水声通信中信道估计与均衡及功率分配技术研究

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1、学校代码10699分类号TN929.3密级学号2012100349题目水声通信中信道估计与均衡及功率分配技术研究作者景连友学科、专业信息与通信工程指导教师丁峙、黄建国申请学位日期2017年10月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目:水声通信中信道估计与均衡及功率分配技术研究作者：景连友学科专业：信息与通信工程指导教师：丁峙、黄建国2017年10月StudyonChannelEstimation,EqualizationandPowerAllocationinUnderwaterAcousticCommunicationsByJINGLianyouUnderthe

2、SupervisionofProfessorDINGZhi,HUANGJianguoADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyXi’anP.R.ChinaOctober2017摘要摘要随着我国经济的高速发展，对海洋空间和海洋资源的开发越来越迫切。水声通信作为目前实现水下中、远程无线信息传输的唯一有效技术手段，在未来海洋工程领域中的战略意义日益凸显。然而，水声信

3、道具有多径扩展长、多普勒效应明显、可用带宽受限、时—空—频变等特性，严重阻碍了水下信息的高效可靠传输。此外，水声通信系统受水下环境限制，能量来源十分受限。本文重点研究了水声通信系统的信道估计、均衡及功率分配技术，并利用湖上试验数据对部分方法进行了性能验证。论文的主要研究成果与创新点如下：1.针对常规时域多通道判决反馈均衡器(McDFE)在长时延水声信道中计算复杂度高的问题，提出了基于子阵列被动时反处理的多通道判决反馈均衡(Sub-PTR-McDFE)方法。Sub-PTR-McDFE方法首先将接收阵列分成多个子阵列，通过对每个子阵列进行被动时反处理来进行信道压缩，降低后

4、续均衡复杂度；然后对多个子阵列的输出信号进行多通道判决反馈均衡，消除被动时反处理后残余的码间干扰，在不损失通信质量的前提下，能有效降低计算复杂度。湖试结果表明：在7.4km通信距离、8kbps的通信速率下，采用2个子阵列的Sub-PTR-McDFE方法，其误码率与McDFE方法基本相当，平均误码率为1:6103，但计算量是McDFE方法的1/5。2.为进一步降低Sub-PTR-McDFE方法的误码率，提出了基于子阵列被动时反处理的双向多通道判决反馈均衡(Sub-PTR-BiMcDFE)方法。Sub-PTR-BiMcDFE方法将Sub-PTR-McDFE方法与双向判

5、决反馈均衡技术相结合，利用了前后两个均衡器错误判决相关性低的特性，可进一步降低系统误码率，提高通信质量。湖试结果表明：在7.4km通信距离、8kbps的通信速率下，采用2个子阵列的Sub-PTR-BiMcDFE方法的误码率显著减小，平均误码率为3:4104，比Sub-PTR-McDFE方法下降了一个数量级，但计算量是McDFE方法的1/2。3.针对单载波频域均衡水声通信系统，提出了基于迭代信道估计的块迭代软判决反馈均衡(ICE-SD-IBDFE)方法。该方法通过对均衡器输出信号进行软判决，将符号软信息反馈，进一步消除码间干扰；同时针对水声信道的时变特性，利用每次均

6、衡结果重新进行信道估计，并对信道估计结果进行加权处理，来消除错误扩展，有效地降低系统误码率。仿真结果表明，该方法在水声信道条件下明显优于已有的频域均衡方法。湖试结果表明：在浅水1.8km通信距离、4kbps的通信速率下，与已有的多种水声通信频域均衡处理方法相对比，该均衡方法能够明显降低误码率，提高系统可靠性，单通道无纠错编码的QPSK调制时的误码率可达到103。4.针对水声信道的簇稀疏特性，提出了基于马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)方法的联合信道估计与符号检测(JCESD-MCMC)方法。该方法在稀疏贝叶斯学习框架下，首I西北工业大学博士学位论文先采用一个修正“spi

7、ke-and-slab”贝叶斯模型对簇稀疏水声信道建模，无需依赖先验信息；然后，采用MCMC方法进行联合簇稀疏信道估计与符号检测，避免了贝叶斯估计量闭式解的复杂推导，实现了信道估计与符号检测的统一处理；最后，充分利用MCMC方法能与符号先验信息结合的特点，通过MCMC估计器与译码器之间的外信息交互，实现迭代结构的联合稀疏信道估计和符号检测。仿真结果表明：在误码率为104情况下，JCESD-MCMC方法所需信噪比较常规的LASSO方法低4dB，且不需要先验信息，具有良好的鲁棒性。5.针对水下空间调制系统，提出了基于互补码键控(CCK)调制的水声通信空