一种水声正交频分复用异步多用户接入方法
一种水声正交频分复用异步多用户接入方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声通信领域，具体设及一种水声正交频分复用异步多用户接入方 法。
【背景技术】
[0002] 随着海洋开发的不断深入，应用于水声传感器网络的物理层通信技术正不断受到 关注。水声传感器网络希望在有限的频谱资源中提高带宽利用率，增大网络吞吐量。空分多 址接入(space-division multiple access，SDMA)技术允许多个用户在相同的时隙共享相 同的频谱资源，是有效提高系统容量的方法之一。多用户正交频分复用（odhogonal frequen巧division multiplexing,OFDM)系统就是一个典型的空分多址接入系统，所有 用户共享相同时隙和子载波。考虑一个包含多个分布式用户和单个网关节点的上行水声通 信系统，网关节点上安装多个接收阵元，如图1所示。多个用户的发送信号交叠达到同一接 收端，接收端需要利用各用户多径信道的独立性将各个信号分离开来。若在理想同步条件 下，即同步多用户OFDM系统中，接收信号的各个子载波之间是独立的，可W利用传统的多输 入多输出（multiple-i吨111:，1]11111:1口16-〇111口111:，]\010)系统进行多用户数据解码。然而同步 接入系统通常要求网关节点和用户、W及各用户之间的协作，保证严格的时隙分配，而运种 协作往往需要反馈信道来实现。考虑到水声信道的大传播时延特点，该种协作反馈无疑极 大增加了网络负担。因此实际水下应用中更希望网关节点具备支持异步多用户接入的能 力。
[0003]
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对水声0抑Μ系统异步多用户接入引起严重的(FDM符号间干 扰问题，提出一种水声正交频分复用异步多用户接入方法。
[0005] 本发明的目的是运样实现的：
[0006] (1)重叠截断:首先将接收的时域波形截断为独立处理单元进行解码，每个截断单 元包括前向干扰、期望信号和后向干扰Ξ部分；
[0007] (2)干扰消除:利用上次迭代中得到的干扰估计对当前截断单元进行干扰消除；
[000引（3)频域过采样:对干扰消除后的截断单元进行频域过采样处理；
[0009] (4)多用户信道估计与解码;对频域过采样后的多用户叠加的频域信息，采用匹配 追踪信道估计算法对每个用户进行信道估计与解码；
[0010] (5)干扰重构;利用信道估计及解码数据，通过逆傅里叶变换重构相邻单元的前向 干扰与后向干扰的时域波形；
[0011] (6)处理当前截断单元时，额外存储相邻的下一个截断单元信号，在当前截断单元 和下一截断单元之间共解调3次。
[0012] 本发明的有益效果在于:基于滑动迭代结构，利用重叠截断方法建立异步干扰模 型，在相邻两个符号间进行迭代干扰消除和干扰重建，然后将干扰消除后的接收信号等效 为准同步的多输入多输出(ΜΙΜΟ)系统实现多用户数据解码;可W较好的兼顾处理延迟和解 码性能，具有实际应用价值。
【附图说明】
[0013] 图1为水声通信网络示意图；
[0014] 图2为异步接收机解调算法流程图；
[0015] 图3为异步接收信号重叠截断示意图；
[0016] 图4为异步接收机滑动迭代处理结构。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本发明进行进一步的描述。
[0018] 本发明解决其技术问题所采用的系统包括W下两部分：
[0019] 1.OFDM异步多用户接收机解调算法，包括重叠截断、干扰消除、频域过采样、多用 户信道估计与解码、W及干扰重构五个处理模块：
[0020] (1)重叠截断。首先将接收的时域波形截断为独立处理单元进行解码，每个截断单 元包括前向干扰、期望信号和后向干扰Ξ部分。
[0021] (2)干扰消除。利用上次迭代中得到的干扰估计对当前截断单元进行干扰消除。
[0022] (3)频域过采样。对干扰消除后的截断单元进行频域过采样处理，W保证傅里叶变 换不会丢失信息。
