王俊峰，於楚楚，孫海信，周明章，顧亞平，賈 寧

(1.天津理工大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384；2.廈門大學(xué)信息學(xué)院，福建廈門 361005；3.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海 201815；4.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所水聲環(huán)境特性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

0 引言

在水下無(wú)線通信中，由于聲音具有較好的傳播特性，水聲通信在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、目標(biāo)跟蹤、海洋數(shù)據(jù)采集等方面的應(yīng)用引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，部署在水下的傳感器節(jié)點(diǎn)缺乏可持續(xù)供電的電源，因此電力消耗是水下通信面臨的主要問(wèn)題之一。此外，在水聲通信系統(tǒng)中，有效帶寬和信道容量非常有限，而且隨著水下用戶數(shù)量的增加和軍事戰(zhàn)略要求的提高，可用頻譜變得越來(lái)越稀缺，這不僅阻礙了水下用戶的接入，也阻礙了高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展?？偠灾?，水聲通信系統(tǒng)既是一個(gè)功率受限的系統(tǒng)也是一個(gè)帶寬受限的系統(tǒng)，對(duì)其綜合設(shè)計(jì)一直以來(lái)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

最近，隨著索引調(diào)制(Index Modulation,IM)概念的提出，廣大學(xué)者再一次將目光投向了調(diào)制方式相關(guān)研究領(lǐng)域中。IM所涵蓋的調(diào)制方式十分廣泛，它利用一些資源和構(gòu)建塊的狀態(tài)來(lái)攜帶額外的信息從而提高效率，而這些資源和構(gòu)建塊可以是物理的，如天線[1-7]，頻率載波[8-15]和擴(kuò)頻碼[16-22]；也可以是虛擬的，如，信號(hào)星座[23-25]和空時(shí)矩陣[26]。為了應(yīng)對(duì)水聲環(huán)境所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，研究人員將IM應(yīng)用到水聲通信系統(tǒng)中[27-28]，希望能夠提高水下傳輸頻譜效率，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰砍杀?，并結(jié)合水聲中常用的多輸入多輸出(Multiple-Input-Multiple-Output,MIMO)技術(shù)和正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術(shù)，對(duì)IM進(jìn)行一系列改進(jìn)[29-35]。研究成果表明：IM可以為水聲通信系統(tǒng)提供低復(fù)雜度、高譜效且低功耗的解決方案，具有較好的應(yīng)用前景，可以考慮作為水聲通信網(wǎng)絡(luò)中的一種備選數(shù)字調(diào)制技術(shù)。

本文聚焦于IM在水聲通信中的應(yīng)用及其研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了空間調(diào)制(Spatial Modulation,SM)及IM-OFDM的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，介紹了IM在水聲通信中的主要研究成果，通過(guò)性能分析討論了其在水聲信道中的實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)未來(lái)可能的研究方向進(jìn)行了概述。

1 IM及其在水聲通信中的應(yīng)用

水聲通信系統(tǒng)中，常用的索引調(diào)制方式主要在空域、頻域和碼域或它們之間的相互組合中進(jìn)行。其中，根據(jù)不同的水聲通信架構(gòu)及所面臨的不同問(wèn)題，研究人員在傳統(tǒng)IM基礎(chǔ)上，又做出了進(jìn)一步完善，相關(guān)文獻(xiàn)如表1所示。

表1 現(xiàn)有的索引調(diào)制(IM)技術(shù)在水聲通信系統(tǒng)中應(yīng)用的有關(guān)文獻(xiàn)Table 1 Existing literatures related to applications of IM technique in underwater acoustic communication system

1.1 空間調(diào)制

MIMO技術(shù)是水下通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，它在發(fā)射端和接收端使用多天線來(lái)提高通信性能，通過(guò)多路復(fù)用和空間分集來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率、更好的傳輸可靠性和更大的覆蓋范圍[36]。但是，MIMO技術(shù)具有許多局限性，如天線數(shù)量過(guò)多導(dǎo)致的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性，以及在多徑信道中的性能衰減。因此，在傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)中，通常只設(shè)置少量的發(fā)射天線[24]。而基于MIMO系統(tǒng)的SM方案在每次通信過(guò)程中只選擇一根發(fā)射天線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并使用空間域來(lái)彌補(bǔ)可能導(dǎo)致的傳輸速率的損耗[1]。因此，SM作為傳統(tǒng)MIMO的替代方案，避免了MIMO系統(tǒng)中的一些常見(jiàn)問(wèn)題，在通信系統(tǒng)中被廣泛使用。

