多址水声扩频通信系统关键技术研究

奚慧巍，徐立军，张 震



多址水声扩频通信系统关键技术研究

奚慧巍1，徐立军2，张 震2

(1. 91439部队，辽宁大连116041；2.中国科学院声学所，北京100190)

本文提出了一种应用于水下的直接序列扩频（DSS）扩频通信系统，通过采用优选序列以及自适应软信息迭代均衡技术提升了性能，并以Chirp信号调制的Gold序列作为同步信号。该同步信号既有Gold序列优良的自相关及互相关特性，也有一定的多普勒容限。通过平均互相关最小的准则优选出期望的扩频序列，尽可能保证扩频的抗码间干扰和抗多址干扰的性能达到最优，并通过仿真试验给出了优选序列与Gold序列的性能对比。改进后的Turbo均衡器采用了最小均方误差准则（LMS）算法降低复杂度，采用内置的锁相环（PLL）来估计多普勒引起的符号相位漂移,并通过仿真和实际试验验证了系统的性能。

直接序列扩频 m序列同步 Turbo均衡 MIMO 水声通信

0 引言

直接序列扩频系统因为其良好的抗多径和抗多址干扰能力被广泛应用在码分多址无线通信系统中[1]。同时，在水声信道下也是一种效率最高的多址通信方案[2]。然而，在严重干扰的信道下，必须采用较低的通信速率以保证通信的可靠性。通过缩短扩频符号的码片数目或者缩短符号时长，可以有效提升通信速率，但是要保证通信质量，需要采用性能更好的信道均衡技术。采用多个通道对信号进行接收可以获得更高的增益，用于保障更高的通信速率和用户数目[3]。

水声通信中通常使用Chirp信号（线性调频信号）作为同步信号[4]，其尖锐的自相关峰值及多普勒容限可以保证对信号位置的准确检测。但在多址通信中，由于各用户的同步信号会在时域混叠，难以通过Chirp信号区分用户。在码分多址无线通信系统中，多以BPSK或其它方式调制的Gold序列[5]作为同步信号，将每一个Gold序列分配给一个用户。Gold序列有着良好的自相关特性及互相关特性，并能容纳大量用户。但以该方式生成的同步信号，对多普勒频移十分敏感。而水声信道是时频双扩展信道，由于较低的声速（约1500 m/s），在该信道下通信极易受到多普勒效应的影响。针对以上问题，本文提出了一种Chirp调制的Gold序列，既有一定的多普勒容限，也保留着Gold序列的特性。

在水声信道下，受多普勒和较高延迟的影响，不同用户扩频序列之间的叠加是随机的，因此其互相关特性尤其重要。无线系统中的Walsh序列虽然有很好的正交性，但是其互相关特性并不好。因此在水声信道下要保证扩频性能，需要寻找一种互相关特性较好的序列。

Wang和Poor在其1999年发表的论文中首次在扩频通信系统中采用软迭代的多用户检测器[6]。该检测器采用了MMSE算法，将所有用户的译码器输出信息反馈到检测器的输入端，在扩频序列完全同步的情况下达到了很好的效果。由于复杂度低，采用LMS算法均衡器被广泛用于Turbo均衡中。[7]提出了一种采用LMS算法的多通道双向自适应Turbo均衡算法。在扩频系统中采用LMS算法，可以有效解决多用户均衡复杂度较高的问题[8,9]。首先，扩频后，码间干扰涉及的符号大大减少，均衡器的大小可以有效降低；其次，均衡的迭代次数可以适当减少。

严重的多普勒导致相位的不规律漂移和信号的扩展。解决这一问题的一般方法是通过测量帧长来估计多普勒，并进行补偿；而产生的相位变化则依靠均衡器来处理[10]。在扩频系统中,一般采用载波跟踪算法来补偿相位。[9]提出一种内嵌二阶锁相环的LMS算法，在信道均衡的同时对漂移的相位进行跟踪。将这种算法应用到Turbo均衡中，能够解决相位问题。信号经过扩频后持续时间变长，信道时变的特性特别明显，虽然Turbo均衡器本身具有一定的相位纠正能力，但是显然无法适应这种情况。同时，采用独立的锁相环，可以更加灵活的针对相位变化情况进行设计。

1 系统设计

1.1 同步信号

本文所使用的同步信号为Chirp调制的Gold序列，为分析其性能，将BPSK调制的Gold序列作为对比。BPSK调制的Gold序列可以视为一种扩频信号，在给定带宽情况下可根据扩频因子的计算确定信号的时长，及对应Gold序列长度。本文根据海试发射机的工作带宽，将同步信号的频带设置为9kHz~15kHz，则同步信号时长为48ms，对应Gold序列长为240（将长为255的Gold序列截短可得）。该同步信号的模糊度函数如图1所示。从图中可以看出模糊度函数具有图钉函数的特性，对多普勒频移极为敏感。

