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

1、水聲通信是水下環(huán)境中實現(xiàn)無線傳輸?shù)闹饕侄?。水中聲傳播受三個主要因素制約:隨信號頻率增大的衰減，時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，時延和多普勒擴展較大且隨環(huán)境變化而變化，使得水聲通信面臨許多陸地無線電通信中不曾遇到的技術(shù)難點。
　　論文針對淺海時變水聲信道下的可靠通信問題，開展水聲通信信道估計-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稀疏信道，

2、提高信道估計性能的同時降低算法的復雜度。引入時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，論文將對信道估計和均衡問題的研究由單入單出(Single-InputSingle-Output-SISO)通信系統(tǒng)擴展到多入多出(Multiple-InputMultiple-Output-MIMO)通信系統(tǒng)。在理論算法研究的基礎(chǔ)上，還進行了通信實驗系統(tǒng)設計并在多次湖海試驗中得到使用;進而通過實驗數(shù)據(jù)處理分析，驗證了論文方案的有效性及實

3、際性能。
　　信道特性的研究是分析和設計水聲通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。論文針對淺海水聲通信信道時延多普勒雙擴展的特性對信道進行建模。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，然后用多項式分別擬合各到達路徑的幅度時變和時延時變，并以這些參數(shù)化表示為基礎(chǔ)，推導出描述通信信道輸入輸出關(guān)系的數(shù)學模型。與之前描述時延多普勒雙擴展特性的信道模型相比，本論文推導的路徑時變參數(shù)化模型考慮了路徑幅度的時變及由時延變化引起的成型脈沖上采樣點

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

5、。同時，相比于時延和多普勒同步估計方法，將時延和多普勒分開估計又有效避免了參數(shù)間的耦合，可以得到更精確的信道估計結(jié)果。仿真和實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗證了時延多普勒分步估計方法的性能。
　　淺海水聲信道中時延擴展引起嚴重的碼間干擾(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)。時間反轉(zhuǎn)處理利用環(huán)境本身壓縮時域上擴展的信號，是一種利用環(huán)境物

6、理特性實現(xiàn)通信信號處理的方法。時反處理并無法完全消除ISI，但是將時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計。論文將基于路徑時變參數(shù)化模型的時變信道響應估計應用于時反處理，把基于信道時不變假設的傳統(tǒng)時反通信推廣到時變信道。此外，論文還提出了頻域上與時間反轉(zhuǎn)對偶的頻率反轉(zhuǎn)概念。頻反處理可以壓縮多普勒效應引起的信號頻率擴展以消除正交頻分復用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing-OFDM

7、)通信中的載波間干擾(Inter-CarrierInterference-ICI)。
　　論文進一步研究了MIMO水聲通信系統(tǒng)中的信道估計與均衡問題。論文將路徑時變參數(shù)化模型擴展到MIMO信道，然后由此模型推導出離散時間MIMO信道輸入輸出關(guān)系，并將時延多普勒分步估計方法推廣到對MIMO水聲通信信道的估計中。在對MIMO水聲通信信道均衡的研究中，論文將MIMO體制與時反技術(shù)結(jié)合，利用時反的空間聚焦特性實現(xiàn)與多個用戶的同時通信;將S