SM的主要思想是通過(guò)發(fā)射天線的索引來(lái)傳遞額外的信息，如圖1所示。首先，將要傳遞的信息比特分成索引比特p1和調(diào)制比特p2兩部分；然后，p1用于確定發(fā)射天線，即完成信息比特到索引之間的映射，p2經(jīng)二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)、正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)等傳統(tǒng)調(diào)制方式映射為調(diào)制符號(hào)，通過(guò)所選擇的天線發(fā)射。因此，與空間移位鍵控調(diào)制或傳統(tǒng)MIMO相比，SM可以在不激活所有發(fā)射天線和消耗額外發(fā)射功率的情況下發(fā)送更多的信息比特，獲得更高的傳輸速率，避免了天線同步的需求，且抑制了天線間互干擾的產(chǎn)生。此外，增加發(fā)射天線的數(shù)量還可以提高頻譜效率。為了進(jìn)一步提高SM系統(tǒng)的傳輸速率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出一系列的改進(jìn)方案[4,23-25,27,30]，如表1中所示。廣義空間調(diào)制(Generalized Spatial Modulation,GSM)[4]可以同時(shí)激活多根天線，因此，在發(fā)射天線數(shù)較少的情況下，GSM可獲得高于SM的傳輸速率。基于GSM機(jī)制的完全廣義空間調(diào)制(Fully Generalised Spatial Modulation,FGSM)[27,35]是一種適用于水聲通信系統(tǒng)的低功耗、高效率的方案。該方案通過(guò)改變天線的索引方式，使得被激活的天線數(shù)量可以是一個(gè)到多個(gè)/全部不等，并且該數(shù)量作為一種索引資源也攜帶額外的信息比特。因此，相比于GSM，F(xiàn)GSM能夠有效減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎?，并且提高水下通信的頻譜效率。

圖1 空間調(diào)制示意圖Fig.1 Schematic diagram of spatial modulation

上述所有調(diào)制技術(shù)都試圖通過(guò)增加發(fā)射天線和調(diào)制間的組合數(shù)量，以增加發(fā)送數(shù)據(jù)量。然而，與被廣泛使用的空分復(fù)用技術(shù)相比，上述SM的頻譜效率依然較低。因此，文獻(xiàn)[23]引入了增強(qiáng)型空間調(diào)制(Enhanced Spatial Modulation,ESM)的概念。其中，信息比特不僅可以搭載在有源發(fā)射機(jī)天線索引上，還可以通過(guò)所使用的信號(hào)星座類型進(jìn)行發(fā)送，利用主星座和次星座增加調(diào)制和發(fā)射天線的組合數(shù)以攜帶額外的信息。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[24-25,30]對(duì)ESM做了一系列的改進(jìn)。其中，增強(qiáng)全廣義空間調(diào)制(EFGSM)[30]技術(shù)作為ESM與FGSM的結(jié)合體，是一種新的高效的水聲通信方案。與SM、GSM和FGSM等傳統(tǒng)方案相比，其在水下物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用不僅在節(jié)約能量和頻譜效率方面具有優(yōu)勢(shì)，而且在平均誤碼率方面也有所改善。

