MIMO水声通信中的空时分组扩展编码方案探讨

　　1 引 言

　　随着水声通信系统应用范围的扩大，大容量水声通信技术的研究受到越来越多的关注。为了在时变、多径的水声信道中高速、可靠地传输，抗信道频率选择性衰落、抵消码间干扰和带宽有效的通信技术是水声通信研究的重点。近年来信息理论的研究表明，在发射端和接收端都采用多个天线的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)结构可以显著提高无线信道容量 [1] ，而使用空时编码是达到或接近 MIMO 无线信道容量的一种有效方法。空时编码在各发射天线和各个时间周期的发射信号之间引入空域和时域相关性，可以使接收机克服信道的衰落和减少发射误码。与空间未编码系统相比，可以在不牺牲带宽的情况下起到发射分集和功率增益的作用 [2] 。

　　因此，空时编码的研究得到了广泛关注，成为 3G 和 4G 宽带无线通信的关键技术之一。在空时编码中，空时分组码(Space Time Block Code, STBC)以较低的译码复杂度，在平坦衰落信道中获得完全发射分集增益，尤其受到关注。

　　目前常用的 STBC 是针对平坦衰落信道设计的，应用于频率选择性衰落信道时，其发射信号之间的正交性会受到多径时延的破坏 [3,4] 。水声信道是一种典型的频率选择性衰落信道，将 STBC 应用于水声通信系统时，必须考虑多径传输的影响。

　　本文针对水声信道的传输特性，提出了一种空时分组扩展编码(Space Time Block Spread Code， STBSC)方案，简称 STBSC 方案，利用正交频谱扩展编码来克服水声信道中多径干扰对 STBC 正交性的影响，获得发射分集增益，改善系统的性能。

　　本文首先简要介绍 STBSC 方案的系统模型和实现框图，然后利用水声 MIMO 信道模型对方案的误比特性能进行了仿真分析，最后给出了湖试结果。仿真和湖试结果验证了方案的可行性。

　　2 STBSC 方案的系统模型

　　考虑采用 T N 个发射换能器、 R N 个接收水听器的 STBSC 方案。设要发射的信息为实数序列{b } ，对其采用空时分组编码后，形成相互正交的 T N 路信号，这 T N 路信号分别用长度为 c N 的二进制扩频序列 i c ，i=1, , T N ，扩展后从 T N 个换能器同时发

　　3 STBSC 方案的系统框图

　　STBSC 方案的系统实现框图如图 1、2 所示，信息经过空时分组编码后，形成 T N 路信号，分别与相互正交的扩频序列相乘实现频谱扩展后经发射换能器发射。在接收端，经 R N 个接收水听器接收的信号首先利用信道探测信号的相关检测进行信道估计，然后利用 Rake 接收对 STBSC 信号进行解扩、解调，解调后的信号进行空时分组译码，最后经判决得到发射信息序列。