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《浙江大学》 2014年
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模型与数据结合的浅海时变水声信道估计与均衡

聂星阳  
【摘要】:水声通信是水下环境中实现无线传输的主要手段。水中声传播受三个主要因素制约:随信号频率增大的衰减,时变的传播多径以及较慢的传播速度。水声传播的物理特性造成水声信道,特别是浅海声信道可用带宽窄,时延和多普勒扩展较大且随环境变化而变化,使得水声通信面临许多陆地无线电通信中不曾遇到的技术难点。 论文针对浅海时变水声信道下的可靠通信问题,开展水声通信信道估计-信道均衡技术的联合研究。论文挖掘信道的稀疏特性,采用压缩传感算法估计稀疏信道,提高信道估计性能的同时降低算法的复杂度。引入时反处理和频域上与之对偶的频反处理简化信道均衡过程。此外,论文将对信道估计和均衡问题的研究由单入单出(Single-Input Single-Output-SISO)通信系统扩展到多入多出(Multiple-Input Multiple-Output-MIMO)通信系统。在理论算法研究的基础上,还进行了通信实验系统设计并在多次湖海试验中得到使用;进而通过实验数据处理分析,验证了论文方案的有效性及实际性能。 信道特性的研究是分析和设计水声通信系统的基础。论文针对浅海水声通信信道时延多普勒双扩展的特性对信道进行建模。首先利用水声信道的稀疏特性,用几条主要的分离路径近似表示信道,然后用多项式分别拟合各到达路径的幅度时变和时延时变,并以这些参数化表示为基础,推导出描述通信信道输入输出关系的数学模型。与之前描述时延多普勒双扩展特性的信道模型相比,本论文推导的路径时变参数化模型考虑了路径幅度的时变及由时延变化引起的成型脉冲上采样点的偏移这些被其它模型忽视的问题,能够更好地近似实际信道的时变特性。 路径时变参数化模型用有限的参数描述通信信道输入输出关系,将高维的信道估计问题转化为有限维度的信道参数估计问题,并可采用压缩传感算法求解。注意到重采样和载波频移补偿后的等效信道时变慢的特点,论文提出了一种分步估计时延和多普勒的信道估计方法,该方法使参数的搜索范围从二维时延-多普勒平面退化到一维时延/多普勒区间,减少了字典的维数,从而可降低计算复杂度和存储空间需求。同时,相比于时延和多普勒同步估计方法,将时延和多普勒分开估计又有效避免了参数间的耦合,可以得到更精确的信道估计结果。仿真和实验数据处理结果验证了时延多普勒分步估计方法的性能。 浅海水声信道中时延扩展引起严重的码间干扰(Inter-Symbol Interference-ISI),是限制浅海水声通信性能的重要原因之一。针对这一问题,论文研究了水声通信中的信道均衡技术。时间反转处理利用环境本身压缩时域上扩展的信号,是一种利用环境物理特性实现通信信号处理的方法。时反处理并无法完全消除ISI,但是将时反处理和信道均衡结合可以在很大程度上简化均衡器的设计。论文将基于路径时变参数化模型的时变信道响应估计应用于时反处理,把基于信道时不变假设的传统时反通信推广到时变信道。此外,论文还提出了频域上与时间反转对偶的频率反转概念。频反处理可以压缩多普勒效应引起的信号频率扩展以消除正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing-OFDM)通信中的载波间干扰(Inter-Carrier Interference-ICI)。 论文进一步研究了MIMO水声通信系统中的信道估计与均衡问题。论文将路径时变参数化模型扩展到MIMO信道,然后由此模型推导出离散时间MIMO信道输入输出关系,并将时延多普勒分步估计方法推广到对MIMO水声通信信道的估计中。在对MIMO水声通信信道均衡的研究中,论文将MIMO体制与时反技术结合,利用时反的空间聚焦特性实现与多个用户的同时通信;将SISO水声通信系统中的判决反馈均衡器(Decision Feedback Equalizer-DFE)扩展到MIMO系统中,在反馈部分引入其它路的发射符号在消除ISI的同时消除信道间干扰(Cochannel Interference-CCI)。论文还将频反频域均衡方法扩展到MIMO通信中,与时反处理一样,频反处理也能达到空间聚焦的效果,消除CCI,是MIMO-OFDM中一种潜在有效的频域均衡手段。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TN929.3

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