在SM技術(shù)中，接收端需要檢測(cè)有源天線索引及傳輸?shù)男亲?hào)。有源天線索引的檢測(cè)是檢測(cè)器中的一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，為了有效檢測(cè)發(fā)射數(shù)據(jù)，必須先正確判斷有源天線索引。在大部分文獻(xiàn)中，SM通常是基于完美的信道狀態(tài)信息，通過(guò)最優(yōu)[6]和次優(yōu)[1]檢測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。并且，基于這種檢測(cè)方法，SM技術(shù)已成功應(yīng)用于水聲通信中[27,30]。然而，在實(shí)際情況中，接收端并沒(méi)有完美的信道狀態(tài)信息，且水聲信道的復(fù)雜性更是增加了對(duì)檢測(cè)器的要求，因此如何進(jìn)行水聲信道估計(jì)，并且獲得良好的信號(hào)檢測(cè)性能，在水聲SM系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵作用[37]。文獻(xiàn)[7]驗(yàn)證了基于導(dǎo)頻的遞推最小二乘自適應(yīng)信道估計(jì)算法在水聲SM通信系統(tǒng)中的適用性，且隨著導(dǎo)頻長(zhǎng)度的增加，誤碼率和均方誤差性能得到了改善。然而，導(dǎo)頻長(zhǎng)度的增加也導(dǎo)致了系統(tǒng)頻譜效率的下降。因此，在未來(lái)的工作中，嘗試使用不同的信道估計(jì)技術(shù)，以提高SM技術(shù)的頻譜效率。此外，SM與其他技術(shù)的結(jié)合，依然具有很大的發(fā)展空間。為了解決水聲信道的帶寬限制問(wèn)題，文獻(xiàn)[33]結(jié)合SM的概念，提出了在水聲信道中進(jìn)行有效圖像傳輸?shù)牟坏日`差保護(hù)方案，為IM技術(shù)在水聲通信系統(tǒng)中的應(yīng)用擴(kuò)寬了新的思路，表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 子載波索引調(diào)制

OFDM技術(shù)由于其能夠有效對(duì)抗多徑效應(yīng)引起的碼間干擾(Inter Symbol Interference,ISI)[38]，廣泛應(yīng)用于水聲信道中。然而，OFDM信號(hào)的子載波間隔對(duì)終端移動(dòng)和海浪產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)十分敏感[39]。多普勒頻偏破壞了子載波間的正交性，進(jìn)一步增大了載波間干擾(Inter Carrier Interference,ICI)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。由于ICI的功率隨著有源子載波的數(shù)量增大而增大，因此，以頻譜效率為代價(jià)，可以通過(guò)將一些子載波設(shè)置為空閑來(lái)降低ICI。一種新興的調(diào)制技術(shù)，即子載波索引調(diào)制(Subcarrier Index Modulation OFDM,SIM-OFDM)應(yīng)運(yùn)而生。

SIM-OFDM借用SM的原理，天線索引同樣適用于OFDM子載波索引。在SIM-OFDM中，子載波狀態(tài)由索引比特控制，子載波的索引隱含地傳遞索引比特信息，頻譜效率的損失得到了補(bǔ)償。但是，由于每個(gè)OFDM塊中激活子載波的數(shù)量是可變的，需要一個(gè)完美的前饋鏈路來(lái)明確子載波索引比特與子載波索引之間的映射方法，這使得該方案的實(shí)用性較差。增強(qiáng)型子載波索引調(diào)制(ESIMOFDM)[9]通過(guò)一個(gè)索引比特來(lái)控制兩個(gè)連續(xù)子載波的狀態(tài)。當(dāng)其采用相同的星座映射方式時(shí)，ESIMOFDM系統(tǒng)的頻譜效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于OFDM系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10]中提出了一種更加靈活和高效的方案，即OFDM-IM，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。該方案將所有子載波分成若干塊，每個(gè)塊內(nèi)根據(jù)索引比特激活相應(yīng)的子載波子集來(lái)傳輸調(diào)制符號(hào)，每個(gè)塊內(nèi)激活子載波的數(shù)量可以不同。因此，相比ESIMOFDM，頻譜利用率得到了很大的提升。并且，通過(guò)調(diào)整參數(shù)，OFDM-IM甚至可以獲得比OFDM更高的頻譜利用率。此外，由于部分子載波處于未激活狀態(tài)，在發(fā)送功率一定的情況下，激活子載波的能量將高于傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)中的子載波能量，更利于接收機(jī)檢測(cè)，在沒(méi)有ICI的情況下[11-12]，其誤碼率和可達(dá)傳輸速率方面都有超過(guò)傳統(tǒng)OFDM的潛力，且空子載波的存在也促進(jìn)了一系列峰均抑制比降低的方法[13-15]。

圖2 OFDM-IM系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of OFDM-IM system