[0023] (4)多用户信道估计与解码。对频域过采样后的多用户叠加的频域信息，采用匹配 追踪信道估计算法对每个用户进行信道估计与解码。
[0024] (5)干扰重构。利用信道估计及解码数据，通过逆傅里叶变换重构相邻单元的前向 干扰与后向干扰的时域波形。
[0025] 2.0抑Μ异步多用户接收机滑动迭代处理结构，即结合1中的解调算法，处理当前截 断单元时，额外存储相邻的下一个截断单元信号，在当前截断单元和下一截断单元之间共 解调3次，即可消除当前截断单元的前向干扰和后向干扰。
[00%] 1、(FDM异步多用户接收机解调算法
[0027]异步接收机解调算法，流程如图2所示。异步多用户接入信号经过重叠截断、干扰 消除、频域过采样、多用户信道估计与解码、W及干扰重构五个处理模块，下面分别进行详 细介绍。
[002引（1)重叠截断
[0029] 对于一个发送端有Nu个异步用户，接收端有Nr个水听器阵的水声通信系统，如图1 所示，并且满足Nu<Nr，其中所有用户均采用具有循环前缀(切clic Prefix,CP)的OFDM调制 方式。OFDM子载波总数为K，符号周期为T，子载波间隔为1 /T。CP长度为Tep，则CP-0FDM块周期 为Tbi = Tcp巧。系统载波频率为fc，则第k个子载波频率fk = fc+k/T，k = -K/2,. . .，Κ/2-1。大 小为Κ的子载波集合中包含数据子载波集Sd，梳状导频集Sp，及空载波集Sn^个独立子集，且 满足Sd U Sp U Sn= {-K/2，. . .，Κ/2-1}。同时各用户仅数据子载波集交叠，导频集不交叠：即 对于任一用户的导频集，其余用户将其视为空载波集。su比;η]为用户U在第η个OFDM块中的 第k个子载波上发送的编码信息符号，其符号映射方式可W为QPSK或16QAM等。当用户U-帖 传输化1个CP-0FDM块时，用户U的发送信号可表示为
[0030]
(1)
[0031] 式中用户U第η个发送CP-0抑Μ块为
[0032]
(2)
[0033] 对于在一个CP-0FDM块内线性时不变的水声多径信道模型，用户U与水听器V之间 的信道冲激响应可表示为
[0034]
(3)
[0035] 其中W说为用户U与水听器V之间信道的多径数目；<1.,与诚分别为一个CP-0FDM块 内恒定的第Ρ条路径的衰减系数和对应的时延。水听器V接收的用户U的信号为
[0039] ευ为用户U到达接收端的时延。不失一般性，令用户1的到达时延ει = 〇,且 Si ^^2 ^而/2,其中令Smax =SWu。则水听器V接收到的Nu个具有不同达到时延的用户 信号的叠加可表示为
[0040]
(6)
[0041 ]其中；)为叠加的背景噪声。一个OFDM符号周期T内将受到用户的相邻CP-0FDM块 的干扰，严重影响解码性能。
[0042]接收端为了便于解码，通常需将接收的时域波形截断为独立处理单元进行解码。 为此本发明采用重叠截断方法，如图3所示。定义每个截断单元的长度f为OFDM符号周期T加 上最大到达时延Emax，即f = r + s胃图3中第η个截断单元由Ξ部分组成:①前向干扰:用户2 ~Nu的第η-1个CP-0FDM块的部分信号;②期望信号:Nu个用户的第η个CP-0FDM块的完整信号 (用户1的CP部分除外）；③后向干扰:用户1~Nu-1第η +1个CP-0抑Μ块的部分信号。则水听器 V得到的长度为f的第η个截断单元的接收信号可w表示为
[0043]
[0044] (2)干扰消除
[0045] 由式（7)可知，经重叠截断后异步接入带来的干扰包括前向干扰和后向干扰两部 分。为便于分析，本发明将第η个截断单元的干扰建模为一个分段函数，即
[0046]
[0047] 将式(8)代入式(7)，则水听器V长度为f的第η个截断单元的接收信号可重新表示 为
[004引
货）
[0049]由式(9)可知，对于已知接收端干扰分段函数式(叫)并将其从式(9)中减掉，则可 将第η个截断单元转化为准同步接入信号进行解调。设干扰分段函数估计值为叫，则水 听器V经过干扰消除的第η个截断单元的接收信号为
[(Κ)加 ]
(10)
[0051] 式中％(t;n)表示干扰消除后的残留干扰。
[0052] (3)频域过采样
