王晓峰[1]2003年在《OFDM技术在水下声波通信系统中的应用研究》文中提出正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波数字调制技术，虽然OFDM的概念已经存在了很长时间，但是直到最近，它才被人们认识到是一种实现高速双向无线数据通信的良好方法。随着DSP芯片技术的发展，栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，人们开始集中越来越多的精力开发OFDM技术在通信领域的应用。本文从对水下声波信道特性研究出发，分析了其存在的问题，然后针对问题提出了解决方案，即基于OFDM调制的水下声波通信的方案。本文的重点是基于OFDM调制水下声波通信系统的整体研究，包括了多普勒频移补偿，2维MMSE信道估值，循环前缀的运用，并探讨了利用伪随机高斯信号实现水下声波信号同步等主要内容。
王妮娜[2]2012年在《基于压缩感知理论的无线多径信道估计方法研究》文中研究指明随着人们对无线通信需求地不断增长,提供高质量、高速率的数据及多媒体业务成为移动通信领域的首要任务。模拟通信系统到数字通信系统的转变,是移动通信技术的一次重大革命,在频谱效率、系统容量、保密性以及通话质量方面得到了极大的改善。随着无线通信技术的进一步发展,正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术的提出,有效地提高频谱的利用率,并有效抵抗信道衰落和信道时延扩展的影响。多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技术则通过空间分集增加无线系统的覆盖范围,有效地提高系统容量。目前,中继(relay)技术的研究,能够在不增加基站数目的前提下,提高小区边缘的通信质量。虽然OFDM、MIMO和中继技术有诸多优点,但是,在具体实际应用中,仍然面临很多问题。OFDM系统对同步误差甚为敏感,在信号传输过程中,由于信号受周围环境及障碍物影响,产生不同程度地衰落和时延,时间同步误差会造成符号间干扰(Inter Symbol Interference, ISI),频率同步误差会产生子载波间干扰(Inter Carrier Interference, ICI)。只有对信道特征有很好的了解,才能有效克服干扰和失真。加入MIMO或中继后,符号间干扰和码间干扰更加严重,从而影响系统性能。因此,接收端需要获得精确的信道状态信息(Channel State Information, CSI),精确的信道估计起到尤为重要的作用。针对上述问题,论文对无线多径信道的信道估计进行了研究。重点分析压缩感知理论在无线多径信道估计中应用的可行性,并重点研究了基于压缩感知理论的单天线系统、多天线系统、双向中继系统以及水声通信系统中的信道估计算法,并取得相应的科研成果。论文主要完成了以下具有创新性的研究成果。首先,论文从典型的单天线系统入手,通过分析其信道特征,建立稀疏信道模型,将传统的线性算法转化为非线性算法,将频域信道估计方法转化为时域信道估计方法,并利用压缩感知的凸优化算法来恢复信道状态信息,即压缩信道感知。所提方法充分运用无线多径信道固有的稀疏性特点,利用一阶范式最优化来恢复信道冲激响应,达到使用较短的训练序列获得较高的信道估计精确度的目的。其次,研究发现,多天线系统与单天线系统相比,具有天线数目增多,数据传输速率较高,信道状态复杂等特点,因此,在信噪比低的快衰落信道状态下难以获得准确的信道估计。快速而准确的恢复信道估计状态是亟需解决的关键问题。对于多天线系统,在快衰落条件下,传统线性信道估计算法,如LS (Least Squares),虽然信道估计计算复杂度较低,但是信道估计精确度不高。基于压缩感知的凸优化信道估计算法,能显着提高信道估计性能,然而往往计算比较复杂。