文獻(xiàn)[28]首次嘗試將OFDM-IM技術(shù)應(yīng)用到水聲通信系統(tǒng)中。然而，惡劣的水聲信道引起了嚴(yán)重的ICI，增加了子載波狀態(tài)錯(cuò)誤檢測(cè)的可能性，從而導(dǎo)致了激活子載波及其調(diào)制符號(hào)的檢測(cè)錯(cuò)誤，系統(tǒng)性能比傳統(tǒng)OFDM差。為了使OFDM-IM技術(shù)更加適用于水聲通信系統(tǒng)，未來(lái)研究方向應(yīng)集中在設(shè)計(jì)對(duì)ICI具有魯棒性的新型OFDM-IM技術(shù)，或設(shè)計(jì)更完備的接收端信號(hào)檢測(cè)器，以獲得更精確子載波索引及調(diào)制符號(hào)的檢測(cè)結(jié)果。為了解決上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[31]提出了OFDM-IM在水聲通信應(yīng)用中的一種變形，結(jié)合ICI自抵消機(jī)制和海上試驗(yàn)和仿真，進(jìn)一步證實(shí)了OFDM-IM是一種很有前途的水聲通信技術(shù)。

然而，OFDM-IM最初的研究集中在單輸入單輸出(Single Input Single Output,SISO)系統(tǒng)中，而SISO系統(tǒng)的頻譜效率有限，不適合某些應(yīng)用。為此，文獻(xiàn)[40]將MIMO和OFDM-IM的原理相結(jié)合，進(jìn)一步提高了OFDM-IM方案的頻譜和能量效率。文獻(xiàn)[29]提出基于SM和OFDM-IM的聯(lián)合索引調(diào)制(SM-IM-OFDM)的認(rèn)知水聲通信系統(tǒng)，利用擴(kuò)頻碼作OFDM-IM的循環(huán)前綴以便于識(shí)別天線索引，為水聲通信高譜效傳輸提供了新的設(shè)計(jì)思想。

1.3 碼索引調(diào)制

文獻(xiàn)[16]首次提出碼索引調(diào)制(Code Index Modulation,CIM)的概念。它是一種針對(duì)單載波和單用戶的高速率且高能效的擴(kuò)頻通信技術(shù)。CIM以直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum,DS-SS)調(diào)制為基礎(chǔ)，利用擴(kuò)頻碼索引作為信息承載單元，旨在保留擴(kuò)頻調(diào)制優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，以較低的系統(tǒng)復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)比DS-SS技術(shù)更高的數(shù)據(jù)吞吐量[17-18]。

為了改善OFDM-IM的性能，提高OFDM-SS的頻譜效率，文獻(xiàn)[19]將CIM的思想擴(kuò)展到OFDM系統(tǒng)中，提出了IM-OFDM-SS系統(tǒng)，如圖3所示。在SISO系統(tǒng)中，采用預(yù)定義的擴(kuò)頻碼索引來(lái)傳遞索引比特，并用索引得到的擴(kuò)頻碼對(duì)星座符號(hào)進(jìn)行DS-SS。與此同時(shí)，文獻(xiàn)[19]將IM-OFDM-SS擴(kuò)展到多碼和多用戶的場(chǎng)景，形成通用(G-)IMOFDMSS和IM-MC-CDMA方案。IM-OFDM-SS技術(shù)提高了系統(tǒng)的頻譜效率，降低了硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，提高了能源效率，并表現(xiàn)出了較好的誤碼率性能，同時(shí)由于擴(kuò)頻技術(shù)的存在CIM對(duì)信道相關(guān)性沒(méi)有SM敏感[20]。

圖3 IM-OFDM-SS系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of IM-OFDM-SS system

目前，CIM的主要應(yīng)用于其與SM和IMOFDM系統(tǒng)的組合方案中[21-22]，這種方式可以提高CIM系統(tǒng)的整體性能。完全廣義空間擴(kuò)頻調(diào)制(SSFGSM)[32]就是一種適用于水聲信道的基于CIM與FGSM的聯(lián)合調(diào)制技術(shù)，其將大部分信息比特搭載在發(fā)射天線的索引和擴(kuò)展碼的索引中傳輸，只有少量信息比特采用物理傳輸，因此能夠有效減少水下節(jié)點(diǎn)的能耗，提高信道利用率。

