水聲網(wǎng)絡(luò)信道編碼與協(xié)作關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、水聲網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是集海洋科學(xué)、信息科學(xué)為一體的交叉學(xué)科，在海洋立體觀測、海洋資源開發(fā)與保護、海洋環(huán)境災(zāi)害預(yù)報、海洋國防安全和水下科考等方面有廣泛應(yīng)用。目前，水聲網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展主要受制于兩個方面:一是高可靠性的水聲點對點數(shù)據(jù)傳輸技術(shù);二是適合水聲信道特點的高效節(jié)能的水聲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。圍繞這兩點，論文從信道編碼角度展開研究。由于水聲物理層中的信道編碼問題主要利用碼字內(nèi)碼元間固有的相關(guān)性，在一個數(shù)據(jù)幀（符號塊）內(nèi)進行糾錯，獲得編碼增益。針對物理層可靠性問

2、題，論文重點研究了準循環(huán)LDPC(Quasi-Cyclic LDPC，QC-LDPC)碼在水聲信道中的設(shè)計、碼率兼容LDPC(Rate-Compatible LDPC，RC-LDPC)碼在水聲自適應(yīng)信道編碼方案中的設(shè)計問題。而水聲網(wǎng)絡(luò)層中的編碼問題則是利用碼字內(nèi)碼元間固有的相關(guān)性，通過不同的數(shù)據(jù)幀（符號塊）或者不同的協(xié)作用戶發(fā)送碼字的不同部分，在各個數(shù)據(jù)幀（符號塊）之間或者各個協(xié)作用戶之間進行糾錯，同時獲得編碼增益和分集增益。針對水聲網(wǎng)

3、絡(luò)高效節(jié)能問題，論文重點研究了單協(xié)作點的水聲OFDM動態(tài)編碼協(xié)作、多協(xié)作點的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作以及動態(tài)網(wǎng)絡(luò)-信道聯(lián)合編碼協(xié)作等水聲網(wǎng)絡(luò)信道編碼前沿問題。
　　 論文的主要工作如下:
　　 1.從提高水聲網(wǎng)絡(luò)性能角度，分析水聲信道的主要特性及其對水聲網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的影響，總結(jié)了系統(tǒng)仿真中的水聲信道模型，并給出建模實例;
　　 2.從提高節(jié)點傳輸可靠性、實時性的角度，提出采用QC-LDPC碼作為水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺谰幋a

4、方案:研究了QC-LDPC碼編譯碼參數(shù)設(shè)計的影響;分析了QC-LDPC碼在水聲信道中的性能，并結(jié)合海試數(shù)據(jù)進行分析;
　　 3.從提高信道利用率的角度，提出在水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸中采用自適應(yīng)信道編碼技術(shù):采用RC-LDPC碼構(gòu)建碼率自適應(yīng)方案，研究了不同母碼設(shè)計、調(diào)整步長因子設(shè)計、信道狀態(tài)(Channel State Information，CSI)估計誤差、信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)估計誤差等

5、因素的影響，并分析了系統(tǒng)對時變信道的敏感性，給出海試數(shù)據(jù)分析;
　　 4.從對單協(xié)作點進行編碼的角度，提出重復(fù)冗余協(xié)作和額外冗余協(xié)作兩種基于OFDM調(diào)制的水聲網(wǎng)絡(luò)動態(tài)編碼協(xié)作方案:給出算法推導(dǎo);采用RC-LDPC碼給出設(shè)計案例，并分析不同協(xié)作模式、不同位置和發(fā)送功率等設(shè)計對系統(tǒng)性能的影響;并在基于TI OMAP-L137 DSP開發(fā)板設(shè)計的水聲OFDM Modem樣機上，進行水槽和水池實驗驗證;
　　 5.從對多協(xié)作點進

6、行編碼的角度，提出在水聲網(wǎng)絡(luò)中采用選擇性中繼協(xié)作、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作以及動態(tài)網(wǎng)絡(luò)-信道聯(lián)合編碼協(xié)作三種協(xié)作通信方案:給出算法推導(dǎo);并以5個水下節(jié)點非對稱分布為例，與傳統(tǒng)自動重傳請求(AutomaticRepeat-reQuest，ARQ)協(xié)議、固定碼率的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)議進行比較，分析系統(tǒng)性能。
　　 主要創(chuàng)新點如下:
　　 1.由于按最壞信道質(zhì)量進行信道編碼設(shè)計會導(dǎo)致極低效的信道利用，提出在水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸中采用自適

7、應(yīng)信道編碼技術(shù)，結(jié)合RC-LDPC碼進行仿真分析和海試數(shù)據(jù)驗證;
　　 2.為支撐更高速率、更高帶寬的水聲數(shù)據(jù)傳輸，改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能，提出水聲動態(tài)編碼協(xié)作方案，實現(xiàn)對頻率、時間、空間等多維資源的有效復(fù)用，以節(jié)約水聲網(wǎng)絡(luò)資源，提高帶寬效率和吞吐量;
　　 3.在單協(xié)作點水聲動態(tài)編碼協(xié)作中，提出使用OFDM調(diào)制，通過設(shè)置足夠大的保護間隔，可容忍輕微的異步傳輸，同時又能克服大時延、強多途水聲信道造成的干擾;
　　 4.