于洋+張柯+楊枝茂+孫宗鑫+干書偉

摘 要：針對傳統(tǒng)CDMA水聲通信技術(shù)通信速率低的特點，文中利用M元擴(kuò)頻打破了擴(kuò)頻增益對通信速率的制約，提出M元CDMA水聲通信技術(shù)。通過公式推導(dǎo)和在海洋信道下的仿真與傳統(tǒng)CDMA技術(shù)進(jìn)行比較。詮釋了應(yīng)用M元CDMA技術(shù)帶來優(yōu)點和引入的干擾。并通過與同等總通信速率的傳統(tǒng)CDMA技術(shù)相比較來權(quán)衡利弊。結(jié)果顯示，M元CDMA在海洋信道條件下能獲得更好的性能，為未來水聲通信網(wǎng)提供了一種新的選擇。

關(guān)鍵詞：水聲通信；擴(kuò)頻；M元；CDMA

中圖分類號：TN914.53；TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）02-00-04

0 引 言

水聲信道隨著信號頻率的增加，對信號的衰減逐漸增強(qiáng)。水聲信道在不同頻率下的噪聲級也會有很大差別，而水聲信道對信號和噪聲的影響隨著距離變化。信號頻率和帶寬亦隨著距離而變，而換能器制作的工藝又不能完全符合環(huán)境所提供的帶寬，這造就了極為有限的傳輸帶寬[1]。噪聲、衰落、時變、多徑和多普勒使水聲信道變的尤其復(fù)雜。因此表現(xiàn)出與無線信道完全不同的性質(zhì)[2]。

隨著GPRS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的完善，人們對于陸地、海面上的情況已了如指掌，但對于海洋中的情況則充滿了未知。SeaWeb作為世界上覆蓋面最大的水聲通信網(wǎng)絡(luò)正扮演著越來越重要的地位[3]，水聲通信網(wǎng)的研究也因此勢在必行，水聲通信網(wǎng)使用的主要技術(shù)是CDMA技術(shù)。與TDMA相比，CDMA可以同時進(jìn)行多用戶傳輸，并且對定時的要求不太嚴(yán)格。此外，CDMA系統(tǒng)是干擾受限系統(tǒng)，為系統(tǒng)提供了一個軟容量。隨著用戶數(shù)量的增加，每個用戶收到的干擾增加。而它的好處在于提供了容量和質(zhì)量之間的權(quán)衡。

隨著對水聲通信速率和水下組網(wǎng)要求的提高，水聲CDMA技術(shù)被廣泛研究[4，5]，如何能在傳統(tǒng)CDMA基礎(chǔ)上獲得更高的速率和更好的性能成為了研究的熱點。傳統(tǒng)的CDMA采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）BPSK調(diào)制方式，并得到了廣泛的應(yīng)用。但隨著對通信速率的要求不斷提高，這種方式已經(jīng)無法滿足要求。擴(kuò)頻增益和通信速率之間存在制衡關(guān)系，而M元擴(kuò)頻則打破了該制衡的關(guān)系，它利用了序列間良好的相關(guān)性和序列數(shù)量。通常對同一種序列而言，擴(kuò)頻增益越高，碼長越長，同一族擁有良好相關(guān)特性的序列數(shù)也越多，M元技術(shù)攜帶信息的能力也越強(qiáng)，M元擴(kuò)頻技術(shù)在無線電領(lǐng)域和衛(wèi)星通信領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。所以說M元CDMA緩和了擴(kuò)頻增益和通信速率之間的制衡。

1 M元CDMA原理

M元CDMA相比傳統(tǒng)方式的優(yōu)勢在于其較高的通信速率，這種優(yōu)勢的大小取決于使用的序列，本文以擁有良好互相關(guān)特性的Gold序列為例。設(shè)序列的階數(shù)為r，用戶的數(shù)目為K，則總序列數(shù)為2r+1，分配給每個用戶的序列數(shù)為，其中為向下取整。設(shè)每位用戶傳統(tǒng)CDMA的通信速率為基準(zhǔn)通信速率1，則M元CDMA是基準(zhǔn)通信速率的倍。M元CDMA的原理框圖如圖1所示。