此外，基于深度學(xué)習(xí)的高效擴(kuò)頻碼檢測(cè)接收機(jī)設(shè)計(jì)也是CIM在水聲通信應(yīng)用中的一個(gè)重要研究方向。文獻(xiàn)[34]將IM-OFDM-SS技術(shù)應(yīng)用到全雙工認(rèn)知水聲通信系統(tǒng)(Full-duplex Cognitive Underwater Acoustic Communications,FDCUACs)中，以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率和改善頻譜效率。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合自干擾消除技術(shù)，首次提出了一種基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的FDCUACs信號(hào)檢測(cè)方案，避免了由信道估計(jì)、均衡和解調(diào)導(dǎo)致的誤差傳播。文獻(xiàn)[32]中所設(shè)計(jì)的基于深度學(xué)習(xí)的檢測(cè)器，用于完全廣義空間擴(kuò)頻調(diào)制(SS-FGSM)水下通信系統(tǒng)中激活天線和擴(kuò)頻碼的索引比特以及調(diào)制比特的檢測(cè)，有效降低了檢測(cè)器的計(jì)算復(fù)雜度。

2 基于IM的水聲通信技術(shù)性能分析

本節(jié)對(duì)基于IM的水聲通信技術(shù)性能進(jìn)行了分析，通過(guò)蒙特卡羅仿真分析了誤比特率(Bit Error Ratio，BER)性能，對(duì)比了不同IM的可達(dá)傳輸速率和接收機(jī)檢測(cè)復(fù)雜度。

IM技術(shù)在水聲OFDM系統(tǒng)中的BER性能如圖4所示，它給出了多徑瑞利衰落信道下子載波總數(shù)為1 024的OFDM、OFDM-IM、SM-IM-OFDM和IM-OFDM-SS的系統(tǒng)誤碼性能。需要注意的是，在不考慮天線索引和導(dǎo)頻的情況下，所有方案的頻譜效率都相同，接收端使用ML檢測(cè)方式。如圖4所示，在水聲信道中，基于OFDM-IM的系統(tǒng)性能比傳統(tǒng)的OFDM的系統(tǒng)性能差。而SM-IM-OFDM和IM-OFDM-SS的傳輸性能都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的OFDM。

圖4 不同IM技術(shù)在水聲OFDM系統(tǒng)中的BER對(duì)比Fig.4 BER comparison of different IM techniques in underwater acoustic OFDM system

基于IM的水聲通信技術(shù)的可達(dá)傳輸速率和接收端檢測(cè)復(fù)雜度如表2所示。為了定量分析表2中不同IM技術(shù)在水聲OFDM系統(tǒng)中的速率，圖5給出了在子載波總數(shù)為1 024，每個(gè)OFDM塊中子載波數(shù)Nc分別為8和16的情況下，OFDM-IM、SMIM-OFDM和IM-OFDM-SS的可達(dá)速率。這里設(shè)置調(diào)制階數(shù)M為4，發(fā)射天線數(shù)Nt和接收天線數(shù)Nr為4。如圖5所示，OFDM-IM和SM-IM-OFDM的可達(dá)速率隨著Nc和每塊中激活子載波數(shù)量Ns的增大而增大，由于IM-OFDM-SS的速率只與Nc的大小有關(guān)，故IM-OFDM-SS的可達(dá)速率大小保持不變。此外，與OFDM-IM相比，SM-IM-OFDM可通過(guò)SM傳輸數(shù)據(jù)，因此其速率比OFDM-IM高。

圖5 不同IM技術(shù)在水聲OFDM系統(tǒng)中的可達(dá)速率對(duì)比Fig.5 Comparison of achievable rates of different IM techniques in underwater acoustic OFDM system

表2 現(xiàn)有水聲通信中IM方案的可達(dá)傳輸速率和接收端檢測(cè)復(fù)雜度Table 2 Achievable rate and receiver complexity of IM technique in current underwater acoustic communication

接收端基于ML算法的檢測(cè)復(fù)雜度如圖6所示，參數(shù)設(shè)置同上。對(duì)比圖4可知，IM-OFDM-SS可以在保證傳輸可靠性的同時(shí)，有效降低接收端的計(jì)算復(fù)雜度。在相同的系統(tǒng)條件下，SM-IM-OFDM在帶來(lái)高譜效的同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)比OFDM-IM更高的接收端檢測(cè)復(fù)雜度。

圖6 不同IM技術(shù)在水聲OFDM系統(tǒng)中的接收端檢測(cè)復(fù)雜度對(duì)比Fig.6 Comparison of receiver complexities of different IM techniques in underwater acoustic OFDM system

