發(fā)布時間：2018-07-07 18:53

  本文選題：水聲通信 + 正交頻分復(fù)用　； 參考：《哈爾濱工程大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：水聲信道具有傳輸衰減大、傳播時延大、通信帶寬嚴(yán)重受限、多普勒頻偏嚴(yán)重、多徑時延擴(kuò)展嚴(yán)重等特點,給水聲通信網(wǎng)絡(luò),特別是物理層的多用戶水聲通信帶來極大挑戰(zhàn)。本文以頻譜利用率高、抗多徑能力強(qiáng)的正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)為基礎(chǔ),針對上行OFDM系統(tǒng)多用戶信道估計和異步多用戶接入,以及下行OFDM系統(tǒng)非一致多普勒頻偏估計和提高頻譜利用率的非正交多址接入四個水聲多用戶通信中的關(guān)鍵問題展開研究。為建立和完善水聲無線通信網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)健的物理層保障。首先,針對水聲上行通信多用戶信道估計導(dǎo)頻不足問題,在正交頻分多址(OFDMA)系統(tǒng)中提出一種稀疏信道估計與導(dǎo)頻優(yōu)化方法�；�于壓縮感知理論估計稀疏信道沖激響應(yīng),并依據(jù)壓縮感知理論中測量矩陣互相關(guān)最小化原理,提出基于隨機(jī)搜索的導(dǎo)頻圖案和導(dǎo)頻功率聯(lián)合優(yōu)化算法。仿真和水池實驗結(jié)果表明,所提方法的性能優(yōu)于基于線性內(nèi)插的最小二乘估計、未經(jīng)導(dǎo)頻優(yōu)化的壓縮感知信道估計以及單純基于導(dǎo)頻圖案優(yōu)化的壓縮感知信道估計。其次,針對水聲上行通信異步多用戶接入問題,在水聲MIMO-OFDM系統(tǒng)下提出一種基于滑動迭代的異步多用戶接收算法。首先研究了時間同步的多用戶MIMO信號檢測方法,包括基于迫零和最小均方誤差的線性信號檢測,以及排序的連續(xù)干擾消除信號檢測。然后設(shè)計了一套適合水聲信道的OFDM異步多用戶接入算法,包括重疊截斷、干擾消除、頻域過采樣、多用戶信道估計與解碼、以及干擾重構(gòu)五個處理模塊,并通過滑動迭代結(jié)構(gòu)同時消除前向干擾和后向干擾影響。仿真和水池實驗結(jié)果驗證了滑動迭代異步多用戶接收算法的有效性。再次,針對點對點或多用戶下行通信中的多普勒頻偏問題,提出一種非一致多普勒頻偏綜合估計方法。首先對幀頭發(fā)送的兩個重復(fù)短OFDM符號進(jìn)行多普勒因子的盲初始估計,然后利用每個OFDM數(shù)據(jù)符號的循環(huán)前綴進(jìn)行時間細(xì)同步和多普勒因子跟蹤估計。數(shù)值仿真和湖上、海上實驗結(jié)果表明,該算法能夠很好的跟蹤每個OFDM符號的多普勒因子變化,且經(jīng)過時域重采樣補(bǔ)償多普勒后的系統(tǒng)誤比特率得到明顯降低。最后,提出一種高頻譜利用率的水聲OFDM疊加編碼下行非正交多址接入方法,其中發(fā)送端利用用戶的信道統(tǒng)計特征進(jìn)行功率分配。推導(dǎo)了所提方法的可達(dá)速率區(qū)域邊界表達(dá)式和中斷概率,然后結(jié)合實際的信道編碼和星座圖映射設(shè)計了水聲OFDM疊加編碼系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明,當(dāng)兩用戶具有信噪比差異且均獲得非零數(shù)據(jù)率時,功率域非正交接入的OFDM疊加編碼的誤塊率和頻譜利用率性能均優(yōu)于正交接入的OFDMA系統(tǒng)。中距離和短距離海上實驗結(jié)果表明,信道的統(tǒng)計特征在長時間內(nèi)較為穩(wěn)定,可以輔助發(fā)送端功率分配;當(dāng)兩用戶具有信噪比差異且均獲得非零數(shù)據(jù)率時,疊加編碼的頻譜利用率比OFDMA系統(tǒng)有顯著提高。
[Abstract]:The underwater acoustic channel has the characteristics of large transmission attenuation, large propagation delay, limited communication bandwidth, serious Doppler frequency deviation and serious multipath delay spread, which brings great challenges to underwater acoustic communication network, especially to the multi-user underwater acoustic communication in the physical layer. Based on the orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technology with high spectral efficiency and strong anti-multipath capability, this paper aims at multi-user channel estimation and asynchronous multi-user access for uplink OFDM systems. The key problems of non-uniform Doppler offset estimation and non-orthogonal multiple access to four underwater acoustic multiuser communications in downlink OFDM systems are studied. It provides robust physical layer guarantee for the establishment and improvement of underwater acoustic wireless communication network. Firstly, a sparse channel estimation and pilot optimization method in orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) systems is proposed to solve the problem of inadequate pilot estimation for underwater acoustic uplink communication. Based on the theory of compressed sensing, the impulse response of sparse channel is estimated. Based on the principle of cross-correlation minimization of measurement matrix in compressed sensing theory, a joint optimization algorithm of pilot pattern and pilot power based on random search is proposed. Simulation and tank experiments