一种有效的MIMO水声通信干扰消除方案

林玉容

摘要：为了消除MIMO水声通信系统中的码间干扰和信道间干扰，提出结合正交扩频技术的自适应DFE干扰消除方案。发送端采用正交序列对多个阵元的信号进行扩频处理，使各子信道信号相互正交。接收端采用基于RLS自适应算法的DFE均衡器对时变水声信道进行跟踪，无须复杂的信道估计就能抑制码间干扰，并在多阵元信号处理中增加信道间干扰消除模块，进一步消除信道间干扰。方案实现复杂度低，所需频率少，能够有效降低系统的误码率，仿真结果验证了该方案的优良性能。

关键词：MIMO水声系统；正交扩频技术；自适应DFE干扰消除

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）22-0291-03

1 引言

随着海洋资源的开发、海洋信息的发展，高速水声通信的需求日益增加。多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）作为一种实现高速通信的技术，在无线环境中的研究相对成熟[1-3]，将应用于5G移动通信系统中。而在水声系统中，MIMO技术同样具有应用前景[4-5]，但水声信道多径效应严重、传播衰减强等特点限制了MIMO系统的快速发展。针对MIMO水声信道特点，文献[6-7]中发送端将可用频带分割成6个子带并由6个阵元发送，接收端采用滤波器将各子带信号分离，从而避免信道间干扰，并通过三种均衡结构来抑制码间干扰。系统采用空时网格码和空时分层码，算法复杂度高，且多子带占用了较宽的频带。文献[8-10]基于垂直空时分层（Vertical Bell Labs Layered Space-Time，V-BLAST）结构进行高速水声通信系统研究，当信道多径扩展严重时，水声MIMO通信系统性能下降严重。文献[9-10]通过将各层信号调制到彼此正交的子载波上，从而消除信道间干扰。接收端采用基于判决反馈均衡（Decision Feedback Equalization，DFE）技术的干扰消除方法来抑制码间干扰。该方案所需载波频率的个数随着发送阵元数的增加而增加，占用较宽的频带资源。且各子信道之间的相互干扰消除完全依赖于子载波的正交性。

针对MIMO水声信道多径效应严重、多阵元信号相互干扰等问题，研究了结合正交扩频技术的自适应DFE干扰消除方案，采用正交扩频码使各发送阵元的信号互不相关，增加自适应信道间干扰消除模块，抑制信道间干扰，通过自适应DFE干扰消除抑制由多径效应引起的码间干扰。最后通过Matlab仿真验证该方案在中等距离，多径效应严重的水声MIMO通信中的有效性。

2 结合正交扩频技术的自适应DFE干扰消除方案

假设V-BLAST架构的MIMO水声通信系统有[NT]个发送阵元、[NR]个接收阵元，发送端将数据送入串并转换模块，产生[NT]组并行的子数据流，分别分配到对应发送阵元，每一阵元信号独立进行扩频、调制等操作。

3 仿真结果

考虑方案主要解决的问题，仿真采用BELLHOP模型构建了中等距离的MIMO水声通信信道，构建出的海洋信道存在比较严重的多径，不仅多径时延长且旁径的幅值也比较大，将引起比较严重的码间干扰，且各子信道之间存在信道间干扰。

BELLHOP模型设定收发端距离15km，水深50m，采用2发2收的阵元架构，发送端2个阵元深度分别是30m和40m，接收端阵元放置深度与发送端相同。

提出的结合正交扩频技术的自适应DFE干扰消除方案中，接收端首先对信号进行解扩处理，利用扩频序列的正交性来消除各发送阵元信号之间的信道间干扰，然后将信号送入判决反馈均衡器中，判决反馈均衡器的前馈滤波器阶数设定为5，反馈滤波器阶数为3，数据帧中前512bit的Gold序列作为判决反馈均衡器的训练序列，采用RLS自适应算法进行权值系数迭代，其过程如第2小节表1说明。仿真比较了传统的自适应DFE干扰消除方案（无信道间干扰消除）、增加信道间干扰消除模块的自适应DFE干扰消除方案（有信道间干扰消除）以及提出的结合正交扩频技术的自适应DFE干扰消除方案（有信道间干扰消除），结果如图2所示。

仿真结果看出，虽然构建的信道多径效应严重，产生的码间干扰比较强，但自适应DFE仍能够有效地发挥作用，信噪比为8dB時，将误比特率降至10-3数量级。此外，在传统的自适应DFE方案的基础上增加信道间干扰消除模块能够将误码性能提升约0.5个数量级，说明该仿真系统存在信道间干扰，且验证了信道间干扰消除模块的有效性。

提出的结合正交扩频技术的自适应DFE干扰消除方案相较于传统的自适应DFE方案，其误比特率下降至少1个数量级，且随着信噪比的增加性能改善越明显，相较于增加信道间干扰消除模块的自适应DFE方案，其误比特率下降约0.5个数量级。说明采用的扩频序列在中等距离，多径效应严重的水声系统中仍能够保持较好的正交性，进一步抑制了信道间干扰。

4 结论

为抑制水声信道中的码间干扰和信道间干扰，提出结合正交扩频技术的自适应DFE干扰消除方案。仿真构建了多径效应严重，各子信道间存在相互干扰的中等距离MIMO水声信道，仿真结果验证了该方案的有效性，能够显著降低系统的误比特率，提高系统的稳健性。

参考文献：

[1] 梁瀚樱，尹长川.一种应用于频率选择性信道的MIMO-MSK系统均衡解调方案[J].中国科技论文，2017（8）：4-10.

[2] 关浩，朱耀麟. 一种基于MIMO系统QPSK调制均衡技术研究[J].无线通信技术，2016，1（25）：1-5.

[3] 高鹏飞，石军，郑飞，等.MIMO系统自适应均衡算法研究[J].河北工业大学学报，2010（2）：36-40.

[4] 王世明，温娜，吴长奇.水声MIMO通信系统的判决反馈均衡[J].西安邮电学院学报，2004（3）：9-11.

[5] 周跃海，曹秀岭，童峰.一种采用干扰消除的水声MIMO通信接收机[J].声学技术，2015，34（2）：181-183.

[6] Roy S. Enhanced underwater acoustic communication performance using space-time coding and processing[J].IEEE，2004：26-33.

[7] Roy S，Duman T.M. High-rate communication for underwater acoustic channels using multiple transmitters and space--time coding：Receiver structures and experimental results[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering，2007（3）：663-688.

[8] 姜煜，白兴宇.一种稳健的水声MIMO通信系统调制技术[J].声学与电子工程，2010（3）：6-9.

[9] 姜煜，白兴宇.一种新的水声MIMO空时频编码技术[J].声学技术，2011（6）：533-537.

[10] 姜煜，白兴宇.基于VBLAST的水声MIMO高速通信技术研究[J].声学技术，2011（4）：345-349.

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