在收發(fā)陣元為4×4的MIMO系統(tǒng)中，傳輸速率為8 bpcu(bit per channel use)(實(shí)線)、9 bpcu(虛線)時(shí)，SM、GSM、FGSM、EFGSM、SS-FGSM的系統(tǒng)誤碼性能如圖7所示，圖中128QAM表示調(diào)制階數(shù)為128的QAM數(shù)字調(diào)制，其余相同。從圖7中可以看出，在低信噪比情況下，SM、GSM、FGSM、EFGSM、SS-FGSM的系統(tǒng)誤碼性能相差很小，而高信噪比時(shí)，SM和GSM方案的誤碼率十分接近，F(xiàn)GSM、EFGSM、SS-FGSM的誤碼性能則明顯優(yōu)于SM和GSM方案。由于EFGSM的組合變化較FGSM多，因此在相同傳輸速率的情況下，EFGSM在基于ML算法的檢測(cè)準(zhǔn)確率方面不如FGSM。在SS-FGSM方案中引入了擴(kuò)頻的思想，提高了信號(hào)的抗干擾能力，因此其誤碼性能明顯優(yōu)于其他SM方案。

圖7 不同IM技術(shù)在水聲MIMO系統(tǒng)中的BER對(duì)比Fig.7 BER comparison of different IM techniques in underwater acoustic MIMO system

采用正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)在調(diào)制階數(shù)相同的情況下，不同IM技術(shù)在水聲MIMO系統(tǒng)中的可達(dá)傳輸速率性能對(duì)比如圖8所示。為了便于比較，設(shè)GSM的激活子載波數(shù)Nu=2，EFGSM的主調(diào)制階數(shù)Mp=4，副調(diào)制階數(shù)Ms=2，SS-FGSM的擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度N=4。可以看到，F(xiàn)GSM、EFGSM、SS-FGSM的可達(dá)數(shù)據(jù)率隨著Nt呈線性增長(zhǎng)，SM的可達(dá)數(shù)據(jù)率隨著Nt呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，而GSM的可達(dá)數(shù)據(jù)率隨著Nt和Nu的組合變化也呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)。在同等系統(tǒng)條件下，SS-FGSM、EFGSM和FGSM的頻譜效率明顯高于SM和GSM。

圖8 不同IM技術(shù)在水聲MIMO系統(tǒng)中的可達(dá)速率對(duì)比Fig.8 Comparison of achievable rates of different IM techniques in underwater acoustic MIMO system

基于ML算法的接收端檢測(cè)復(fù)雜度性能如圖9所示。對(duì)比圖8可知，F(xiàn)GSM在實(shí)現(xiàn)高頻譜效率的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)很高的接收端計(jì)算復(fù)雜度，而SS-FGSM和EFGSM在實(shí)現(xiàn)高頻譜效率的同時(shí)仍可保持較低的計(jì)算復(fù)雜度，其中SS-FGSM的計(jì)算復(fù)雜度又會(huì)明顯低于EFGSM。SM的檢測(cè)復(fù)雜度低，但其可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率也低，GSM的數(shù)據(jù)傳輸速率略高于SM，但其復(fù)雜度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SM。

圖9 不同IM技術(shù)在水聲MIMO系統(tǒng)中的接收端檢測(cè)復(fù)雜度對(duì)比Fig.9 Comparison of receiver complexities of different IM techniques in underwater acoustic MIMO system

3 總結(jié)和展望

由于IM技術(shù)在能源效率、頻譜效率和系統(tǒng)復(fù)雜性方面的優(yōu)勢(shì)，IM技術(shù)在過(guò)去10年飛速發(fā)展。與此同時(shí)，IM技術(shù)作為水聲通信系統(tǒng)中極具潛力的一種調(diào)制方式，也得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。本文對(duì)IM技術(shù)及其在水聲通信中的應(yīng)用研究進(jìn)行了歸納與總結(jié)，并對(duì)比分析了不同IM在傳輸速率、傳輸可靠性以及接收端檢測(cè)復(fù)雜度方面的異同。

目前，IM技術(shù)已經(jīng)建立了較為完善的體系，性能不斷提升，但在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)健而高效的通信仍具有一定發(fā)展空間。而且，隨著人工智能在各行業(yè)的成功應(yīng)用，采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法來(lái)提高水聲通信的穩(wěn)健性和實(shí)現(xiàn)水聲高速通信勢(shì)必能成為未來(lái)基于IM技術(shù)水聲通信的一個(gè)主要研究方向。