一种差分水声OFDM信号检测模型的构建方法及应用

本发明属于通信信号处理，更具体地，涉及一种差分水声ofdm信号检测模型的构建方法及应用。

背景技术：

1、海洋占据着地球表面的绝大部分区域，蕴含着丰富的生物及矿产资源，但是相对于陆地资源来说，人类对海洋的开发程度极低，因此对海洋进行深度的探索是人们一直以来的目标。近年来，随着对发展海洋经济的深入开展，海水淡化技术、深海探测技术、海洋通信技术等蓬勃发展。作为探测海洋、开发海洋的重要技术之一，水声通信无疑是联系各种海洋技术的重要一环。

2、电磁波在水中指数级的衰减导致其难以在水下实现远距离传输，因此声波成为唯一可实现水中远距离通信的载体。在此背景下，发展水声通信技术在民用和军事领域都具有重要的理论与应用价值。同时由于正交频分复用技术(ofdm)的高效频谱利用率以及对多径效应较强的抵抗能力，近年来被广泛应用于水声通信领域，但是声波较低的传播频率和速率导致水声信号受到严重多普勒效应的干扰，加上水下复杂的环境噪声等因素的影响，致使水声ofdm通信相较陆地电磁波通信的信道环境更为恶劣，这使得水声信号的精准检测变得极为困难。因此对水声ofdm信号的检测面临着诸多挑战。

3、在发送信号中加入导频，通过导频估计出当前的信道状态信息，是目前一个常用的实现较为准确的检测水声ofdm信号的方式。但是，插入导频势必会占到本就不宽裕的水声频谱资源，这将大大降低水声通信中有效载荷传输速率。差分相干检测技术被认为是实现信号盲检测的极具潜力的一种方式，在发送端进行差分编码，在接收端进行差分相干检测，利用相邻载波见信道缓慢变化的特点巧妙地避免了信道估计对导频的消耗。然而，由于水下恶劣环境(严重多普勒效应和环境噪声)的影响，差分检测仍需要少量的导频来维持较高的检测精度，仍然会降低有效载荷传输速率。

4、因此，减轻多普勒效应以及环境噪声对差分水声ofdm信号的影响，增强相关检测算法的性能成为了研究高速水声通信的两个重要问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种差分水声ofdm信号检测模型的构建方法及应用，用以解决现有技术在复杂的海洋场景下无法以较高的有效载荷传输速率实现差分水声ofdm信号的精确检测的技术问题。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种差分水声ofdm信号检测模型的构建方法，包括：

3、s1、分别对接收机接收到的多个差分水声ofdm信号进行傅里叶变换，得到对应的频域信号；通过将频域信号中的每一个复值数据均表示为由其实部和虚部所构成的一维向量后进行拼接，从而将频域信号转换成一个维度加倍的一维向量，进而得到每一个频域信号的实值向量；将所得的各实值向量与发送端发射的对应原始差分水声ofdm信号进行配对后，构成训练数据集；

4、s2、将训练数据集输入到transdetector模型中进行训练，从而得到差分水声ofdm信号检测模型；

5、其中，transdetector模型包括：输入层、特征提取模块、去噪模块和信号检测输出模块；

6、输入层用于基于滑动窗口的方式对输入的实值向量进行滑动截取；每滑动一次，截取长度为nm的数据串，并将其均匀分割为m个长度为n的数据序列后，输入至特征提取模块中；其中，n及滑动步长均为偶数；

7、噪声生成模块用于随机生成一个服从高斯分布的噪声向量，并输入至特征提取模块中；

8、特征提取模块用于对噪声向量和各数据序列分别进行语义提取，并将提取得到的特征合在一起，构成数据串的语义特征；基于注意力机制对语义特征中的噪声分量进行抑制，从而得到数据串的纯净特征；

