一种信道估计动态更新的逐幸存路径处理算法

黄建纯，郭圣明，贾宁，郭中源，郭海波



一种信道估计动态更新的逐幸存路径处理算法

黄建纯1,2，郭圣明1，贾宁1，郭中源1，郭海波3

(1. 中国科学院声学研究所水声环境特性实验室，北京 100190；2. 中国科学院大学，北京 100190； 3. 国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100190)

水声信道复杂的时变特性会影响水声通信系统的性能，在设计时需要进行特殊考虑。利用逐幸存路径处理算法在无需插入训练序列的情况下即可同时进行信道估计和数据检测的特点，提出了一种信道估计动态更新的算法。该算法通过比较当前时刻各条幸存路径的分支量度来判断信道变化的情况，从而决定信道估计更新的时刻，达到动态更新信道估计的目的。仿真结果表明，所提出的基于信道估计动态更新的逐幸存路径处理算法能有效地跟踪信道变化的情况，在时变信道中使用能获得较好的性能。

时变信道；逐幸存路径处理；信道估计动态更新

0 引言

水声信道具有复杂的时变特性，收发平台的运动以及传播环境的改变(如海面的波动、水中物体的移动、非均匀水团的运动等)都会导致信道结构的变化。如果这种变化比较剧烈，在设计水声通信接收机的时候就需要进行特殊的考虑。

传统接收机利用训练序列进行信道估计，通过改变相邻训练序列的时间间隔来控制信道估计更新的频率。如果信道估计更新的频率过低，则无法跟踪信道的变化；更新的频率过高又会影响系统的有效传输速率。逐幸存路径处理(Per-Survivor Processing, PSP)[1,2]是一种逼近最大似然序列估计(Maximum Likelihood Sequence Estimation, MLSE)的信号处理框架，将传输系统看成一个用网格图表示的有限状态机，对网格图中的每一条状态转移路径进行数据检测并做出判决。该算法在进行信道估计时会对所有的状态都进行计算，信道估计使用的发射序列由已判决的幸存路径决定，无需事先插入训练序列进行辅助，从而实现了信道估计和数据检测同步进行，在复杂时变信道中使用可以有效跟踪信道的变化。

PSP在无线电通信中已经得到广泛的应用[3-6]，但其在水声通信中的应用并不多见。X. Xu等人[7]将该框架应用到水声直接序列扩频通信中，并结合稀疏信道估计算法，获得了优于传统RAKE接收机的性能。但是文中对信道估计的更新是固定时间间隔的，在时变信道下性能有明显的下降。本文利用PSP可以同步进行信道估计和数据检测的优势，针对时变信道，提出了一种信道估计动态更新的算法，该算法通过比较当前时刻各条幸存路径对应的分支量度来判断信道变化的情况，当信道的变化大于设定阈值时则进行信道估计。仿真结果表明，文中提出的算法在时变信道中有良好的性能。

1 信道与信号模型

2 基于信道估计动态更新的逐幸存路径处理算法

图1 逐幸存路径处理的网格图

于是可以将式(5)表示成以下形式

由于以上算法估计信道时使用的发射序列可直接从已判决的幸存路径中获取，无需事先插入训练序列进行辅助，因此可以实现信道估计和数据检测同步进行，在复杂时变信道中应用时可以根据信道的变化情况随时更新信道估计。

3 系统仿真

3.1 多径时延时变的情况

在仿真中，假设每条径的时延变化情况(即多普勒系数)不一样，于是不同多径被拉伸或者压缩的程度就不同，从而造成了信道结构随时间的变化。C. R. Berger等人[9]在进行信道估计时进行了这样的假设，在对海试数据的处理中得到了优于传统算法的结果，由此也可见这种假设具有一定的合理性。几个主要参数按如下分布取值：多径的幅度服从高斯分布；固定时延在之间服从均匀分布，设为25 ms，从而确定符号间干扰，网格的状态数为；则在之间服从均匀分布，的取值为4 m/s和1 m/s，分别代表信道快速变化和缓慢变化两种情况，得到的性能曲线如图2所示。动态更新算法可以根据信道变化的快慢情况来确定信道估计更新的频率，并且在遇到突发错误以后能快速纠正过来，不会造成后续符号的连环错误，因此其性能要优于固定更新算法的性能。从图2中可以看出，在慢变信道下，动态更新和固定更新的算法的性能相差不大，当误码率小于10-3时所需信噪比仅相差1 dB左右；在快变信道下，两种算法的性能出现较大的区别，动态更新算法有较好的性能，其变化趋势与慢变信道的情况大致相同，但固定更新算法的性能则有明显的损失，信噪比为0 dB时误码率为2×10-3，与动态更新算法相比高了一个数量级，且出现了错误平台的情况。

