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极化编码调制正交频分复用水声通信中的极化码构造方法

翟玉爽 冯海泓 李记龙 洪峰

翟玉爽, 冯海泓, 李记龙, 洪峰. 极化编码调制正交频分复用水声通信中的极化码构造方法[J]. 声学学报, 2023, 48(3): 482-495. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2023.03.016
引用本文: 翟玉爽, 冯海泓, 李记龙, 洪峰. 极化编码调制正交频分复用水声通信中的极化码构造方法[J]. 声学学报, 2023, 48(3): 482-495. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2023.03.016
ZHAI Yushuang, FENG Haihong, LI Jilong, HONG Feng. Polar code construction method for the polar coded modulation orthogonal frequency division multiplexing underwater acoustic communication[J]. ACTA ACUSTICA, 2023, 48(3): 482-495. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2023.03.016
Citation: ZHAI Yushuang, FENG Haihong, LI Jilong, HONG Feng. Polar code construction method for the polar coded modulation orthogonal frequency division multiplexing underwater acoustic communication[J]. ACTA ACUSTICA, 2023, 48(3): 482-495. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2023.03.016

极化编码调制正交频分复用水声通信中的极化码构造方法

doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2023.03.016
基金项目: 崂山实验室科技创新项目(LSKJ202205105)和重点实验室基金项目(2022-JCJQ-LB-033-07)资助
详细信息
    作者简介:

    翟玉爽, zys_ucas@163.com

    通讯作者:

    冯海泓, fhh@mail.ioa.ac.cn

  • 中图分类号: 43.30, 43.60

Polar code construction method for the polar coded modulation orthogonal frequency division multiplexing underwater acoustic communication

  • 摘要:

    为进一步提高水声通信可靠性和频带利用率, 针对极化编码调制的水声通信需求和信道特性, 基于蒙特卡洛法提出动态水声信道认知优化统计目标参数、联合译码的判决反馈信道估计两点改进, 建立了适用于编码调制水声信道中的极化码构造算法。为验证该算法性能, 建立了极化编码调制水声通信的两步应用机制。通过仿真, 比对并分析改进前后的极化码构造方法性能、对时变信道的鲁棒性, 以及在不同映射规则下的联合比特交织和多级编码的极化编码调制水声通信性能, 并与低密度校验(LDPC)编码调制系统进行对比。湖试结果表明, 提出的极化编码调制水声通信方案有效保证了信息在浅水水声信道中的可靠传输, 在信噪比约为14 dB、通信距离约1 km时, 实现无误码传输, 性能优于相同条件下的LDPC编码调制系统。

     

  • 图 1  编码调制OFDM水声通信系统结构框图 (a) 发射端;(b) 接收端

    图 2  发射数据帧结构图

    图 3  QPSK MLPCM极化子信道误码率和信道容量统计结果(N = 512,R = 0.5,Eb/N0 = 2 dB) (a) 编码调制极化子信道误码概率; (b) 编码调制极化子信道容量

    图 4  QPSK MLPCM在极化码构造方法统计参数优化前后的性能对比(N = 512,R = 0.5) (a) 极化码构造方法优化前后随蒙特卡洛统计次数变化的性能对比,Eb/N0 = 2 dB; (b) 极化码构造方法优化前后性能对比

    (方法1: 基于编码调制极化子信道误码率; 方法2: 基于编码调制极化子信道容量; 优化前: 原始蒙特卡洛方法[13])

    图 5  QPSK MLPCM在极化码构造中信道估计优化前后的性能对比(N = 512,R = 0.5)

    图 6  QPSK MLPCM系统误码率随信道多普勒变化情况(N = 512,R = 0.5)

    图 7  QPSK,16PSK 在SP和Gray映射下的星座图(N = 512,R = 0.5) (a) QPSK SP; (b) QPSK Gray; (c) 16PSK SP; (d) 16PSK Gray

    图 8  BIPCM和MLPCM水声通信系统在不同映射方式下的性能表现(N = 512,R = 0.5) (a) BIPCM; (b) MLPCM

    图 9  MLPCM,BIPCM, LDPC+BICM的性能对比 (a) MLPCM与BIPCM在不同调制方式下的性能对比(N = 512,R = 0.5); (b) BIPCM, LDPC+BICM在不同码长下的性能对比(R = 0.5)

    图 10  水声信道探测结果 (a) 信道冲激响应; (b) 信道频率响应; (c) 信道时域变化; (d) 信道散射函数

    图 11  码长为512的QPSK调制的BIPCM极化码构造结果 (a) 接收信号: 100块蒙特卡洛样本信号;(b)信道估计优化前后的两种方法在各OFDM块上的BER曲线对比

    表  1  系统参数

    变量符号数值
    ${f_c}$载波频率12 kHz
    $ B $带宽8 kHz
    $ {f_s} $采样频率48 kHz
    $ D $子载波数341
    $\Delta f$子载波带宽23.4 Hz
    $ \Delta {s_D} $导频间隔4
    $ T $OFDM符号时长42.7 ms
    ${T_{\rm cp} }$循环前缀10.7 ms
    $ {T_g} $保护间隔300 ms
    $ {N_{bl}} $每次传输的数据块数量20
    $ N $极化码码长512
    $ m $调相阶数2
    $ R $极化码码率1/2
    $ {R_D} $通信速率4.8 kb/s
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    表  2  湖试结果

    编码调制类型QPSKBIPCMQPSKMLPCMQPSKBICM+LDPC
    码长 N256512256512256512
    Eb/N0 (dB)14.913.514.412.315.113.2
    无编码误码率0.1090.0980.100.1030.1010.105
    误码率0.001300.000800.00780.0047
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-06
  • 修回日期:  2022-08-23
  • 刊出日期:  2023-05-11

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