[0化3]由前可知重叠截断单元长度为Γ = Γ + Γ。。、，大于OFDM符号周期T。为避免傅里叶变 换后信息的损失，本发明采用频域过采样方法，即傅里叶变换积分长度为αΓ >f，其中曰为 过采样因子，选取α = 2即可满足要求。灭经过傅里叶变换后第k个频率成分为
[0化4]
(11)
[0055] 式中k = a(-K/2, . . .，Κ/2-1)。同理可得到残留干扰和噪声的第k个频率成分riv[k; η]和Wv[k;n]。
[0056] 将频率成分zv[k;n]，riv[k;n巧日wv[k;n]分别表示为大小为KX1的向量ζν[η]，％[η] 及wv[n]。式（10)的频域表达式为
[0化7]
(12)
[0化引式中su[n]表示用户U的第η个CP-0抑Μ块中的信息符号组成的KX1维向量，Hv,u[n] 表示用户U与水听器V之间ΚΧΚ维信道频域响应对角矩阵，定义为包含用户时延信息 的Κ X Κ维对角矩阵，其对角线元素满足
[0化9]
(13)
[0060] (4)多用户信道估计与解码
[0061] 异步接入信号经过W上Ξ个处理模块后，可等效的转化为ΜΙΜΟ系统进行多用户信 道估计与解码。本发明采用匹配追踪信道估计算法，利用每个CP-0FDM块中各用户不交叠的 梳状导频信息估计出第U个用户与第V个水听器之间的信道频响耸叫，AeS。。在第η个 截断单元的第k个子载波上，来自Nr个水听器接收的数据组成的向量定义为
;来自Nu个用户的发送数据组成的向量定义为
估计的信道频域矩阵房维数是NrXNu，其第(v，u)个元 素为。则可得到准同步系统下第η个截断单元的第k个子载波上接收数据与发送数 据之间的关系为
[0062]
(14)
[0063] 式中/?防W]为NuXNu维对角阵，其对角线上第U个元素为e-口"占内比;。]与w[k;n] 分别为Nr XI维残留干扰向量和噪声向量，二者之和可W近似为功率谱密度为常数的噪声 干扰。定义成防"]=卸*;";^於"]为等效的信道频响矩阵。采用最小均方误差均衡得到的 第η个截断单元的第k个子载波上Nu个用户的发送数据向量的估计为
[0064]
(15)
[00化]式中I为Nu XNu维单位阵;为等效的噪声干扰方差，可由当前CP-0FDM块中的空载 波估计得到。接收机可W进一步对防叫进行信道解码得到用户发送的比特信息的估计。
[0066] (5)干扰重构
[0067] 完成W上处理模块后，可利用信道频响矩阵估计及发送数据估计通过逆傅里叶变 换重构CP-0FDM基带时域波形。则第V个水听器接收到的用户U的第η个CP-0FDM块的时域波 形估计为
[006引
（16)
[0069] 其中te[-Tcp，T]。则基于式(8)，将yv,u(t;n)用估计值欠(叫)替代后，可分别重构 第n-1个截断单元的后向干扰和第n+1个截断单元的前向干扰。
[0070] 由W上五个处理模块可知，异步接收处理算法需要利用相邻截断单元信息实现干 扰重构和干扰消除，进而转化为准同步系统完成解调。因此对如何重构、消除干扰起决定作 用的异步接收机处理结构成为接收机设计的关键。
[0071] 2、0FDM异步多用户接收机滑动迭代处理结构
[0072] 结合W上(FDM异步多用户接收机解调算法，提出基于滑动迭代结构的异步多用户 接入算法，详细过程如下。
[0073] 由于初始迭代过程中，接收机只能利用第n-1个截断单元的解码结果和信道估计 结果重构第η个截断单元的前向干扰，而将其后向干扰置零。则将式(8)中的干扰分段函数 估计简化为
[0074]
(17)
[0075] W图4滑动迭代结构中第η个截断单元为例，处理过程包含Ξ个步骤：
[0076] ①由第n-1个截断单元的解码结果和信道估计结果重构第η个截断单元的前向干 扰，将其后向干扰置零，如式(17);并按照图2中的五个模块解调第η个截断单元。
[0077] ②由第η个截断单元的解码结果和信道估计结果重构第η+1个截断单元的前向干 扰，将其后向干扰置零，如式(17);并按照图2中的五个模块解调第η+1个截断单元。
[0078] ③分别由第n-1和η+1个截断单元的解码结果和信道估计结果重构第η个截断单元 的前向干扰和后向干扰，如式(8);并按照图2中的五个模块再次解调第η个截断单元，完成 后输出解码结果，则第η个截断单元处理完毕。
