利用极化码和均衡器的水声通信方法与流程

1.本发明是涉及利用极化码和均衡器的水下通信方法，更具体地，涉及使用基于最小误码率准则的自适应判决反馈均衡器，极化码的编码解码，以及使用harq机制提高系统性能。


背景技术：

2.自适应判决反馈均衡技术可以自动跟踪信道特性的变化，避免先进行信道估计再矩阵求逆的复杂过程，适用于存储长度较长的水声信道。将基于最小误符号率准则的自适应判决反馈均衡器结合turbo接收器进行迭代译码可以有效提高系统性能，但是迭代次数越多，该方法的译码复杂度越高。
3.polar码是第一个理论上达到香农极限的信道编码，同时具有较低的编译码复杂度。目前针对水声信道可用的极化码构造方法有蒙特卡洛方法和巴氏参数边界法。蒙特卡洛方法通过多次实验来估计子信道的可靠性，适用于各种信道，但是方法复杂度很高，不适合实际使用。巴氏参数边界法需要知道水声信道的特征参数来计算巴氏参数的初始值，该方法需要计算并反馈信道状态信息，而且准确性不高。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种利用极化码和均衡器的水下通信方法，首先利用均衡器将水声信道转换为高斯信道，使用训练数据计算并反馈噪声方差，接收端根据反馈信息使用高斯近似方法进行极化码构造，其次加入harq机制，根据crc校验结果判断是否重新传输训练数据来降低反馈误差的影响。
5.具体地，本发明通过以下方法实现上述方法：
6.s1、使用均衡器均衡水声信道；
7.s2、接收端计算并反馈噪声方差；
8.s3、发送端构造极化码；
9.s4、接收端译码；
10.s5、对译码结果进行crc校验；
11.s6、根据校验结果判断是否重传；
12.所述步骤s1包含以下步骤：
13.s1.1、假设在一次训练和测试过程中信道保持不变，接收端使用基于最小误码率准则的自适应判决反馈均衡器对训练数据进行均衡处理；设置前馈均衡器系数为f
k
，步长为u
f
，反馈均衡器系数为b
k
，步长为u
b
；均衡器第k个时刻的输出为：
[0014][0015]
s1.2、均衡器抽头系数根据均衡输出的判决结果自动调整，处理完所有训练数据后均衡器系数在测试过程中将保持不变，系数更新过程表示如下：
[0016][0017][0018][0019]
所述步骤s2包含以下步骤：
[0020]
s2.1、假设均衡器可以很好的抵消码间干扰，我们将均衡器第k个时刻的判决输出和发送信号s
k
表示为：
[0021][0022]
其中λ表示均衡后的偏差，η
k
是残余的干扰项，进一步的消除偏差λ后，均衡输出可以表示为：
[0023][0024]
s2.2、于是，信号通过水声信道的过程可以看作信号通过高斯信道，该高斯信道的噪声方差σ2可以使用n个训练数据的时间平均值进行估算，计算过程如下：
[0025][0026][0027]
所述步骤s3包含以下步骤：
[0028]
s3.1、根据反馈的噪声方差，发送端使用高斯近似方法选择可靠性高的子信道，子信道的均值计算方式如下：
[0029][0030][0031][0032][0033]
极化子信道的错误概率为：
[0034][0035]
s3.2、根据极化子信道的错误概率进行排序，选出错误概率小的子信道作为信息位；根据信息位可以得到生成矩阵g
n
，极化码编码过程如下：
[0036][0037]
其中，和分别是极化编码前后的序列，二进制随机序列和相应的循环冗余序列构成测试数据编码后的数据通过调制再发送；
[0038]
所述步骤s4包含以下步骤：
[0039]
s4.1、接收端对接收信号进行均衡、译码操作。设置译码路径宽度l，使用ca
‑
scl译码算法，保留l个可能性最大的译码路径；
[0040]
所述步骤s5包含以下步骤：
[0041]
s5.1、将得到的译码路径依次通过crc校验，将第一条通过校验的译码路径作为本次译码结果，如果所有路径都没有通过crc校验则校验失败；
[0042]
所述步骤s6包含以下步骤：
[0043]
s6.1、设置最大重传次数，如果校验失败，则重复s1
‑
s6步骤直到校验通过或者达到最大重传次数限制；
[0044]
本发明的有益效果在于：编码构造简单，使用高斯近似方法构造极化码接收端只需要反馈噪声方差信息，同时在误码率性能上优于turbo均衡迭代5次的结果。
附图说明
[0045]