從圖2可以看出，M元CDMA的通信速率要高于傳統(tǒng)CDMA，傳統(tǒng)CDMA的通信速率與用戶的數(shù)目成正比。M元CDMA隨用戶數(shù)目增長的趨勢逐漸變緩，兩種通信方式的速率最后重合在一起。這個現(xiàn)象在圖3中有更明顯的表現(xiàn)，M元CDMA通信速率的優(yōu)勢隨著用戶數(shù)的增加而不斷減少。

用于仿真的信道沖激響應(yīng)來源于海洋真實測量，測量地點在巴基斯坦重要的港口城市敖馬拉附近，測量所在的海洋結(jié)構(gòu)為大陸架，兩點之間的距離為10 km，測量水域的深度為10～722 m，發(fā)射換能器的深度為5 m，接收換能器的深度為400 m。其信道沖激響應(yīng)如圖4所示。

從上圖可以看出，多徑時延在幾十毫秒的量級上，此信道為非最小相位系統(tǒng)，非最小相位系統(tǒng)是有些路徑通過較高的聲速傳播了較長的時延造成的。

圖5所示為不同用戶的傳統(tǒng)和M元同步CDMA在高斯信道下的誤碼率曲線比較圖，兩種通信方式在仿真時都采用中心頻率8 kHz，帶寬4 kHz，采樣頻率48 kHz，其中傳統(tǒng)方式為DSSS-BPSK系統(tǒng)，采用碼長63的m序列，M元方式采用碼長63的Gold序列。

上圖對1到16用戶的兩種通信方式給出了一些基本規(guī)律，從上圖可以得到這樣的結(jié)論：隨著用戶數(shù)量的增加，抗噪聲能力不斷下降，這也與通信速率成反比，而這是由用戶間的干擾造成的。M元CDMA的抗噪聲能力要差于傳統(tǒng)CDMA，這也與兩種通信方式之間的通信速率有著對應(yīng)關(guān)系，這是因為Gold序列的互相關(guān)性要差于m序列的自相關(guān)特性。對于16用戶的情況，兩種通信方式都有不再收斂的趨勢。

研究不同用戶數(shù)兩種通信方式在衰落信道下的表現(xiàn)，仿真參數(shù)與圖5仿真所使用的參數(shù)一致，仿真使用的信道為圖4所示的海洋實測信道，其誤碼率曲線比較如圖6所示。

通過圖6和圖5的比較可以看出，在衰落信道下得到的誤碼率曲線要差于高斯信道下得到的曲線，而這種差距隨著用戶數(shù)量的提高而增加。8用戶和16用戶的情況曲線都有了不再收斂的趨勢。這說明，用戶數(shù)量的增加在衰落信道下對系統(tǒng)的影響和高斯信道相比更加嚴(yán)峻，（3）式中的第二項干擾和 （4）式中的干擾被同時加強(qiáng)了。圖7所示是兩種通信方式在不同用戶數(shù)目的情況下，達(dá)到10-3誤碼率所需要的信噪比。

從圖7可以看出，兩種通信方式達(dá)到10-3誤碼率所需要的信噪比隨著用戶數(shù)量的提高而不斷增加。對于這兩種通信方式下高斯和衰落信道的表現(xiàn)，衰落信道下的曲線都要高于高斯信道下的曲線。隨著用戶數(shù)目的增加，傳統(tǒng)CDMA衰落信道下的曲線和高斯信道下曲線之間的距離不斷增加，對M元CDMA亦如此，M元CDMA在衰落信道下8用戶和16用戶的情況下甚至不能達(dá)到10-3的誤碼率。而這種兩曲線間愈加分離的現(xiàn)象也體現(xiàn)著圖6分析中（3）式中的第二項干擾和（4）式中的干擾被同時加強(qiáng)的結(jié)論。