9、信号检测输出模块用于将数据串的纯净特征映射为数据串中间位置数据所对应的解调数据；

10、各数据串中间位置数据所对应的解调数据共同构成解调后的差分水声ofdm信号。

11、进一步优选地，上述特征提取模块包括：串联的语义特征提取单元和注意力机制模块；其中，注意力机制模块包括一个自注意力网络或者多个级联的自注意力网络。

12、进一步优选地，当注意力机制模块包括多个级联的自注意力网络时，注意力机制模块还包括一个或多个跨层融合单元；跨层融合单元分别与至少2个自注意力网络相连；

13、跨层融合单元用于将与其相连的多个自注意力网络中的注意力矩阵进行拼接后输入至cnn网络进行处理，并将与跨层融合单元相连的多个自注意力网络中的最后一级自注意力网络的注意力矩阵更新为cnn网络输出的融合后的注意力矩阵。

14、进一步优选地，m为偶数。

15、进一步优选地，上述语义特征提取单元对第i个数据序列进行语义提取的具体方式包括：将第i个数据序列中的每一个数据均加上第i个编码值trappei，从而对第i个数据序列进行梯形位置编码，并基于词嵌入层对编码后的数据序列进行语义提取；

16、其中，trappei＝trappem-i＝2i/m；i＝1,2,…,m/2。

17、进一步优选地，信号检测输出模块为dnn网络。

18、第二方面，本发明提供了一种差分水声ofdm信号检测方法，包括：对接收机接收到的差分水声ofdm信号进行傅里叶变换，得对应的频域信号；通过将频域信号中的每一个复值数据均表示为由其实部和虚部所构成的一维向量后进行拼接，从而将频域信号转换成一个维度加倍的一维向量，作为频域信号的实值向量；

19、将实值向量输入至本发明第一方面所构建的差分水声ofdm信号检测模型中，得到解调后的差分水声ofdm信号。

20、第三方面，本发明提供了一种差分水声ofdm信号检测装置，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行本发明第二方面所提供的差分水声ofdm信号检测方法。

21、第四方面，一种差分水声ofdm信号通信系统，包括：

22、发送端，用于发送差分水声ofdm信号；

23、接收机，用于执行本发明第二方面所提供的差分水声ofdm信号检测方法。

24、第五方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行本发明第一方面所提供的差分水声ofdm信号检测模型的构建方法和/或本发明第二方面所提供的差分水声ofdm信号检测方法。

25、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

26、1、本发明提供了一种差分水声ofdm信号检测模型的构建方法，将差分水声ofdm信号检测视为语义提取问题，利用注意力机制并巧妙地引入了噪声向量来设计独特的去噪结构，有效地抑制了环境噪声以及由于多普勒效应所产生的载波间干扰(ici)对差分水声ofdm信号检测的影响，能够实现差分水声ofdm信号的精确解调，同时本发明也不需要使用导频信息来获取信道的csi信息，大大节约了水声频谱资源；基于此，本发明能够在复杂的海洋环境下以较高的有效载荷传输速率实现差分水声ofdm信号的精确检测。

27、2、本发明所提供的差分水声ofdm信号检测模型的构建方法，通过在transdetector模型中引入跨层融合单元，将注意力机制模块中的浅层语义信息与深层语义信息相融合，防止transdetector模型在前向传播的过程中遗忘浅层语义信息，在加快transdetector模型收敛速率的同时也提升了transdetector模型的表达能力。

28、3、由于差分水声ofdm信号检测模型每运行一次只会输出一个解调结果，而本发明期望该解调结果是输入数据正中间的四个实值数据所表达的原始发送数据，这四个数据两边的数据则作为对中间数据产生干扰的数据输入到网络中，直觉上，网络可以通过注意力机制来找出并消除两边数据对中间数据的影响，基于此，本发明设计了一种梯形位置编码方法，该编码方法下的编码值从输入数据的两侧向中间线性增大并在中间位置的四个实值数据(对应两个差分复值数据)处达到最大值，使得模型对不同输入位置处施加不同的注意力，进一步提高了模型的精确度。