图1为本发明利用极化码和均衡器的水声通信方法的流程图。
[0046]
图2为本发明利用极化码和均衡器的水下通信方法的水声通信系统框图。
[0047]
图3为本发明利用极化码和均衡器的水下通信方法的harq重传过程。
[0048]
图4为本发明利用极化码和均衡器的水下通信方法和使用turbo迭代均衡方法的误码率性能比较图。
具体实施方式
[0049]
本发明提出了一种利用极化码和均衡器的水下通信方法，实施过程如图1所示，使用训练数据更新均衡器系数，将水声信道通过均衡器看作为高斯信道；接收端使用均衡输出计算并反馈噪声方差；接收端根据反馈信息使用高斯近似方法构造极化码；接收端使用ca
‑
scl译码方式译码；将译码结果通过循环冗余校验；根据crc校验结果判断是否重新传输来降低反馈误差的影响。
[0050]
具体地，本发明通过以下步骤实现上述方法：
[0051]
s1、使用均衡器均衡水声信道；
[0052]
s2、接收端计算并反馈噪声方差；
[0053]
s3、发送端构造极化码；
[0054]
s4、接收端译码；
[0055]
s5、对译码结果进行crc校验；
[0056]
s6、根据校验结果判断是否重传；
[0057]
s7、和turbo迭代均衡进行误码率性能比较；
[0058]
s1.1、假设在一次训练和测试过程中信道保持不变，设置训练数据长度为1024比特，测试数据长度为1024比特；接收端使用基于最小误码率准则的自适应判决反馈均衡器
对训练数据进行均衡处理；设置前馈均衡器系数为f
k
，步长u
f
＝0.15,反馈均衡器系数为b
k
，步长u
b
＝0.25；均衡器第k个时刻的输出为：
[0059][0060]
s1.2、均衡器抽头系数根据均衡输出的判决结果自动调整，处理完所有训练数据后均衡器系数在测试过程中将保持不变，系数更新过程表示如下：
[0061][0062][0063][0064]
s2.1、假设均衡器可以很好的抵消码间干扰，我们将均衡器第k个时刻的判决输出和发送信号s
k
表示为：
[0065][0066]
其中λ表示均衡后的偏差，η
k
是残余的干扰项，进一步的消除偏差λ后，均衡输出可以表示为：
[0067][0068]
s2.2、于是，信号通过水声信道的过程可以看作信号通过高斯信道，该高斯信道的噪声方差σ2可以使用n个训练数据的时间平均值进行估算，并将计算得到的噪声方差σ2反馈给发送端。噪声方差σ2计算过程如下：
[0069][0070][0071]
s3.1、如图2所示，发送端根据反馈的噪声方差，使用高斯近似方法选择可靠性高的子信道，子信道的均值计算方式如下：
[0072][0073][0074][0075][0076]
极化子信道的错误概率可以表示为：
[0077][0078]
s3.2、根据极化子信道的错误概率进行排序，选出错误概率小的子信道作为信息位；根据信息位可以得到生成矩阵g
n
，极化码编码过程如下：
[0079][0080]
其中，和分别是极化编码前后的序列，设置1008比特二进制随机序列和16比特循环冗余序列构成测试数据对进行极化编码，编码效率为1/2，编码后的数据通过调制再送入水声信道；
[0081]
s4.1、接收端对接收信号进行均衡、解调和译码操作；设置译码路径宽度l＝16，使用ca
‑
scl译码算法，保留l个可能性最大的译码路径；
[0082]
s5.1、将得到的译码路径依次通过循环冗余校验，并将第一条通过校验的译码路径作为本次译码结果。
[0083]
s6.1、如图3所示，设置最大重传次数为1次，如果校验成功，则向发送端发送确认信号(ack信号)，本次传输过程结束；如果校验失败，则向发送端发送nack信号，发送端重新发送训练数据，重复s1
‑
s6步骤直到校验通过或者达到最大重传次数限制，当重传过程结束后，仍没有译码路径校验成功则选择可能性最大的译码路径作为译码结果输出；
[0084]
s7.1、将该方案与turbo均衡算法进行比较，turbo均衡算法使用相同的均衡器设置，以及同样的训练数据，编码方式使用1/2码率的递归系统卷积码，该编码器的生成多项式为[g1,g2]＝[5,7]，编码后的数据通过交织器再调制和发送，接收端对接收数据进行迭代均衡和译码，均衡器更新步长设置为u
f
＝u
b
＝0.01，迭代次数设为5次；仿真比较结果如图4所示，本发明在误码率性能上比turbo迭代5次收敛更快，误码率更低。