检索结果-内蒙古大学图书馆

声学学报 2025年第3期50卷 788-798页

作者：姚俊辉邱逸凡童峰周跃海陈东升厦门大学海洋与地球学院厦门大学导航与位置服务技术国家地方联合工程研究中心

正交频分复用(OFDM)水声通信速率高、实现方便,但对多普勒频移较为敏感,精准的多普勒估计和补偿是保证多普勒效应存在时通信性能的关键。针对时变多普勒效应下传统估计方法准确度不足、复杂度高的问题,提出了一种利用共轭相位差信息的... 详细信息

正交频分复用(OFDM)水声通信速率高、实现方便,但对多普勒频移较为敏感,精准的多普勒估计和补偿是保证多普勒效应存在时通信性能的关键。针对时变多普勒效应下传统估计方法准确度不足、复杂度高的问题,提出了一种利用共轭相位差信息的低复杂度水声OFDM载波频偏估计算法。首先,推导连续时间轴上相邻符号间的载波相位差与载波频偏的近似关系式;然后,基于时频差分OFDM系统相邻子载波相位共轭的特性消除关系式中的未知发送信息,由此可在无需插入额外数据辅助信号的基础上实现时变多普勒的估计。仿真实验和海试实验结果均验证了所提算法在时变多普勒效应下相对传统方法获得的性能改善,表明本文算法可有效应用于时变多普勒效应下的OFDM水声通信。

关键词：正交频分复用水声通信时变多普勒估计深海垂直信道

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时变多普勒场景下的扩频接收算法设计

时变多普勒场景下的扩频接收算法设计

引用

作者：洪小平哈尔滨工程大学

学位级别：博士

水声通信技术在海洋环境检测、水下航行器和载人潜水作业等方面有着广泛的应用。水声通信及其组网可灵活地用于不同地速率载荷、覆盖距离、水体深度、网络结构的情景,可广泛地应用于海洋环境观测,实现水下不同空间位置多个观测设备之间... 详细信息

水声通信技术在海洋环境检测、水下航行器和载人潜水作业等方面有着广泛的应用。水声通信及其组网可灵活地用于不同地速率载荷、覆盖距离、水体深度、网络结构的情景,可广泛地应用于海洋环境观测,实现水下不同空间位置多个观测设备之间的信息交互。因此,如何实现稳健的水下通信系统成为目前的研究热点。扩频通信信号因具有良好的自相关和互相关特性,使其能够有效抑制多途干扰和多址干扰,支持多用户进行同时传输,并且可通过采用差分调制方式直接合并空时分集增益,已经广泛地应用于水下稳健组网通信中。相较于高速率的单载波及多载波通信信号,扩频通信信号的传输速率更低（数十bps）且一帧信号持续时间更长（10s以上）。因此在水下集群动态组网等信道时变性较强的场景下,多普勒对扩频通信的影响尤为严重,在单帧通信信号内多普勒也会发生显著变化,具有动态及时变特性。在单载波和多载波通信系统中,通常假设一帧通信信号内多普勒缓变,并通过增加训练序列或者空置子载波来实现自适应多普勒跟踪与补偿。扩频信号由于符号持续时间长、通信速率低等因素,引入训练序列等跟踪多普勒变化将进一步降低通信速率,因此传统多普勒跟踪算法很难适应于时变多普勒下的扩频通信系统。针对水下显著的时变多普勒特性,本文开展了时变多普勒场景下的扩频接收算法研究,包括扩频信号的多普勒跟踪算法、空时迭代差分接收算法和空时多用户检测算法等关键技术研究。本文首先针对水下集群动态组网通信的应用背景,归纳总结了现有国内外水声通信技术的发展现状,阐述了时变多普勒下的扩频接收算法设计的技术难题,基于水下稳健组网通信的实际需求,提炼出时变多普勒场景下扩频接收算法研究的关键技术问题:一是,针对水下扩频通信所面临的动态多普勒估计、跟踪和补偿问题开展了理论与试验研究工作。理论工作包括:（1）提出了一种基于互协方差的连续多普勒估计算法,该算法具有复杂度低、实时性好、估计精度高等特点;（2）针对基于互协方差的多普勒估计算法在低信噪比时估计误差大的特点,提出了一种基于互协方差的空时多普勒估计算法,该算法的核心在于充分利用接收信号的时间和空间分集增益获得性能改善;（3）基于水下扩频信号的脉宽变化与多普勒频移具有一一对应的关系,提出了一种适用于扩频信号的通带多普勒跟踪算法,通过相邻符号的高精度时延估计实现对信号脉宽变化的连续的高精度观测,进而通过时间与频率的对应关系获得多普勒的变化历程;（4）为解决高精度时延估计对于输出信噪比要求较高的问题,提出了基于卡尔曼的通带多普勒跟踪算法,基于运动模型建立起状态方程,并通过动态滤波提升通带多普勒跟踪算法在低信噪比下的性能。仿真结果表明,基于互协方差的多普勒估计算法在输入信噪比为-1 dB时,速度估计误差为0.01 m/s;采用空时分集合并,具有约3～5 dB的性能增益。在符号信噪比Es/N0=20 dB时,基于卡尔曼的通带多普勒跟踪算法的速度估计精度为0.033 m/s,估计精度高于通带多普勒跟踪算法。开展了湖上试验,试验结果表明,所提出的基于互相关的通带多普勒跟踪算法均能很好的跟踪多普勒变化,多普勒估计误差最小为0.025 m/s。二是,针对时变多普勒场景下,水下差分扩频通信的性能损失问题开展了迭代差分接收算法的理论与研究工作。理论工作包括:（1）完成基于比特编码交织（BICM,Bit-Interleaved Coded Modulation）的迭代差分接收算法研究,该算法通过软译码器和软解调器的外信息的传递获取迭代处理增益,其性能逼近于相干解调器;（2）推导了最大后验概率（MAP,Maximum A Posteriori）准则下具有空时分集增益的多符号软差分解调器的分支度量,提出了基于空时分集增益的迭代差分接收算法;（3）针对在时变多普勒场景下迭代差分接收算法的性能严重恶化等问题,提出了基于逐幸存处理（PSP,Per-Survivor Processing）的多普勒跟踪算法,该算法的核心在于计算软解调器的分支度量时引入空时互协方差多普勒估计。不同速度下的仿真结果表明,所提出的迭代差分接收算法（ITER-DPSK-DOP）适用于较大的速度范围,且与高复杂度的最优迭代差分接收算法相比,性能损失不超过1 dB。外场试验数据表明不管在近似匀速运动场景下还是在变速运动场景下,所提出的ITER-DPSK-DOP算法均能跟踪信道变化并实现稳健通信,当采用5阵元的联合处理相较于单阵元处理具有约4.5 dB的性能增益。三是,针对水下集群动态组网通信时所面临的多址干扰问题开展了时变多普勒下的多用户检测算法研究。理论工作包括:（1）完成同步或异步情况下迭代的多用户检测算法,该算法的核心在于利用软译码器传递的外信息作为先验信息进行软干扰消除,随着迭代次数的增加,多址干扰被逐渐抵消,从而获得迭代处理增益;（2）由于水下的时变多普勒特性,导

关键词：水下扩频通信时变多普勒估计空时迭代差分接收机迭代多用户检测变换域置零干扰抵消空时联合多用户检测

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