申请/专利权人：大连大学

申请日：2022-03-11

公开（公告）日：2024-03-08

公开（公告）号：CN114465857B

主分类号：H04L27/00

分类号：H04L27/00;H04L1/00;H04L5/00;H04B17/391;H04B10/90

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.08#授权;2022.05.27#实质审查的生效;2022.05.10#公开

摘要：本发明公开了一种适用于恶劣海况下的THz通信方法，涉及海上无线通信技术领域；针对海上太赫兹通信传输速率低和误码率高的问题，建立适用于恶劣海况条件下自适应、高有效和高可靠THz通信系统；提出信源信道联合编码的方案，以提高通信系统的可靠性和有效性；对主信道和辅助信道之间的总时延差进行理论分析，以保证接收端对数据的快速处理和减少传输时延；提出自适应调制方案，以提高数据传输速率；针对太赫兹波的传输特性，建立海上太赫兹通信信道模型；计算舰船相对移动和环境影响产生的多普勒频移，并进一步研究多普勒频移对信道的影响；本发明提出的太赫兹通信方式不仅可以将通信效率提高到20Gbps，而且可以在低误码率的情况下实现长距离数据传输。

主权项：1.一种适用于恶劣海况下的THz通信方法，其特征在于，包括：建立具有自适应能力的海上太赫兹通信系统；基于随机线性网络编码sRLNC和里德所罗门RS的信源信道联合编码；获取THz主信道和辅助信道之间的总时延差；根据不同的通信距离选择适合的调制方式；获取适合太赫兹通信的海上信道模型；得到舰船相对移动和环境影响产生的多普勒频移；所述海上太赫兹通信系统内具体实现过程包括：发射端首先将数据流发送给数据处理模块a，在所述数据处理模块a中，数据流被分割成固定大小的符号，每个所述符号称为信源符号且有固定的s位；sRLNC编码模块接收到所述信源符号后，将K个信源符号编码为一个组，所述K个信源符号编码得到R个冗余符号；所述冗余符号的数量取决于THz主信道上的预期误码率BER；并行化模块将所述信源符号和冗余符号分离并分配到2个信道中，即一个高比特率的THz主信道和一个低比特率的辅助信道；在接收端，先利用多普勒频移估计然后再进行补偿；RS译码模块将带有比特错误的信源符号删除，此时sRLNC译码模块用来自所述辅助信道的冗余符号补偿删除的信源符号，任何冗余符号都能替换来自同一编码组的信源符号；每组信源符号中至少有K个符号到达解码器时才开始解码操作；数据处理模块b对解码后的数据流进行处理，并发送到接收端；所述THz主信道RS的码率为RF1，辅助信道RS的码率为RF2；每组信源数据和其冗余数据分别增加至位和位；在所述THz主信道上发送信源符号，在所述辅助信道上发送冗余符号；所述基于随机线性网络编码sRLNC和里德所罗门RS的信源信道联合编码，具体为：所述海上太赫兹通信系统中，THz主信道的信源符号数大于辅助信道传输的冗余符号数，即KR；假设x1...xk是信源符号，GN*K是编码矩阵，sRLNC的编码过程如式1所示： 其中x1…xK和y0...yR分别是编码后生成的信源符号和冗余符号；所述辅助信道采用RS255，223编码方案，THz主信道采用RS512，463编码方案，根据所述THz主信道的误码率BER，得到sRLNC编码冗余度Rr；根据RS编码方式，THz主信道和辅助信道的校验符号数分别为：和所述辅助信道误码率BER10-6，在RS纠错后，该信道上编码冗余数据的错误符号被纠正，其剩余BER接近于0；所述THz主信道校验码的符号数为： 根据式2，THz主信道能够纠正的错误符号数为： 在接收端，如果THz主信道的的预期误码率BER为pe，则该信道的预期误符号率Pb为：Pb＝1-1-Pes4经过RS纠错后，该信道剩余的误符号率Ps为： 