一种基于Chirp-IM的水声通感一体化自适应传输方法

本发明属于通信，涉及啁啾扩频(chirp spread spectrum，css)、索引调制(index modulation，im)、通感一体化(integrated sensing and communications，isac)技术。

背景技术：

1、海洋是影响地球气候、航运的决定性因素，实现海洋观测、资源勘探与开发是当前每个涉海国家发展海洋经济、保护海洋生态环境和维护国家海洋权益最为关注的问题。水声通信技术在海洋环境与气象研究、海洋资源开发与保护、提高港口安全与监测效率等领域得到了深入应用，引起了各国研究人员的广泛关注并取得了快速的发展。

2、随着人类对海洋探索、开发和利用程度的不断加深，以及海洋数据爆发式的增长，对海洋环境中水声通信系统的带宽利用率、信息吞吐量和可靠性提出了越来越高的要求，通感一体化技术(isac)应运而生。chirp信号通过采用其宽带特性，在面对窄带干扰时表现出较强的抵抗能力，并且其频率随时间连续变化这种特性使得它在目标回波中包含了丰富的频域信息，在目标感知等方面得到了广泛的应用。然而，现有的chirp通信信号由于其带宽利用率低，使得直接使用chirp通信信号同样面对频谱效率的问题。近年来，国内外学者对索引调制(im)展开来深入研究，im是通过索引某些特定的介质(如天线、子载波等)来传输信息比特，能够携带更多的信息。此外，如何应对复杂多变的海洋环境，也是水声通信的挑战问题之一。为此，文献[1]基于感知辅助通信的基本原理，提出了水声isac中im-ofdm-扩谱自适应调制的设计思想。

3、为了进一步提高系统的传输性能，chirp-im信号引入额外的索引信息，使得在不增加系统带宽的情况下实现更高的数据传输速率成为可能。为此，本专利提出一种基于chirp-im的水声通感一体化自适应传输方法，综合了线性调频信号、索引调制和自适应传输的特点，可以在有限的频谱资源中传输更多的信息，同时具有实时适应信道变化、优化资源利用率、提高通信可靠性、增强系统鲁棒性等优点，特别适合于高速稳健的水声大规模传输网络。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于chirp-im的水声通感一体化自适应传输方法，目的是利用chirp-im调制技术和感知信息实现更高质量的自适应传输，在保证误码率性能的前提下，提高系统的频谱效率，解决水声通信频谱利用率低和可靠性传输的问题。

2、本发明的技术方案：

3、一种基于chirp-im的水声通感一体化自适应传输方法，具体步骤以及各步骤细节如下：

4、第1步、基于chirp-im的水声通感一体化发送链路设计方案；

5、第2步、基于chirp-im的水声通感一体化接收链路设计方案。

6、所述第1步中，由于设计的水声通感一体化自适应传输方法采用了啁啾扩频(css)索引调制(im)技术和自适应通信优化理论，具有非常高的对抗水声时变信道衰落能力和高的频谱效率，所述第1步中具体步骤如下：

7、第1.1步、发送信号根据回波检测信噪比，由此来自适应调整调制阶数(mpsk星座图映射)m的大小；

8、第1.2步、将待发送的信源信息比特进行分组，每组的信息比特映射分为三部分：第一部分的p0位信息比特(chirpratebit)，用来表示调频斜率的正负，第二部分的p1位比特(reffreqbit)用来表示chirp信号的起始频率，第三部分的p2位比特(phasemodbit)用来表示传统的mpsk调制符号；

9、第1.3步、将每组的映射符号对应的css信号合并后形成chirp-im发送信号。

10、所述第2步中，由于海洋环境的噪声和水声通信信道的多变性，使得水声通信系统同样面对信号检测困难的问题，所述第2步中具体步骤如下：

11、第2.1步、将接收到的信号进行去扩频操作，用来消除水声信道对发送信号的影响，同时解映射出发送信息比特中第一部分chirpratebit；

12、第2.2步、解扩之后，利用fft对信号进行变换，用来检测reffreqbit；

13、第2.3步、根据最大似然检测，估计出发送信号调制符号，并逆映射为phasemodbit；

14、第2.4步、将上述恢复出信息比特按照chirpratebit、reffreqbit和phasemodbit组合出发送信息。

15、本发明的优点和有益效果：

16、①本发明基于chirp-im的水声通感一体化自适应传输方法，采用css和im技术具有抗干扰性强、频谱利用率高等特点。②本发明利用回波信号检测信噪比自适应选择调制阶数来面对复杂的水声信道，在保证频谱效率的同时，能保证稳健的通信性能。

技术特征：

1.一种基于chirp-im的水声通感一体化自适应传输方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述基于chirp-im的水声通感一体化自适应传输方法，其特征在于，第1步中所述设计包括：

3.如权利要求1所述的基于chirp-im的水声通感一体化自适应传输方法，其特征在于，第2步中所述设计包括：

4.如权利要求2所述的基于chirp-im的水声通感一体化自适应传输方法，其特征在于，第1.2步中，参数扩频因子sf定义为：

5.如权利要求2所述的基于chirp-im的水声通感一体化自适应传输方法，其特征在于，第1.3步中，将每个组的映射符号对应的css波形合并为：

6.如权利要求2所述的基于chirp-im的水声通感一体化自适应传输方法，其特征在于，第2.1步中，信号s[t]经过水声信道后的接收信号为：

7.如权利要求2所述的基于chirp-im的水声通感一体化自适应传输方法，其特征在于，第2.2步中，解扩后信号为：

8.如权利要求2所述的基于chirp-im的水声通感一体化自适应传输方法，其特征在于，第2.3步中，根据最大似然准则检测出mpsk的映射符号即：

技术总结本发明公开了一种基于Chirp‑IM的水声通感一体化自适应传输方法，属于通信技术领域。该方法包括以下步骤：第1步、基于Chirp‑IM的水声通感一体化发送链路设计方案；第2步、基于Chirp‑IM的水声通感一体化接收链路设计方案。本发明在发送链路利用啁啾扩频(CSS)和索引调制(IM)技术提出Chirp‑IM，根据回波检测信噪比来自适应调整调制阶数，在接收链路利用发送信号的不同特征进行解扩，然后采样FFT变换和最大似然检测算法恢复出调制符号信息，具有适应信道变化、优化资源、提高通信可靠和增强系统鲁棒性等优点，特别适合于高速稳健的水声大规模传输网络。技术研发人员：王俊峰,崔玥,张爱玲,李世信受保护的技术使用者：天津理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25