上述已經(jīng)借助與傳統(tǒng)CDMA比較分析的M元CDMA的一些基本規(guī)律，而這些基本規(guī)律是在同等用戶數(shù)，不同通信速率條件下比較的，對于衡量系統(tǒng)性能來說，這對M元CDMA不公平，因為它有更高的通信速率。研究在M元CDMA通信速率高于或基本等于傳統(tǒng)CDMA的情況下兩者性能的比較。由于此比較采用的是m序列，它并非2的整數(shù)次冪，所以很難做到兩種通信方式在同等用戶數(shù)和完全相等通信速率下比較。傳統(tǒng)CDMA采用碼長為31的m序列，而M元CDMA采用碼長為127的m序列。采樣頻率、帶寬與中心頻率與以上方式相同?？傻?用戶到8用戶兩種方式在高斯和衰落信道下的比較結(jié)果。

對于圖8中單用戶的情況，傳統(tǒng)CDMA的通信速率為64.5 b/s，而M元CDMA的通信速率為110.2 b/s。此時M元CDMA的通信速率比傳統(tǒng)CDMA的通信速率高70.9%，在M元CDMA比傳統(tǒng)CDMA通信速率高如此之多的情況下，在較低的誤碼率時（誤碼率小于10-3），M元CDMA在AWGN和UWA衰落信道下的性能仍要好于傳統(tǒng)CDMA。

對于圖9中雙用戶的情況，傳統(tǒng)CDMA的通信速率為129.0 b/s，而M元CDMA的通信速率為189.0 b/s。此時M元CDMA的通信速率比傳統(tǒng)CDMA的通信速率高46.5%，在M元CDMA比傳統(tǒng)CDMA通信速率高的情況下，可以看出，誤碼率在10-2以下時，M元CDMA在兩種信道下的性能要好于傳統(tǒng)CDMA。以10-3誤碼率為例，兩種信道下，M元CDMA的抗噪聲能力都要好于傳統(tǒng)CDMA1 dB以上。

對于圖10中四用戶的情況，傳統(tǒng)CDMA的通信速率為258.1 b/s，而M元CDMA的通信速率為315.0 b/s。此時M元CDMA的通信速率比傳統(tǒng)CDMA的通信速率高22.1%，在這種情況下，M元CDMA在兩種信道下，10-2誤碼率以下的情況抗噪聲能力都要好于傳統(tǒng)CDMA，M元CDMA的抗噪聲能力要好于傳統(tǒng)CDMA1 dB以上。

對于圖11中八用戶的情況，傳統(tǒng)CDMA的通信速率為516.1 b/s，而M元CDMA的通信速率為503.9 b/s。此時，傳統(tǒng)CDMA的通信速率比M元CDMA快2.4%?？梢哉J(rèn)為兩者的通信速率近似相等，在這種情況下可以看出，M元CDMA在兩種信道下的抗噪聲能力都要好于傳統(tǒng)CDMA，此時傳統(tǒng)CDMA在UWA信道下收斂能力已經(jīng)嚴(yán)重下降。

從以上分析可以得到這樣的結(jié)論：M元CDMA的性能要好于傳統(tǒng)CDMA，在同等通信速率下，M元CDMA可以得到更長的擴(kuò)頻碼，而在相同的用戶數(shù)目下，擴(kuò)頻碼越長，就意味著可以獲得較小的MUI和更好的抗噪聲能力。

3 結(jié) 語

基于提高傳統(tǒng)CDMA通信速率的期望，本文提出M元CDMA水聲通信系統(tǒng)，通過M元擴(kuò)頻技術(shù)打破擴(kuò)頻增益對通信速率的制衡。首先，本文對整個系統(tǒng)的流程進(jìn)行了描述。通過M元CDMA的通信速率和引入的干擾兩條主線對M元CDMA進(jìn)行分析和仿真。本文對M元CDMA和傳統(tǒng)CDMA相比帶來通信速率的提升和引入的干擾給出了定性和定量的分析。最后通過和傳統(tǒng)CDMA同等總通信速率在真實海洋信道下的仿真比較，驗證了M元CDMA的優(yōu)良性能。為水聲通信網(wǎng)的組網(wǎng)提供了新的備選方案。

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