[發(fā)明專利]一種基于素?cái)?shù)碼交織及脊髓碼編碼的水下抗干擾傳輸方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910138272.0
• 申請日: 2019-02-25
• 公開（公告）號: CN110061808B
• 公開（公告）日: 2020-05-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧繼華;馮立輝;王歡;王震
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: H04L1/00
• 分類號: H04L1/00;H04B13/02
• 代理公司: 北京理工正陽知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 毛燕

1.一種基于素?cái)?shù)碼交織及脊髓碼編碼的水下抗干擾傳輸方法，其特征在于：所依托的水下抗干擾傳輸系統(tǒng)包括系統(tǒng)參數(shù)初始化模塊、發(fā)送信號處理模塊、交織參數(shù)控制單元、時變水聲信道模塊和接收信號處理模塊；

其中，發(fā)送信號處理模塊包括信源交織單元、校驗(yàn)單元、Spinal編碼單元、信道交織單元以及調(diào)制單元；接收信號處理模塊包括解調(diào)單元、信道解交織單元、S pinal解碼單元、解校驗(yàn)單元以及信源解交織單元；

本系統(tǒng)中各模塊及單元的連接關(guān)系如下：

時變水聲信道模塊與發(fā)送信號處理模塊和接收信號處理模塊相連，具體地，時變水聲信道模塊分別與調(diào)制單元和解調(diào)單元相連；系統(tǒng)參數(shù)初始化模塊與發(fā)送信號處理模塊以及接收信號處理模塊相連，具體的，系統(tǒng)參數(shù)初始化模塊分別與其中的校驗(yàn)單元、Spinal編碼單元、調(diào)制單元、解調(diào)單元、Spinal解碼單元以及解校驗(yàn)單元相連；交織參數(shù)控制單元分別與信源交織單元、信道交織單元、信源解交織單元以及信道解交織單元相連；

本系統(tǒng)中各模塊及單元的功能如下：

系統(tǒng)參數(shù)初始化模塊的功能包括：1)為校驗(yàn)單元和解校驗(yàn)單元提供所需的校驗(yàn)?zāi)Ｊ健⑿ｒ?yàn)信息比特長度以及校驗(yàn)多項(xiàng)式；2)為Spinal編碼單元和Spinal解碼單元提供Spinal編碼的幀長度、信息比特長度以及滑窗大小；3)為調(diào)制單元提供調(diào)制參數(shù)，為解調(diào)單元提供解調(diào)參數(shù)；4)初始化幀數(shù)、最大錯誤幀數(shù)、誤碼率和誤幀率；

發(fā)送信號處理模塊的功能是將待傳輸?shù)男畔⒈忍匾来谓?jīng)信源交織單元進(jìn)行信源交織再經(jīng)校驗(yàn)單元進(jìn)行校驗(yàn)；接著在Spinal編碼單元進(jìn)行Spinal信道編碼，然后經(jīng)信道交織單元進(jìn)行信道交織；最后，經(jīng)調(diào)制單元進(jìn)行OFDM調(diào)制及上變頻得到發(fā)送到水聲時變信道模塊的信號；

水聲時變信道模塊的功能是模擬水下多徑時變衰落信道，具體通過對發(fā)送信號處理模塊輸出的信號加入加性噪聲及乘性噪聲實(shí)現(xiàn)；

接收信號處理模塊的功能是接收水聲時變信道模塊傳輸來的信號依次經(jīng)解調(diào)單元進(jìn)行解調(diào)、信道解交織單元進(jìn)行信道解交織；再經(jīng)Spinal解碼單元進(jìn)行Spinal解碼以及解校驗(yàn)單元進(jìn)行解校驗(yàn)，最后經(jīng)信源解交織單元進(jìn)行信源解交織；最后輸出恢復(fù)的信息比特；

信源交織單元的功能是接收交織參數(shù)控制單元傳來的交織參數(shù)p對待傳輸?shù)男畔⒈忍剡M(jìn)行信源交織，具體交織方式采用素?cái)?shù)碼交織及平方素?cái)?shù)碼交織兩種中的一種，輸出信源交織后的信息比特；

Spinal編碼單元的功能是對校驗(yàn)單元輸出的信息比特進(jìn)行Spinal編碼，輸出Spinal編碼后的信息比特；

信道交織單元的功能是接收交織參數(shù)控制單元傳來的交織參數(shù)q對Spinal編碼后的信息比特進(jìn)行信道交織，具體交織方式采用素?cái)?shù)碼交織及平方素?cái)?shù)碼交織兩種中的一種，輸出信道交織后的信息比特；

調(diào)制單元的功能是對信道交織后的符號進(jìn)行調(diào)制及上變頻，并經(jīng)天線輸出待發(fā)送信號；

接收信號處理模塊接收調(diào)制單元輸出的待發(fā)送信號經(jīng)時變水聲信道模塊后的信號；

解調(diào)單元的功能是接收經(jīng)時變水聲信道模塊后的信號，并進(jìn)行下變頻和解調(diào)，輸出解調(diào)后信息比特；

信道解交織單元的功能是接收解調(diào)單元傳來的解調(diào)后信息比特，并接收交織參數(shù)控制單元傳來的交織參數(shù)q對解調(diào)后信息比特進(jìn)行信道解交織，輸出解信道交織后比特；

