获得的空间处理能力弱、通信性能较差的问题，提出了时反空时分组编码(TR-STBC)多输入多输出 (MIMO)水声通信方法。根据正交空时分组编码的原理，设计了码率为1/2的TR-STBC方案，所提方法利用该编码方案可以实现发射分集，从而提高系统的空间处理性能，进而降低误码率和后处理所用自适应均衡器的复杂度。仿真和试验结果表明：与仅使用接收分集的被动时反水声通信方法相比，所提方法性能更优，并且当发射阵元数固定、阵元间距与信道的垂直相关长度相等时，所提方法能获得最佳的空间处理性能。

关键词：水声通信；被动时反；时反空时分组编码；多输入多输出；自适应均衡

高速、高性能的水声通信是近年来水声领域的研究热点之一。随着通信速率的增加，浅水信道的多途效应[1]所引起的码间干扰会影响几十甚至上百个码元，这极大地影响了通信性能。为了抑制严重的码间干扰，传统的水声通信往往采用复杂的自适应均衡技术[2]。近年来，时反技术由于其结构的简单性和良好的空时聚焦性[3]，被广泛的应用于水声通信领域[4-9]。

时反技术主要可分为主动时反(active time reversal, ATR)和被动时反(passive time reversal, PTR)。与ATR相比，PTR仅需要单向传输，探测信号和信息信号的间隔时间短，更能保证估计的信道和实际信道的匹配性，因此得到了更广泛地研究。时反技术与空间分集技术相结合，可以获得较高的空间处理性能，进而提高通信性能[3]。现有研究中，PTR主要与接收分集相结合，但是当接收平台的尺度较小、阵元数较少时，能够获得空间处理性能较低，为了进一步提高通信性能，可以利用发射分集。文献[8]对基于发射分集的PTR水声通信进行了初步的研究，但是该方法PTR处理后的信号不能实现最大比合并，因此通过发射分集获得空间处理性能较低。本文提出了时反空时分组编码(time-reversal space-time block coding, TR-STBC) 多输入多输出(multiple-input-multiple-output, MIMO)水声通信方法。所提方法根据正交空时分组编码的原理[10-11]，设计了码率为1/2的TR-STBC方案，使小尺度接收平台PTR处理后的信号实现最大比合并，从而获得较高的空间处理性能，进而提高通信性能。

1TR-STBC MIMO水声通信方法

1.1发射端的信号处理

(a)发射端

(b)接收端图1　发射-接收方案原理框图Fig. 1　Block diagram of transmitter and receiver

(1)

(2)

式中：0N是一个N×N的零矩阵。

1.2接收端的信号处理

第j个阵元接收的信号为

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

并将M个接收阵元处理后的信号合并可得

(8)

其中

(9)

由式(8)、(9)知，N个发射信号的副本在接收端实现了最大比合并。此外，式(8)等号右端第1项包含了系数2，这是因为1/2码率的TR-STBC使每个子信号都发射了2次。

2空间处理性能

2.1理论推导

无线电通信中，多元收发对空间处理性能的提高通过空间分集增益：

来衡量，式中：γ表示输入信噪比，Pe表示错误概率。浅水通信中错误概率尚未有统一公式，但是浅水通信中错误概率与输出信号干扰噪声比(signal-to-interference-noiseratio,SINR)有一定关系，因此以下通过分析输入信噪比和输出SINR的关系来衡量所提方法的空间处理性能，即在输入信噪比的不变条件下，输出SINR越高，空间处理性能就越高。

将式(8)中信号矩阵进行重组，并按码元速率1/T进行采样可得

(10)

式(10)右端第1项仅与第m时刻发射的信息码元有关，第2项为其他码元对第m个码元产生码间干扰，第3项为噪声干扰。

由式(10)可得，所提方法的输出SINR为

(11)

由文献[3]知,仅使用接收分集的PTR水声通信方法的输出SINR为

(12)

2.2仿真分析

由于在浅水环境中，空间分集所能获得的空间处理性能与不同阵元间的信道响应的相关性有关，因此为了分析所提方法的空间处理性能，必须分析信道间的相关性。本文利用相关系数[12]来衡量信道间的相关性。

(a)相关系数ρik,1

(b)相关系数ρik,2图2　发射阵元与接收阵元间信道的相关系数Fig. 2　Correlation coefficients of channels between transmitter elements and receiver elements

(a)P/N0为30 dB时

(b)P/N0为10 dB时图3　2种通信方法输出SINRFig. 3　Output SINR of two communication methods

3水池试验验证

试验在四壁消声的信道水池内进行，池底为沙底。接收阵由无指向性的标准水听器R1和R2组成，其分别距离水面1 m和2 m。发射阵与接收阵的水平距离为L=6.5 m，由2个无指向性发射换能器T1和T2组成，其中T1距离水面1.5 m,T2距离水面1.7 m。

发射信息码元总数为5 100，码率为2 400symbol/s，其中，前200个码元用于训练。载波频率为12 kHz，接收端的采样频率为60 kHz。试验中后处理所用的均衡器为直接判决均衡器，采样间隔为符号间隔，抽头数为nt，所用算法为RLS算法，遗忘因子为λ=0.999。

图4、5分别给出了在接收信噪比为24.0dB时，本文方法和仅使用接收分集的PTR水声通信方法的试验结果。对比图4、5的结果可知，在未使用自适应均衡时，与仅使用接收分集的PTR水声通信方法相比，由于所提方法利用发射分集提高了系统的空间处理性能，因此误码率BER更低，星座图分布更好；在自适应均衡处理后，由于所提方法利用发射分集提高了系统的空间处理性能，降低了时反处理后的残余干扰，因此在均衡后的误码率相似的情况下，所提方法所用的均衡器的抽头数降低了一半。

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

图5　仅使用接收分集的PTR水声通信方法的性能Fig. 5　Performance of the PTR acoustic communication method exploiting receiver diversity alone

4结论

本文提出了基于TR-STBC的MIMO水声通信方法，阐述了方法的原理，并有针对性地构建了浅海信道模型和水池试验系统对方法的有效性进行了验证。结果表明：

1) 所提方法利用设计的码率为1/2的TR-STBC方案可以使多元发射信号在接收端实现最大比合并，从而获得较高的空间处理性能；

2) 与仅使用接收分集的PTR水声通信方法相比，由于所提方法提高了系统的空间处理性能，因此其误码率和后处理所用自适应均衡器的复杂度更低，通信性能更优；

3) 当发射阵元数固定时，令发射阵元间距等于信道的垂直相关长度，可以使所提方法获得的空间处理性能达到最佳。

下一步工作是开展湖上试验，验证所提方法的稳定性。

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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

中图分类号：TN929.3

文献标志码：A

文章编号：1006-7043(2016)03-355-06

doi:10.11990/jheu.201408029

作者简介：孙琳(1981-), 女, 博士研究生;通信作者：李海森, E-mail: hsenli@126.com.

基金项目：中国高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20112304130003).

收稿日期：2014-08-21.

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151027.1100.004.html

网络出版日期：2015-10-27.

李海森(1962-), 男, 教授, 博士生导师.