模型與數(shù)據(jù)結(jié)合的淺海時(shí)變水聲信道估計(jì)與均衡.pdf

1、水聲通信是水下環(huán)境中實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)闹饕侄巍Ｋ新晜鞑ナ苋齻€(gè)主要因素制約:隨信號頻率增大的衰減，時(shí)變的傳播多徑以及較慢的傳播速度。水聲傳播的物理特性造成水聲信道，特別是淺海聲信道可用帶寬窄，時(shí)延和多普勒擴(kuò)展較大且隨環(huán)境變化而變化，使得水聲通信面臨許多陸地?zé)o線電通信中不曾遇到的技術(shù)難點(diǎn)。
　　論文針對淺海時(shí)變水聲信道下的可靠通信問題，開展水聲通信信道估計(jì)-信道均衡技術(shù)的聯(lián)合研究。論文挖掘信道的稀疏特性，采用壓縮傳感算法估計(jì)稀疏信道，

2、提高信道估計(jì)性能的同時(shí)降低算法的復(fù)雜度。引入時(shí)反處理和頻域上與之對偶的頻反處理簡化信道均衡過程。此外，論文將對信道估計(jì)和均衡問題的研究由單入單出(Single-InputSingle-Output-SISO)通信系統(tǒng)擴(kuò)展到多入多出(Multiple-InputMultiple-Output-MIMO)通信系統(tǒng)。在理論算法研究的基礎(chǔ)上，還進(jìn)行了通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并在多次湖海試驗(yàn)中得到使用;進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析，驗(yàn)證了論文方案的有效性及實(shí)

3、際性能。
　　信道特性的研究是分析和設(shè)計(jì)水聲通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。論文針對淺海水聲通信信道時(shí)延多普勒雙擴(kuò)展的特性對信道進(jìn)行建模。首先利用水聲信道的稀疏特性，用幾條主要的分離路徑近似表示信道，然后用多項(xiàng)式分別擬合各到達(dá)路徑的幅度時(shí)變和時(shí)延時(shí)變，并以這些參數(shù)化表示為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出描述通信信道輸入輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。與之前描述時(shí)延多普勒雙擴(kuò)展特性的信道模型相比，本論文推導(dǎo)的路徑時(shí)變參數(shù)化模型考慮了路徑幅度的時(shí)變及由時(shí)延變化引起的成型脈沖上采樣點(diǎn)

4、的偏移這些被其它模型忽視的問題，能夠更好地近似實(shí)際信道的時(shí)變特性。
　　路徑時(shí)變參數(shù)化模型用有限的參數(shù)描述通信信道輸入輸出關(guān)系，將高維的信道估計(jì)問題轉(zhuǎn)化為有限維度的信道參數(shù)估計(jì)問題，并可采用壓縮傳感算法求解。注意到重采樣和載波頻移補(bǔ)償后的等效信道時(shí)變慢的特點(diǎn)，論文提出了一種分步估計(jì)時(shí)延和多普勒的信道估計(jì)方法，該方法使參數(shù)的搜索范圍從二維時(shí)延-多普勒平面退化到一維時(shí)延／多普勒區(qū)間，減少了字典的維數(shù)，從而可降低計(jì)算復(fù)雜度和存儲(chǔ)空間需求

5、。同時(shí)，相比于時(shí)延和多普勒同步估計(jì)方法，將時(shí)延和多普勒分開估計(jì)又有效避免了參數(shù)間的耦合，可以得到更精確的信道估計(jì)結(jié)果。仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了時(shí)延多普勒分步估計(jì)方法的性能。
　　淺海水聲信道中時(shí)延擴(kuò)展引起嚴(yán)重的碼間干擾(Inter-SymbolInterference-ISI)，是限制淺海水聲通信性能的重要原因之一。針對這一問題，論文研究了水聲通信中的信道均衡技術(shù)。時(shí)間反轉(zhuǎn)處理利用環(huán)境本身壓縮時(shí)域上擴(kuò)展的信號，是一種利用環(huán)境物

6、理特性實(shí)現(xiàn)通信信號處理的方法。時(shí)反處理并無法完全消除ISI，但是將時(shí)反處理和信道均衡結(jié)合可以在很大程度上簡化均衡器的設(shè)計(jì)。論文將基于路徑時(shí)變參數(shù)化模型的時(shí)變信道響應(yīng)估計(jì)應(yīng)用于時(shí)反處理，把基于信道時(shí)不變假設(shè)的傳統(tǒng)時(shí)反通信推廣到時(shí)變信道。此外，論文還提出了頻域上與時(shí)間反轉(zhuǎn)對偶的頻率反轉(zhuǎn)概念。頻反處理可以壓縮多普勒效應(yīng)引起的信號頻率擴(kuò)展以消除正交頻分復(fù)用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing-OFDM

7、)通信中的載波間干擾(Inter-CarrierInterference-ICI)。
　　論文進(jìn)一步研究了MIMO水聲通信系統(tǒng)中的信道估計(jì)與均衡問題。論文將路徑時(shí)變參數(shù)化模型擴(kuò)展到MIMO信道，然后由此模型推導(dǎo)出離散時(shí)間MIMO信道輸入輸出關(guān)系，并將時(shí)延多普勒分步估計(jì)方法推廣到對MIMO水聲通信信道的估計(jì)中。在對MIMO水聲通信信道均衡的研究中，論文將MIMO體制與時(shí)反技術(shù)結(jié)合，利用時(shí)反的空間聚焦特性實(shí)現(xiàn)與多個(gè)用戶的同時(shí)通信;將S