其中，信道解交織方式與信道交織單元的交織方式相同；

Spinal解碼單元的功能是對信道解交織單元輸出的解信道交織后信息比特進(jìn)行Spinal解碼，輸出Spinal解碼后的信息比特；

解校驗(yàn)單元的功能是對Spinal解碼后的信息比特進(jìn)行解校驗(yàn)，輸出解校驗(yàn)比特；

其中，解校驗(yàn)方式與校驗(yàn)單元的校驗(yàn)方式相同；

信源解交織單元的功能是對解校驗(yàn)單元輸出的解校驗(yàn)比特，依據(jù)交織參數(shù)控制單元傳來的交織參數(shù)p進(jìn)行信源解交織，具體解交織方式與信源交織單元的交織方式相同；

所述基于素?cái)?shù)碼交織及脊髓碼編碼的水下抗干擾傳輸方法，包括如下步驟：

步驟一、系統(tǒng)參數(shù)初始化模塊初始化系統(tǒng)參數(shù)、Spinal編譯碼參數(shù)、校驗(yàn)參數(shù)、調(diào)制參數(shù)與解調(diào)參數(shù)；

其中，系統(tǒng)參數(shù)包括幀數(shù)、幀內(nèi)編碼比特?cái)?shù)、幀內(nèi)信息比特?cái)?shù)、誤碼率、誤幀率以及最大錯誤幀數(shù)；

其中，誤碼率和誤幀率均被初始化為0；

幀數(shù)及幀內(nèi)編碼比特?cái)?shù)的乘積數(shù)值范圍依據(jù)置信度為大于等于99％設(shè)置；

其中，Spinal編譯碼參數(shù)包括編碼參數(shù)以及譯碼參數(shù)；其中，編碼參數(shù)為hash函數(shù)初始狀態(tài)二進(jìn)制序列；譯碼參數(shù)根據(jù)譯碼方法不同，參數(shù)也不同；

當(dāng)采用滑窗譯碼算法，譯碼參數(shù)為滑窗大小；

其中，當(dāng)前幀內(nèi)比特?cái)?shù)記為F_i；

其中，誤碼率和誤幀率參數(shù)均被初始化為0；Spinal編譯碼參數(shù)包括Spinal編碼的幀長度、信息比特長度以及列表長度；校驗(yàn)參數(shù)包括校驗(yàn)類型及對應(yīng)校驗(yàn)參數(shù)；初始化幀序號變量i為0；

步驟二、將當(dāng)前第i幀內(nèi)待傳輸?shù)男畔⒈忍剡M(jìn)行信源交織，具體為：

信源交織單元接收交織參數(shù)控制單元傳來的交織參數(shù)p對當(dāng)前第i幀內(nèi)待傳輸?shù)男畔⒈忍剡M(jìn)行信源交織，輸出信源交織后的信息比特；

其中，信源交織方式為素?cái)?shù)碼交織及平方素?cái)?shù)碼交織兩種中的一種；

步驟三、校驗(yàn)單元對步驟二信源交織后的信息比特進(jìn)行校驗(yàn)，輸出校驗(yàn)后比特序列；校驗(yàn)后比特序列的長度，記為LF_i；

步驟四、對步驟三輸出的校驗(yàn)后比特序列在Spinal編碼單元中進(jìn)行Spinal編碼，輸出Spinal編碼后符號；

其中，Spinal編碼包括如下子步驟：

步驟4.1將校驗(yàn)后比特中的LF_i比特的信息序列以m比特為單位分成LF_i/m個信息分段，記為：C₁、C₂、...、C_LFi/m，其中，每個分段都包含有m個比特；

步驟4.2依據(jù)步驟一設(shè)定的Spinal編譯碼參數(shù)中的hash函數(shù)初始狀態(tài)二進(jìn)制序列將LF_i/m個信息分段按順序依次經(jīng)hash函數(shù)h經(jīng)公式(1)計(jì)算當(dāng)前第k段的m個比特對應(yīng)的二進(jìn)制序列S_k，再經(jīng)星座函數(shù)映射為Spinal編碼后符號，記為：Spinal₁,Spinal₂,...,Spinal_LFi/m；

S_j＝h(S_j-1,C_j),1≤j≤LF_i/m, (1)

其中，S_j-1為當(dāng)j取1，即S₀為步驟一系統(tǒng)參數(shù)初始化模塊初始化的hash函數(shù)初始狀態(tài)二進(jìn)制序列；下一個hash函數(shù)初始狀態(tài)二進(jìn)制序列S_j由當(dāng)前輸入的信息分段C_j和S_j-1經(jīng)hash函數(shù)h產(chǎn)生；

