基于ORBGRAND的水下声学通信联合信号处理与编码技术

《Scientific Reports》：Joint signal processing and coding for underwater acoustic communications using ORBGRAND

　　

摘要

由于严重的多径传播、较长的延迟扩展以及强烈的多普勒效应导致的时间变化，实现高速且可靠的水下声学通信仍然面临挑战。因此，信道编码在平衡可靠性与频谱效率方面起着关键作用；然而，由于实验平台、信道条件及系统配置的差异，现有的性能测试结果往往难以相互比较。此外，缺乏标准化的水下声学信道模型也限制了系统的评估和可重复的基准测试。为解决这些问题，我们提出了一种信号处理与编码相结合的框架（JSPC），该框架通过利用解码后的码字迭代优化信道估计，从而在最小的奇偶校验开销下实现可靠通信。所提出的框架采用了有序可靠性比特猜测随机加性噪声解码算法（ORBGRAND），这是猜测随机加性噪声解码算法（GRAND）的软判决版本。另外，为了能够在不同的水下环境中进行可重复的基准测试，该方案使用了来自一个公共数据库中的实测信道脉冲响应，这些数据来自两种不同的实验环境，涵盖了从远距离移动链路到短距离浅水链路的多种情况。测试结果表明，在仅使用8个奇偶校验比特的情况下，该方案的编码增益约为未编码基线的6–8 dB，且在低信噪比条件下其性能优于差分相干检测算法。