[0079] 由W上Ξ个步骤可知，滑动迭代结构仅需额外存储右侧相邻的截断单元信号，处 理延迟大大减少。此外，在每个滑动单元内对第η个截断单元和第η+1个截断单元共解调3 次，即可消除第η个截断单元的前向干扰和后向干扰，计算量适中。
【主权项】
1. 一种水声正交频分复用异步多用户接入方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 重叠截断:首先将接收的时域波形截断为独立处理单元进行解码，每个截断单元包 括前向干扰、期望信号和后向干扰三部分； (2) 干扰消除:利用上次迭代中得到的干扰估计对当前截断单元进行干扰消除； (3) 频域过采样:对干扰消除后的截断单元进行频域过采样处理； (4) 多用户信道估计与解码;对频域过采样后的多用户叠加的频域信息，采用匹配追踪 信道估计算法对每个用户进行信道估计与解码； (5) 干扰重构；利用信道估计及解码数据，通过逆傅里叶变换重构相邻单元的前向干扰 与后向干扰的时域波形； (6) 处理当前截断单元时，额外存储相邻的下一个截断单元信号，在当前截断单元和下 一截断单元之间共解调3次。
【专利摘要】本发明属于水声通信领域，具体涉及一种水声正交频分复用异步多用户接入方法。本发明包括：重叠截断；干扰消除；频域过采样；多用户信道估计与解码；干扰重构。本发明基于滑动迭代结构，利用重叠截断方法建立异步干扰模型，在相邻两个符号间进行迭代干扰消除和干扰重建，然后将干扰消除后的接收信号等效为准同步的多输入多输出(MIMO)系统实现多用户数据解码；可以较好的兼顾处理延迟和解码性能，具有实际应用价值。
【IPC分类】H04L27/26
【公开号】CN105490978
【申请号】CN201510726759
【发明人】乔钢, 马璐, 刘凇佐, 李雪, 宋庆军, 周锋, 孙宗鑫, 聂东虎, 尹艳玲
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年10月30日
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声通信领域，具体设及一种水声正交频分复用异步多用户接入方 法。
【背景技术】
[0002] 随着海洋开发的不断深入，应用于水声传感器网络的物理层通信技术正不断受到 关注。水声传感器网络希望在有限的频谱资源中提高带宽利用率，增大网络吞吐量。空分多 址接入(space-division multiple access，SDMA)技术允许多个用户在相同的时隙共享相 同的频谱资源，是有效提高系统容量的方法之一。多用户正交频分复用（odhogonal frequen巧division multiplexing,OFDM)系统就是一个典型的空分多址接入系统，所有 用户共享相同时隙和子载波。考虑一个包含多个分布式用户和单个网关节点的上行水声通 信系统，网关节点上安装多个接收阵元，如图1所示。多个用户的发送信号交叠达到同一接 收端，接收端需要利用各用户多径信道的独立性将各个信号分离开来。若在理想同步条件 下，即同步多用户OFDM系统中，接收信号的各个子载波之间是独立的，可W利用传统的多输 入多输出（multiple-i吨111:，1]11111:1口16-〇111口111:，]\010)系统进行多用户数据解码。然而同步 接入系统通常要求网关节点和用户、W及各用户之间的协作，保证严格的时隙分配，而运种 协作往往需要反馈信道来实现。考虑到水声信道的大传播时延特点，该种协作反馈无疑极 大增加了网络负担。因此实际水下应用中更希望网关节点具备支持异步多用户接入的能 力。
[0003]
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对水声0抑Μ系统异步多用户接入引起严重的(FDM符号间干 扰问题，提出一种水声正交频分复用异步多用户接入方法。
[0005] 本发明的目的是运样实现的：
[0006] (1)重叠截断:首先将接收的时域波形截断为独立处理单元进行解码，每个截断单 元包括前向干扰、期望信号和后向干扰Ξ部分；