步驟五、信道交織單元將步驟四輸出的Spinal編碼后符號信道交織，具體包括如下子步驟：

步驟5.1信道交織單元接收交織參數(shù)控制單元傳來的交織參數(shù)q；

步驟5.2基于交織參數(shù)q對步驟四輸出的Spinal編碼后符號中的所有信息比特進(jìn)行參數(shù)為q的素?cái)?shù)碼交織；

其中，素?cái)?shù)碼交織具體通過生成素?cái)?shù)碼矩陣，再將素?cái)?shù)碼矩陣的元素作為地址，對步驟四輸出的Spinal編碼后的符號進(jìn)行交織，輸出信道交織后符號；

其中，素?cái)?shù)碼矩陣中元素的生成表達(dá)式如下公式(2)：

d＝tl(mod q) (2)

其中，d(t,l)是有限域GF(p)上模p乘法的結(jié)果，且0＜t,l＜q；其中，q為素?cái)?shù)，d表示對應(yīng)的輸出符號地址，t和l分別表示Spinal編碼后的符號轉(zhuǎn)換為矩陣后的輸入比特地址；其中t表示行號，l表示列號；

平方素?cái)?shù)碼是素?cái)?shù)碼在GF(p²)上的擴(kuò)展，即以GF(p)中元素的二維向量來表示上述素?cái)?shù)碼中的各個參數(shù)，設(shè)(u,v)表示行數(shù)l，(a,b)表示符號序號；這里up+v，ap+b，k₁p+k₀對應(yīng)的多項(xiàng)式分別為：uy+v，ay+b，k₁y+k₀，u,v,a,b,k₁,k₀∈GF(p)且(a,b)≠(0,0)；根據(jù)以上約定，以f(y)＝y(tǒng)²-z為既約多項(xiàng)式，由下式(3)實(shí)現(xiàn)GF(q²)域乘法：z為既約多項(xiàng)式的常數(shù)項(xiàng)；

其中，表示模q加，(a,b)，(u,v)分別表示輸入的符號位置，對應(yīng)的輸出符號地址表示為

步驟六、將步驟五輸出的信道交織后符號經(jīng)過調(diào)制單元進(jìn)行調(diào)制，再對調(diào)制后信號進(jìn)行上變頻，得到待發(fā)送信號并經(jīng)發(fā)射天線輸出，即發(fā)射待發(fā)送信號；

步驟七、步驟六發(fā)射的待發(fā)射信號經(jīng)水聲時變信道模塊進(jìn)行傳輸，引入噪聲和衰落；

步驟八、解調(diào)單元接收經(jīng)過水聲時變信道模塊傳輸?shù)男盘枺⑦M(jìn)行下變頻和解調(diào)，輸出解調(diào)后符號；

其中，解調(diào)方式與步驟六中的相同；

步驟九、信道解交織單元接收解調(diào)單元傳來的解調(diào)后信息比特，并接收交織參數(shù)控制單元傳來的交織參數(shù)q對解調(diào)后信息比特進(jìn)行信道解交織，輸出解信道交織后比特；

其中，信道解交織方式與信道交織單元的交織方式相同；

步驟十、將步驟九輸出的解交織后符號經(jīng)Spinal解碼單元進(jìn)行Spinal碼譯碼，輸出Spinal解碼后的信息比特；

步驟十一、將步驟十Spinal解碼后的信息比特經(jīng)解校驗(yàn)單元進(jìn)行解校驗(yàn)，輸出解校驗(yàn)比特；

其中，解校驗(yàn)方式與步驟三校驗(yàn)單元采用的校驗(yàn)方法相同；

步驟十二、將步驟十一輸出的解校驗(yàn)比特在信源解交織單元進(jìn)行解信源交織，輸出解信源交織后比特，即恢復(fù)的信息比特；

其中，信源解交織單元對解校驗(yàn)單元輸出的解校驗(yàn)比特依據(jù)交織參數(shù)控制單元傳來的交織參數(shù)p進(jìn)行信源解交織，具體交織方式與信源交織單元的交織方式相同；

步驟十三、對步驟十二恢復(fù)的信息比特與步驟一輸入的當(dāng)前幀待傳輸?shù)男畔⒈忍剡M(jìn)行比較和判決，計(jì)算得當(dāng)前幀是否錯誤以及得出當(dāng)前幀內(nèi)的錯誤比特?cái)?shù)；并將當(dāng)前錯誤幀累加更新至當(dāng)前錯誤幀數(shù)；

步驟十四、判斷當(dāng)前錯誤幀數(shù)是否達(dá)到最大錯誤幀數(shù)，如果未達(dá)到，則進(jìn)一步判斷當(dāng)前幀序號i是否等于幀數(shù)，如果不等于則當(dāng)前幀序號i加1，跳到步驟二；否則若等于幀數(shù)，則計(jì)算并輸出錯誤統(tǒng)計(jì)結(jié)果；否則，如果達(dá)到最大錯誤幀數(shù)，計(jì)算并輸出錯誤統(tǒng)計(jì)結(jié)果。