[發明專利]一種海洋通信系統聯合信道分類、估計和檢測方法

有效

• 申請號: 202010419800.2
• 申請日: 2020-05-18
• 公開（公告）號: CN111565160B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 江明;盧懷因
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H04L25/02
• 分類號: H04L25/02;H04B17/309;G06N3/08;G06N3/04;G06K9/62
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 張金福

本發明提供的一種海洋通信系統聯合信道分類、估計和檢測方法，包括：構建DCO?OFDM系統，完成信號的發送和接收；在DCO?OFDM系統上，構建深度神經網絡DNN檢測器和DNN信道分類器，即DNN檢測器和DNN?CC；對DNN檢測器和DNN?CC進行訓練，構建聯合信道分類、估計和檢測JCCESD模型；利用JCCESD模型對海洋通信系統進行聯合信道的分類、估計和檢測。本發明提供的聯合信道分類、估計和檢測方法，通過設計一種DNN檢測器將信道估計CE和信號檢測SD過程結合起來，在一個DNN中完成CE和SD的功能實現；設計一個新型的DNN?CC，以產生優化的估計組合權重ECW，并將ECW應用于DNN檢測器的CE和SD過程，顯著提高時變UWOC信道下的CE和SD性能；最后將JCCESD模型設計融入到DCO?OFDM系統中，在系統的接收端完成信道分類、CE和SD過程。

技術領域

本發明涉及海洋通信技術領域，更具體的，涉及一種海洋通信系統聯合信道分類、估計和檢測方法。

背景技術

近年來，水下無線光通信(Underwater Wireless Optical Communication，UWOC)憑借其豐富的光帶寬，在高速無線通信中得到了越來越廣泛的應用。與水聲通信技術相比，水聲通信技術利用聲波以非常有限的帶寬(kHz量級)傳輸信息，并且具有較大的傳輸延遲，UWOC技術可以在保持較低傳輸時延的同時，將可實現的數據速率大幅度提高到千兆每秒(Giga Bit Per Second，Gbps)[1]。

然而，光束在UWOC信道中傳輸時會受到吸收(Absorption)、散射(Scattering)和湍流(Turbulence)的影響[2][3][4]。吸收效應是一個不可逆的過程，在傳播過程中光子與水分子和其他粒子相互作用，從而損失其能量。在散射現象中，每個光子的發射方向是隨機變化的，因此接收器可以捕獲的能量減少。此外，光學湍流(Optical Turbulence)是水下介質隨機變化的結果，其主要原因是溫度和鹽度的波動[5]。上述的吸收、散射和湍流傳播效應使得精確地獲取信道估計(Channel Estimation，CE)變得困難，從而對信號檢測(SignalDetection，SD)產生了不可忽視的負面影響。

然而，由于水下環境的復雜性，信道狀態信息(Channel State Information，CSI)估計的準確度通常不足以保證UWOC接收機的SD質量。直到最近，現有的信道均衡和數據檢測方案很難滿足UWOC場景中應用的性能和成本要求。此外，文獻[6]的作者提出了一種用于正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系統的線下訓練輔助的深度神經網絡(Deep Neural Network，DNN)線上CE方案。然而，在這個模型中，DNN只使用了全連接層(Fully Connected Layer，FCL)，DNN網絡基于子載波數目被劃分成幾個子部分，從而造成較高復雜度。總體來說，簡單地將最初為無線電頻率設計的DNN技術應用于UWOC系統并不能獲得理想的性能，因為UWOC信道的信道沖激響應(Channel ImpulseResponses，CIR)可能會因許多因素而發生顯著變化，例如水深，水溫，水流和陽光強度的變化等[7]。

發明內容

本發明為克服現有的將最初為無線電頻率設計的DNN技術應用于UWOC系統中，存在無法獲得理想性能的技術缺陷，提供一種海洋通信系統聯合信道分類、估計和檢測方法。

為解決上述技術問題，本發明的技術方案如下：

一種海洋通信系統聯合信道分類、估計和檢測方法，包括以下步驟：

S1：構建基于深度神經網絡DNN的直流偏置光OFDM系統，即DCO-OFDM系統，完成信號的發送和接收；

S2：在DCO-OFDM系統上，構建DNN檢測器和DNN信道分類器(Channel Classifier)，即DNN檢測器和DNN-CC；