show that the performance of the proposed method is superior to that of linear interpolation based least square estimation, unpilot-optimized compressed perceptual channel estimation and compressed perceptual channel estimation based solely on pilot pattern optimization. Secondly, aiming at the problem of asynchronous multi-user access in underwater acoustic uplink communication, an asynchronous multi-user receiving algorithm based on sliding iteration is proposed in underwater acoustic MIMO-OFDM system. Firstly, the detection method of multi-user MIMO signal based on time synchronization is studied, including linear signal detection based on zero forcing and minimum mean square error, and sequential interference cancellation signal detection. Then a set of OFDM asynchronous multiuser access algorithms suitable for underwater acoustic channel is designed, including five processing modules: overlapping truncation, interference cancellation, frequency domain oversampling, multi-user channel estimation and decoding, and interference reconstruction. The influence of forward interference and backward interference is eliminated simultaneously by sliding iterative structure. Simulation results and pool experiments demonstrate the effectiveness of the sliding iterative asynchronous multiuser reception algorithm. Thirdly, a non-uniform Doppler frequency offset estimation method is proposed to solve the Doppler frequency offset problem in point or multi-user downlink communication. First, the blind initial Doppler factor estimation is performed for two repetitive short OFDM symbols transmitted by the frame head, and then the time fine synchronization and Doppler factor tracking estimation are performed using the cyclic prefix of each OFDM data symbol. Numerical simulations and offshore experiments on the lake show that the proposed algorithm can track the Doppler factor change of each OFDM symbol well, and the bit error rate of the system can be significantly reduced after the time domain resampling compensates the Doppler. In the end, a high spectral efficiency non-orthogonal multiple access (NOAA) method for underwater OFDM superposition coding is proposed, in which the transmitter uses the user's channel statistics to allocate power. The boundary expression of the reachable rate region and the outage probability of the proposed method are derived, and then the superposition coding system of underwater acoustic OFDM is designed based on the actual channel coding and constellation map mapping. Simulation results show that when two users have different signal-to-noise ratio (SNR) and both obtain non-zero data rate, the block error rate and spectrum efficiency of OFDM superposition coding in power domain are better than that of OFDMA system with orthogonal access. The results of mid-distance and short-distance sea experiments show that the statistical characteristics of the channel are stable for a long time and can assist the power allocation of the transmitter. When the two users have different signal-to-noise ratio (SNR) and obtain non-zero data rate, The spectral efficiency of superposition coding is significantly higher than that of OFDMA system.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN929.3

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本文編號：2105922