[0007] (2)干扰消除:利用上次迭代中得到的干扰估计对当前截断单元进行干扰消除；
[000引（3)频域过采样:对干扰消除后的截断单元进行频域过采样处理；
[0009] (4)多用户信道估计与解码;对频域过采样后的多用户叠加的频域信息，采用匹配 追踪信道估计算法对每个用户进行信道估计与解码；
[0010] (5)干扰重构;利用信道估计及解码数据，通过逆傅里叶变换重构相邻单元的前向 干扰与后向干扰的时域波形；
[0011] (6)处理当前截断单元时，额外存储相邻的下一个截断单元信号，在当前截断单元 和下一截断单元之间共解调3次。
[0012] 本发明的有益效果在于:基于滑动迭代结构，利用重叠截断方法建立异步干扰模 型，在相邻两个符号间进行迭代干扰消除和干扰重建，然后将干扰消除后的接收信号等效 为准同步的多输入多输出(ΜΙΜΟ)系统实现多用户数据解码;可W较好的兼顾处理延迟和解 码性能，具有实际应用价值。
【附图说明】
[0013] 图1为水声通信网络示意图；
[0014] 图2为异步接收机解调算法流程图；
[0015] 图3为异步接收信号重叠截断示意图；
[0016] 图4为异步接收机滑动迭代处理结构。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本发明进行进一步的描述。
[0018] 本发明解决其技术问题所采用的系统包括W下两部分：
[0019] 1.OFDM异步多用户接收机解调算法，包括重叠截断、干扰消除、频域过采样、多用 户信道估计与解码、W及干扰重构五个处理模块：
[0020] (1)重叠截断。首先将接收的时域波形截断为独立处理单元进行解码，每个截断单 元包括前向干扰、期望信号和后向干扰Ξ部分。
[0021] (2)干扰消除。利用上次迭代中得到的干扰估计对当前截断单元进行干扰消除。
[0022] (3)频域过采样。对干扰消除后的截断单元进行频域过采样处理，W保证傅里叶变 换不会丢失信息。
[0023] (4)多用户信道估计与解码。对频域过采样后的多用户叠加的频域信息，采用匹配 追踪信道估计算法对每个用户进行信道估计与解码。
[0024] (5)干扰重构。利用信道估计及解码数据，通过逆傅里叶变换重构相邻单元的前向 干扰与后向干扰的时域波形。
[0025] 2.0抑Μ异步多用户接收机滑动迭代处理结构，即结合1中的解调算法，处理当前截 断单元时，额外存储相邻的下一个截断单元信号，在当前截断单元和下一截断单元之间共 解调3次，即可消除当前截断单元的前向干扰和后向干扰。
[00%] 1、(FDM异步多用户接收机解调算法
[0027]异步接收机解调算法，流程如图2所示。异步多用户接入信号经过重叠截断、干扰 消除、频域过采样、多用户信道估计与解码、W及干扰重构五个处理模块，下面分别进行详 细介绍。
[002引（1)重叠截断
[0029] 对于一个发送端有Nu个异步用户，接收端有Nr个水听器阵的水声通信系统，如图1 所示，并且满足Nu<Nr，其中所有用户均采用具有循环前缀(切clic Prefix,CP)的OFDM调制 方式。OFDM子载波总数为K，符号周期为T，子载波间隔为1 /T。CP长度为Tep，则CP-0FDM块周期 为Tbi = Tcp巧。系统载波频率为fc，则第k个子载波频率fk = fc+k/T，k = -K/2,. . .，Κ/2-1。大 小为Κ的子载波集合中包含数据子载波集Sd，梳状导频集Sp，及空载波集Sn^个独立子集，且 满足Sd U Sp U Sn= {-K/2，. . .，Κ/2-1}。同时各用户仅数据子载波集交叠，导频集不交叠：即 对于任一用户的导频集，其余用户将其视为空载波集。su比;η]为用户U在第η个OFDM块中的 第k个子载波上发送的编码信息符号，其符号映射方式可W为QPSK或16QAM等。当用户U-帖 传输化1个CP-0FDM块时，用户U的发送信号可表示为
[0030]
(1)
[0031] 式中用户U第η个发送CP-0抑Μ块为
[0032]
(2)
[0033] 对于在一个CP-0FDM块内线性时不变的水声多径信道模型，用户U与水听器V之间 的信道冲激响应可表示为
[0034]
(3)