Chirp信号的表达式为：

(2)

下面对Chirp调制的Gold序列的互相关特性进行分析，对应第个用户同步信号的匹配滤波器对第个用户同步信号的输出为：

从公式(3)可以看出，Chirp调制的Gold序列的互相关函数为Gold序列的互相关函数与一个类sinc函数相乘，保留了Gold序列优良的互相关特性。

同步信号的时间带宽积会影响检测效果，为对比BPSK调制与Chirp调制的Gold序列性能，同样将Chirp调制的Gold序列工作带宽设置为10 ～15 kHz，同步信号时长为42 ms，所使用的Gold序列长为127位。该同步信号的模糊度函数如图2所示。结合图1可以看出，Chirp调制的Gold序列的多普勒容限要强于BPSK调制的Gold序列，在带宽时长相似的情况下，前者的多普勒容限约为40 Hz，而后者只有5 Hz左右。

1.2 信号模型

图3 多输入扩频通信系统模型

考虑一个有个用户和个接收通道的扩频通信系统，其结构如图3所示。其中，表示第时刻第个用户的发送信号。表示第时刻第个通道的接收信号。发送信号可以表示为，其中是由二进制序列调制后的符号，是第个用户的扩频序列。接收序列表示为

信号经过接收机的解调并经过与各自同步好扩频序列相乘进行解扩，输出后第个用户的信号表示为

1.3 优选扩频序列

从解扩的角度来说，在多个用户信号叠加后，每个符号乘对应扩频序列解扩后会有其他用户信号的残留，其大小与序列的互相关值的大小有关。优选序列保证了用户采用的序列的互相关在某种意义上达到最优。优选扩频序列的准则有两种：互相关的最大值低于门限和平均值低于门限。由于实际通信时序列随机叠加，叠加出最大值的情况并不常见，因此采用均值的方案优于采用最大值的方案。

表1 优选序列算法流程

搜索优选序列的算法流程如表1所示。由于解扩过程涉及的符号只有相邻的两个，假设前一个为正，那么后一个有两种等可能的情况：符号相同和符号不同。互相关值的概率可以用其在中的出现频次来代替。最后输出的序列集中所有序列之间的互相关值都可以达到预期。将短序列根据码间干扰的时长组合成长序列，可以获得很好的抗多径能力。

1.4 扩频通信系统中的Turbo均衡

改进后的自适应软迭代均衡器的结构如图4所示。与[6]相比不同之处在于，采用分离的均衡器代替同一的多用户检测器。经过扩频之后，单个均衡器的规模显著降低，而且多个用户的均衡过程支持并行运算。

图4 扩频通信系统结构

1.5 MIMO LMS均衡器

从单个用户来说，LMS均衡器包含了一个前向滤波器和一个后向滤波器，其结构如下。

(7)

(8)

1.6 符号与软信息转换

如图2所示，均衡器和译码器之间的信息传递需要经过交织器、解交织器和SBC、BSC的转换。由于均衡的输入和输出都是符号信息，而采用log-MAP算法的译码器输入和输出都是概率信息，因此信息的转换主要靠SBC和BSC。

采用贝叶斯准则，由符号转换为概率软信息的计算方法为：

(10)

(12)

结合公式(11)和公式(12)，可以计算出BSC的表达式。

2 仿真与试验结果

这一节将通过仿真和实际试验数据验证扩频系统中的自适应软迭代均衡技术性能。发送数据采用了，码率为0.5的卷积码最为信道编码，每一帧包含一个50 ms的帧同步头，1000个信息序列以及400个训练序列，为了实现双向均衡，训练序列均等分配到数据帧的两端。每个符号由32个码片长度的扩频序列进行扩频。仿真情况下，系统的工作带宽设置为与实际系统一致，为9 kHz到15kHz，采样频率为96 kHz。采样BELLHOP生成一组ISI时长为20 ms的MIMO信道响应。

2.1 仿真结果

首先，比较均衡算法在不同迭代次数和不同用户数情况下的性能。同时给出了采用单通道自适应判决反馈均衡算法结果的对比，仿真结果如图5所示。其中所有仿真曲线都是在相同多径信道下产生的，可以看到在严重多径干扰以及375符号每秒的通信速率下，采用传统判决反馈的方法很难取得很好效果。而采用自适应迭代均衡的方法经过三次迭代后误码率大大降低，但是其抗多用户的能力有限，从两个用户增长为三个用户，均衡器基本难以恢复原始信号。整个系统的抗多用户干扰的能力主要来自扩频本身的性质，因此增加用户数目的方法主要有：降低每个用户的通信速率和采用优选序列。图6给出了采用优选序列和Gold序列的性能对比，可以看到在两个用户的情况下，无论在那种通信速率下，采用优选序列的性能要明显优于采用Gold序列的性能。