在Ps≤0的情况下，表示THz主信道的所有错误都被RS校正，当THz主信道上的一些错误无法被RS修正时，则利用式6得到编码冗余符号数；如果预期符号错误数是Ps·K，那么为了成功得到信源数据，发送端要在该THz主信道相应的辅助信道上至少发送Ps·K个编码冗余符号，即：R≥Ps·K6其中，K为常数，则R被认为是关于剩余误符号率Ps的函数，R≥0；因此，THz主信道和辅助信道上发送的符号总数确定为：N＝K+R7其中，R≥0,K≤N，若R＜0，则不需要辅助信道传输数据；当THz主信道RS的码率RF1为常数时，sRLNC的编码冗余度Rr为： 所述获取THz主信道和辅助信道之间的总时延差，具体为：当发送端与接收端静止时，对于THz主信道，K个信源符号到达接收端使用的时间间隔为： 其中，Tmain是THz主信道总的传输时延，tmain是K个信源符号的传输延迟，τmain是THz主信道的传播延迟，Cmain是THz主信道的传输速率，dmain是THz主信道发送和接收THz天线之间的传输距离，cp是光的传播速度，cp＝3×108ms；对于辅助信道，R个冗余符号到达接收端的时间间隔Taux为： 其中，taux是冗余符号的传输延迟，τaux是辅助信道的传播延迟，Caux是辅助信道的传输速率，daux是辅助信道发送和接收天线之间的传输距离；故THz主信道和辅助信道相差的传输时延ΔT为： 将距离设置为dmaint＝dauxt＝dt，dt为发送端与接收端之间的通信的距离； 又因为 则 当发送端与接收端相对运动时，对于反馈信道，设定其传输数据时间间隔为Tback；对于THz主信道，K个信源符号到达接收端的时间间隔Tmain为： 即： 其中，Vt为接收端匀速行驶的速度，±表示发送端和接收端相互远离或靠近；对于辅助信道，R个冗余符号到达接收端的时间间隔Taux为： 即 故THz主信道和辅助信道相差的传输时延ΔT为： 所述根据不同的通信距离选择适合的调制方式，具体为：发送端A的经纬度为X1,Y1，接收端B的经纬度为X2,Y2，则两者之间的通信距离dt如下:d＝Rearth·arcos[cosY1*cosY2*cosX1-X2+sinY1*sinY2]20通过通信距离dt和速度Vt得到ΔT，然后选择THz主信道与辅助信道总时延差|ΔT|绝对值最小的调制方案，即当ΔT≥0时，选择ΔT最小的调制方案，当ΔT＜0时，选择ΔT最大的调制方案；根据确定的调制方案对KRF1个符号进行调制，然后在接收端进行解调，最后得到KRF1个符号；调制方案确定后，需要将数据转换成太赫兹波进行传输，其是基于倍频方法来实现的：根据积化和差三角公式，2个频率分别为f1和f2的余弦信号乘积相当于2个频率分别为f1-f2和f1+f2的信号之和，数学表达式为： 然后将得到的信号通过高通滤波器得到所需的混频信号；再使用相乘滤波进行倍频；所述获取适合太赫兹通信的海上信道模型，具体为：Step1：设定初始环境参数，包括频率fc、通信距离dt和移动速度Vt；Step2：综合考虑自由空间损耗、分子吸收损耗、反射损耗、云雾衰减和降雨损耗的影响，生成信道传输损耗；Step3：依据传播速度与直视距离、反射距离和漫反射距离的关系，生成多径信道直视路径传输时延t、反射路径传输时延tcoh和漫反射路径传输时延tinc；Step4：考虑瞬时多普勒效应的影响，生成海上信道模型的冲激响应ht；Step5：更新时间参数t，并更新不同传输距离、不同天气条件下对应时变参数的取值，回到Step1，生成新的冲激响应；上述信道传输损耗为：Lat＝Lo+γα+γr+γfog·dt+LR22其中，Lo是自由空间衰减损耗，γα是分子吸收损耗，γr是降雨损耗，是云雾衰减，LR是反射和漫反射衰减；根据式22，得到接收端的接收功率Pr1为:Pr1＝Pt+Gt+Gr-Lo-γα+γr+γfog·dt-LR23式中，Pt为发射功率，Gr和Gt分别为收发天线增益；海上信道模型的信道响应为：hτt＝h3-rayτt·hcτt+jhsτt24其中，τt＝τmainh3-rayτt＝ELosδτt+Ecohδτtδτt-tcoh+Eincδτtδτt-tinc 