[0035] 其中W说为用户U与水听器V之间信道的多径数目；<1.,与诚分别为一个CP-0FDM块 内恒定的第Ρ条路径的衰减系数和对应的时延。水听器V接收的用户U的信号为
[0039] ευ为用户U到达接收端的时延。不失一般性，令用户1的到达时延ει = 〇,且 Si ^^2 ^而/2,其中令Smax =SWu。则水听器V接收到的Nu个具有不同达到时延的用户 信号的叠加可表示为
[0040]
(6)
[0041 ]其中；)为叠加的背景噪声。一个OFDM符号周期T内将受到用户的相邻CP-0FDM块 的干扰，严重影响解码性能。
[0042]接收端为了便于解码，通常需将接收的时域波形截断为独立处理单元进行解码。 为此本发明采用重叠截断方法，如图3所示。定义每个截断单元的长度f为OFDM符号周期T加 上最大到达时延Emax，即f = r + s胃图3中第η个截断单元由Ξ部分组成:①前向干扰:用户2 ~Nu的第η-1个CP-0FDM块的部分信号;②期望信号:Nu个用户的第η个CP-0FDM块的完整信号 (用户1的CP部分除外）；③后向干扰:用户1~Nu-1第η +1个CP-0抑Μ块的部分信号。则水听器 V得到的长度为f的第η个截断单元的接收信号可w表示为
[0043]
[0044] (2)干扰消除
[0045] 由式（7)可知，经重叠截断后异步接入带来的干扰包括前向干扰和后向干扰两部 分。为便于分析，本发明将第η个截断单元的干扰建模为一个分段函数，即
[0046]
[0047] 将式(8)代入式(7)，则水听器V长度为f的第η个截断单元的接收信号可重新表示 为
[004引
货）
[0049]由式(9)可知，对于已知接收端干扰分段函数式(叫)并将其从式(9)中减掉，则可 将第η个截断单元转化为准同步接入信号进行解调。设干扰分段函数估计值为叫，则水 听器V经过干扰消除的第η个截断单元的接收信号为
[(Κ)加 ]
(10)
[0051] 式中％(t;n)表示干扰消除后的残留干扰。
[0052] (3)频域过采样
[0化3]由前可知重叠截断单元长度为Γ = Γ + Γ。。、，大于OFDM符号周期T。为避免傅里叶变 换后信息的损失，本发明采用频域过采样方法，即傅里叶变换积分长度为αΓ >f，其中曰为 过采样因子，选取α = 2即可满足要求。灭经过傅里叶变换后第k个频率成分为
[0化4]
(11)
[0055] 式中k = a(-K/2, . . .，Κ/2-1)。同理可得到残留干扰和噪声的第k个频率成分riv[k; η]和Wv[k;n]。
[0056] 将频率成分zv[k;n]，riv[k;n巧日wv[k;n]分别表示为大小为KX1的向量ζν[η]，％[η] 及wv[n]。式（10)的频域表达式为
[0化7]
(12)
[0化引式中su[n]表示用户U的第η个CP-0抑Μ块中的信息符号组成的KX1维向量，Hv,u[n] 表示用户U与水听器V之间ΚΧΚ维信道频域响应对角矩阵，定义为包含用户时延信息 的Κ X Κ维对角矩阵，其对角线元素满足
[0化9]
(13)
[0060] (4)多用户信道估计与解码
[0061] 异步接入信号经过W上Ξ个处理模块后，可等效的转化为ΜΙΜΟ系统进行多用户信 道估计与解码。本发明采用匹配追踪信道估计算法，利用每个CP-0FDM块中各用户不交叠的 梳状导频信息估计出第U个用户与第V个水听器之间的信道频响耸叫，AeS。。在第η个 截断单元的第k个子载波上，来自Nr个水听器接收的数据组成的向量定义为
;来自Nu个用户的发送数据组成的向量定义为
估计的信道频域矩阵房维数是NrXNu，其第(v，u)个元 素为。则可得到准同步系统下第η个截断单元的第k个子载波上接收数据与发送数 据之间的关系为
[0062]
(14)
[0063] 式中/?防W]为NuXNu维对角阵，其对角线上第U个元素为e-口"占内比;。]与w[k;n] 分别为Nr XI维残留干扰向量和噪声向量，二者之和可W近似为功率谱密度为常数的噪声 干扰。定义成防"]=卸*;";^於"]为等效的信道频响矩阵。采用最小均方误差均衡得到的 第η个截断单元的第k个子载波上Nu个用户的发送数据向量的估计为
[0064]
(15)