图5 375符号速率下自适应迭代均衡与判决反馈均衡性能对比

2.2 试验结果

在胶州湾进行一次海试，试验采用水深分别为7、8、9以及10米的四个水声换能器接收。发射换能器为2个，其中一个发射幅值比另一个低3 dB。传输距离从800 m到2100 m，分别作了150符号每秒和300符号每秒的试验，扩频序列采用Gold序列。换能器频带范围为9～15 kHz，采样频率为96 kHz。试验处理结果如表2所示，其中采用传统方法处理的误码率都很高，此处不再给出对比。从表中可以看出经过3次迭代后误码率相比较一次迭代后的误码率有明显降低。通信速率从150符号每秒提升到300符号每秒后，误码率有了明显增大。

图6 不同通信速率下Gold序列与优选序列性能对比

2.3 同步信号试验结果

为分析同步信号在多址通信中性能，在不同时刻使用了不同的同步信号。发射的同步信号除本文使用的Chirp调制Gold序列外，还有BPSK调制Gold序列作为对比分析。在两用户的同步信号时域完全叠加的情况下，任取一用户在分别检测到两种同步信号时匹配滤波器的输出如图7、图8所示。

从图8中可以看出，匹配滤波器对BPSK调制Gold序列输出中的旁瓣是由用户间干扰带来的，且由于Gold序列良好的互相关特性，旁瓣并不影响对主峰的检测。结合图7图8可以看出，匹配滤波器对Chirp调制Gold序列输出中的旁瓣相当于在BPSK调制Gold序列的用户间互相关基础上乘了一个类sinc函数，结果与理论分析相吻合。由于保留了Gold序列良好的互相关特性，这一旁瓣同样不影响对主峰的检测。而由于试验条件所限，多普勒频移较小，没有完全体现出Chirp调制Gold序列在多普勒容限上的优势。

3 结论

通过理论分析，给出了优选序列的特性和搜索方法，给出了自适应迭代均衡器的结构和算法。通过仿真和实际试验数据验证了优选扩频序列的相比于Gold序列的性能和所提出的均衡器的性能。本文对提出的Chirp调制Gold序列的互相关特性及多普勒容限进行了理论分析，并在海试中验证了其作为多址通信中同步信号的可行性。

[1] HOLMA H, TOSKALA A. Wcdma for Umts [J]. Spread Spectrum Techniques & Applications proceedingsieee International Symposi, 2002, 2:616 - 20.

[2] AKYILDIZ I F, POMPILI D, MELODIA T. Underwater acoustic sensor networks: research challenges [J]. Ad Hoc Networks, 2005, 3(3): 257-79.

[3] SKLAR B. Rayleigh fading channels in mobile digital communication systems part II: Mitigation [J]. IEEE Communications Magazine, 1997, 35(9): 102-9.

[4] 田坦, 刘国枝, 孙大军. 声呐技术 [M]. 哈尔滨工程大学出版社, 2006.

[5] 樊祥宁. 超宽带无线通信关键技术研究 [D]. 东南大学, 2005.

[6] WANG X, POOR H V. Iterative (turbo) soft interference cancellation and decoding for coded CDMA [J]. Communications IEEE Transactions on, 1999, 47(7): 1046-61.

[7] XI J, YAN S, XU L, et al. Direct-adaption based bidirectional turbo equalization for multiple-input multiple-output underwater acoustic communications. proceedings of the Oceans, F, 2016 [C].

[8] CHENG N, REN Y, WAN Y. New carrier tracking technique for high-dynamic spread spectrum signals. proceedings of the International Conference on Wireless Communications, NETWORKING and Mobile Computing, F, 2007 [C].

[9] STOJANOVIC M, CATIPOVIC J A, PROAKIS J G. Phase-coherent digital communications for underwater acoustic channels [J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1994, 19(1): 100-11.

[10] SHARIF B S, NEASHAM J, HINTON O R, et al. A computationally efficient Doppler compensation system for underwater acoustic communications [J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2000, 25(1): 52-61.

Research on Key Technologies of Multiple Access Spread Spectrum Underwater Acoustic Communication System

Xi Huiwei1, Xu Lijun2, Zhang Zhen2

(1.Unit 91439 of PLA, Dalian 116041, Liaoning, China; 2.Instiute of Acoustics Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

TN929

A

1003-4862（2017）09-0042-06

2017-06-15

奚慧巍（1986-），男，硕士。研究方向：水声通信。