其中，ωd＝2πfd，fd是多普勒频移，ρn服从0～1之间的均匀分布，M为低频振荡器的个数，一般取M＝32；ELos是直视路径场强，τt是直视路径的时延，Ecoh是反射路径场强，tcoh是反射路径的时延，Einc是漫反射路径场强，tinc是漫反射路径的时延；所述得到舰船相对移动和环境影响产生的多普勒频移，具体为：发送端与接收端相对移动，多普勒频移获取方式为：以静止发送端A的地平线为X轴，并以其垂直方向为Y轴建立直角标系，接收端B行驶速度为Vt，原点o0,0为静止发送端A的位置，接收端B当前所在位置为axa,ya；接收端B的起点和终点分别为Ex3,y3和Fx4,y4；根据多普勒效应原理得： 式中，fv为接收端B移动产生的多普勒频移，单位为Hz，fm是最大多普勒频移，单位为Hz，Vt为接收端B运行速度，单位为ms，fc是载波的中心频率，单位为Hz，为信号传输方向与接收端B运动方向的夹角；海面的粗糙度ρh是一个相对量，公式为： 其中，λ是入射波的波长，θi是无线电波的入射角；σh是均方根波高，均方根波高表示的是反射表面起伏高度，有效波高与均方根波高σh的关系为H13＝4σh，H13表示不规则波的有效波高，它是按照波高大小次序排列后，取前面三分之一个波的平均波高；根据Rayleigh分布条件，当海面粗糙度为σhsinθiλ＜18时，认为海面是光滑的；海面粗糙度为时，认为海面是粗糙的；关于粗糙海面散射回波的多普勒频移研究，考虑了风速、大尺度风浪和Bragg散射因素的影响，其获取公式为： 其中，fb是Bragg散射的多普勒频移；θi，θs和分别是入射角、散射角及散射方位角；λ为电磁波的波长；g是重力加速度；ρ和η分别是海水密度和表面张力；vf是风驱表层水面的漂流速度，vf＝0.03U19.5，U19.5是海面上方19.5m高度处的风速；vo是海面引力波引起的大尺度波浪托克斯轨道运行速度，其公式如下： 其中，ωp＝2πTp≈0.877gU19.5，是基波的空间波数；是基波的浪高，dsea为海水深度；风向和电磁波传输方向的夹角为β，取值范围为[0,π]；又因为vo和vf都是沿风向的，则电磁波传输方向为voβ＝vocosβ，vfβ＝vfcosβ，当发射天线和接收天线距离较远时，根据双基地Bragg谐振原理，海浪波长λs应满足： 其中，φ为双基地角，即海面散射单元到发射天线与海面散射单元到接收天线之间的夹角，其取值范围为[0,π]；考虑到海浪波相速为则发送端与接收端通信时的Bragg散射多普勒频移为： 关于粗糙海面散射回波的多普勒频移，在考虑了风速、大尺度风浪，Bragg散射和双基地夹角因素的影响后，其获取公式为： 因此，当发送端与接收端在粗糙海面进行通信时，产生的总的多普勒频移为：fd＝fBz+fv32由于多普勒频移会对接收端性能产生一定的影响，因此，选用Fitz算法对接收端瞬时多普勒频移进行估计；假设接收端已经准确估计出了多普勒频偏值，则先对需要补偿的接收信号做延迟，再利用得到的估计值直接在时域对其进行补偿。

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百度查询： 大连大学 一种适用于恶劣海况下的THz通信方法

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