[00化]式中I为Nu XNu维单位阵;为等效的噪声干扰方差，可由当前CP-0FDM块中的空载 波估计得到。接收机可W进一步对防叫进行信道解码得到用户发送的比特信息的估计。
[0066] (5)干扰重构
[0067] 完成W上处理模块后，可利用信道频响矩阵估计及发送数据估计通过逆傅里叶变 换重构CP-0FDM基带时域波形。则第V个水听器接收到的用户U的第η个CP-0FDM块的时域波 形估计为
[006引
（16)
[0069] 其中te[-Tcp，T]。则基于式(8)，将yv,u(t;n)用估计值欠(叫)替代后，可分别重构 第n-1个截断单元的后向干扰和第n+1个截断单元的前向干扰。
[0070] 由W上五个处理模块可知，异步接收处理算法需要利用相邻截断单元信息实现干 扰重构和干扰消除，进而转化为准同步系统完成解调。因此对如何重构、消除干扰起决定作 用的异步接收机处理结构成为接收机设计的关键。
[0071] 2、0FDM异步多用户接收机滑动迭代处理结构
[0072] 结合W上(FDM异步多用户接收机解调算法，提出基于滑动迭代结构的异步多用户 接入算法，详细过程如下。
[0073] 由于初始迭代过程中，接收机只能利用第n-1个截断单元的解码结果和信道估计 结果重构第η个截断单元的前向干扰，而将其后向干扰置零。则将式(8)中的干扰分段函数 估计简化为
[0074]
(17)
[0075] W图4滑动迭代结构中第η个截断单元为例，处理过程包含Ξ个步骤：
[0076] ①由第n-1个截断单元的解码结果和信道估计结果重构第η个截断单元的前向干 扰，将其后向干扰置零，如式(17);并按照图2中的五个模块解调第η个截断单元。
[0077] ②由第η个截断单元的解码结果和信道估计结果重构第η+1个截断单元的前向干 扰，将其后向干扰置零，如式(17);并按照图2中的五个模块解调第η+1个截断单元。
[0078] ③分别由第n-1和η+1个截断单元的解码结果和信道估计结果重构第η个截断单元 的前向干扰和后向干扰，如式(8);并按照图2中的五个模块再次解调第η个截断单元，完成 后输出解码结果，则第η个截断单元处理完毕。
[0079] 由W上Ξ个步骤可知，滑动迭代结构仅需额外存储右侧相邻的截断单元信号，处 理延迟大大减少。此外，在每个滑动单元内对第η个截断单元和第η+1个截断单元共解调3 次，即可消除第η个截断单元的前向干扰和后向干扰，计算量适中。
【主权项】
1. 一种水声正交频分复用异步多用户接入方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 重叠截断:首先将接收的时域波形截断为独立处理单元进行解码，每个截断单元包 括前向干扰、期望信号和后向干扰三部分； (2) 干扰消除:利用上次迭代中得到的干扰估计对当前截断单元进行干扰消除； (3) 频域过采样:对干扰消除后的截断单元进行频域过采样处理； (4) 多用户信道估计与解码;对频域过采样后的多用户叠加的频域信息，采用匹配追踪 信道估计算法对每个用户进行信道估计与解码； (5) 干扰重构；利用信道估计及解码数据，通过逆傅里叶变换重构相邻单元的前向干扰 与后向干扰的时域波形； (6) 处理当前截断单元时，额外存储相邻的下一个截断单元信号，在当前截断单元和下 一截断单元之间共解调3次。
【专利摘要】本发明属于水声通信领域，具体涉及一种水声正交频分复用异步多用户接入方法。本发明包括：重叠截断；干扰消除；频域过采样；多用户信道估计与解码；干扰重构。本发明基于滑动迭代结构，利用重叠截断方法建立异步干扰模型，在相邻两个符号间进行迭代干扰消除和干扰重建，然后将干扰消除后的接收信号等效为准同步的多输入多输出(MIMO)系统实现多用户数据解码；可以较好的兼顾处理延迟和解码性能，具有实际应用价值。
【IPC分类】H04L27/26
【公开号】CN105490978
【申请号】CN201510726759
【发明人】乔钢, 马璐, 刘凇佐, 李雪, 宋庆军, 周锋, 孙宗鑫, 聂东虎, 尹艳玲
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年10月30日
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