3.2 多径幅度时变的情况

在仿真中，多径时延在之间服从均匀分布，设为25 ms；幅度模值服从高斯分布，相位变化周期的取值设为2 s和6 s，分别代表信道快速变化和缓慢变化两种情况，得到的性能曲线如图3所示。由图3可见，在慢变信道的情况下，两种算法的性能几乎一致，看不出什么差别；在快变信道的情况下，固定更新算法的性能有一定的损失，当误码率为10-3时，两者所需的信噪比相差2 dB，而且这个差距随误码率的降低也越来越大。

3.3 多普勒系数随时间变化的情况

这种信道变化容易在收发平台之间存在加速运动的情况下出现。仿真中服从高斯分布；在之间服从均匀分布，设为25 ms；多普勒系数随时间变化的斜率k的取值为1/1500 和4/1500 ，分别代表信道随时间缓慢变化和快速变化的两种情况，得到的性能曲线如图4所示。

由图4可见，当信道缓慢变化时，系统保持较好的性能，信道估计固定更新和动态更新两种算法的区别并不大，当误码率在10-3到10-4之间的条件下，两者所需的信噪比大致相差1 dB左右。当信道快速变化时，两者的性能差别则较为明显，当信噪比为0 dB时，动态更新算法的误码率为2×10-4，而固定更新频率算法的误码率则为2×10-3，两者相差一个数量级。

从以上三组仿真结果我们可以得到以下结论：当信道缓慢变化时，动态更新算法和固定更新算法的性能相近，说明两者都能很好地跟踪信道变化的情况；当信道快速变化时，动态更新算法有较好的性能，其性能曲线的变化趋势与信道缓慢变化时大致相同，保持了瀑布状的变化趋势，而固定更新算法的性能则出现了较大的损失，甚至出现了错误平台的现象，可见此时信道估计的更新速度无法跟踪信道的变化。通过两者的比较，可见动态更新算法在时变信道中应用能很好地跟踪信道的变化，具有较大的优势。

4 结论

水声通信中收发平台的运动和传播环境的变化造成信道结构的时变特性，影响水声通信系统的性能，需要在设计时对其进行特殊考虑。本文利用PSP无需插入训练序列就可以同时进行信道估计和数据检测的特点，提出了信道估计动态更新的算法，该算法通过比较当前时刻各条幸存路路径对应的分支量度来判断信道变化的情况，从而决定信道估计更新的时刻，达到动态更新信道估计的目的。本文对该算法在时变信道下的性能进行了仿真，分别选取了多径时延、多径幅度和多普勒系数随时间变化等三种时变信道，并将结果与每20个符号进行一次信道估计更新时的性能进行对比。

仿真结果表明，当信道缓慢变化时，动态更新算法和固定更新算法的性能没有明显的区别；当信道快速变化时，固定更新算法的更新速度无法跟踪上信道变化的情况，因此性能出现了明显下降，而动态更新算法则保持了较好的性能，从而证明了其在时变信道中应用的优势。

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A per-survivor processing algorithm based on data-depended updating of channel estimation

HUANG Jian-chun1,2, GUO Sheng-ming1, JIA Ning1, GUO Zhong-yuan1, GUO Hai-bo3

(1. Laboratory of Underwater Acoustic Environment, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China; 3. Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office, State Intellectual Property Office, Beijing 100190, China)

Measures should be taken to overcome the time-variability of underwater acoustic channel, which will degrade the performance of underwater communication systems. Per-survivor processing is an approximation of maximum likelihood sequence estimation, and it provides a solution to carry out channel estimation and information detection at the same time without using training data. An algorithm is proposed in this paper that the channel estimations are updated depending on the received data. By comparing the current costs in different survivor paths, the variation of channel is measured, hence whether to update the channel estimation or not is decided. Simulation result shows that the per-survivor processing algorithm based on data-depended updating of channel estimation is a good solution to underwater communication system in time-varying channels.

time-varying channel; per-survivor processing; data-depended updating of channel parameters

TB533

A

1000-3630(2014)-03-0265-05

10.3969/j.issn1000-3630.2014.03.016

2013-10-21;

2013-12-17

国家自然科学基金资助项目(61102152)。

黄建纯(1983－), 男, 广东惠州人, 博士研究生, 研究方向为水声 信号处理。

黄建纯, E-mail: jasonbarca@gmail.com