基于二者的优缺点,本文提出了一种基于压缩采样匹配追踪(Compressive Sampling Matching Pursuit, CoSaMP)的高效信道估计算法。该算法对高速移动的多天线系统,在快衰落信道情况下,能以很高的概率恢复信道状态信息,准确性和实时性有了很大地提高。另外,利用离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform, DFT)的特性,该算法可进一步扩展运用于MIMO-OFDM系统的信道估计中。再次,就目前趋势而言,点对点通信已不能满足人们对通信网的需求,于是,催生了中继网络的发展。双向中继系统是指两个节点通过半双工中继进行信息的交互与传递,两节点直接无直达路径。对于双向中继系统,信道状态信息由传统点对点的单一的未知信道变量转化为叁点间两个未知的信道变量,因此,信道估计过程复杂繁琐。本论文在深入研究双向中继系统信道特点的基础上,提出一种基于压缩感知理论的自适应的联合信道估计算法,从而巧妙的将二维变量转化为一维变量,该算法不但能显着提高双向中继系统的信道估计性能,同时,也大大提高了信道估计效率以及频谱利用率。此外,本论文还关注先进理论在实际场景中的应用——基于压缩感知的水声通信系统信道估计的研究与应用。目前,声波是水下唯一进行远程信息传输的媒体,水声信道不但受频率的影响,还与海水的运动,高度以及密度等有关,因此,水声信道要比无线电信道复杂得多。本文深入研究水声信道的特殊复杂性,根据水声信道的稀疏表示模型与非相关观测矩阵构建压缩感知算法,并筛选出适合水声信道的重构算法,为水声通信系统信道估计提出了一种可行的解决途径,基于压缩感知的水声通信系统信道估计是该领域具有创新性的研究方向。
鲍鸿达[3]2016年在《水下长波收发系统设计与实现》文中研究说明在水域监测、水下作业及水下传感网络等领域,水下通信技术有着广泛的应用需求。水下通信分为有线方式与无线方式,在某些特定的环境中,无线通信方式更具优势,因而,水下无线通信技术具有重要的研究价值。水下无线通信方式主要有水下声波通信、水下激光通信及水下电磁波通信等方式。针对浅水区域,浑浊有杂质的复杂水体环境,采用水下声波通信或水下激光通信难以取得理想的效果,而采用长波实现水下无线通信,具有良好的环境适应性,能够更好地满足特定环境中的使用需求,同时,长波在水下传播时的衰减相对较小,有利于实现较远距离的水下通信。为进行水下长波通信设备开发,本文设计实现了一个水下长波收发实验平台,进行水下收发系统的性能测试。本文阐述了水下长波收发实验平台的组成架构及实现方法。针对水下信道环境的特点,使用数字无线通信技术完成系统设计,并加入了扩频通信技术,以满足恶劣信道环境下对通信系统可靠性的要求。在系统架构中,采用可编程逻辑器件(FPGA)完成系统开发,将传统使用分立式器件组合搭建而成的数字通信系统中,大部分的信号处理电路集成在一块FPGA芯片内,通过编程实现其功能,在提高系统可靠性的同时降低了系统的功耗,并且能够根据实际情况对系统功能进行及时调整,使系统具有较高的灵活性。水下实验平台分为水下部分及水上部分,水下部分包括收发端电路、天线及供电电池,水上部分包括便携式数据采集卡及计算机。在发射端,基于FPGA系统,实现了信号FM0编码、m序列生成、直接序列扩频、载波生成及二进制频移键控(2FSK)调制等功能。同时,发射端系统还完成了数模转换及功率放大等功能的设计实现。在接收端,完成了与发射端信号变换相对应的接收信号的还原,通过硬件电路完成2FSK解调功能,将解调信号采集后存入计算机,通过软件编程完成扩频信号的相关解扩、码元判决及FM0解码等功能。最后,进行了水下长波收发系统的性能测试。对设计实现的水下收发实验平台,在发射端设置了多档发射功率,采集了不同发射功率条件下收发端相距不同距离时的多组实验数据,得到各档发射功率对应的水下有效传输距离;进行了加入扩频技术及不加入扩频技术时的对比实验,通过实验数据分析了扩频通信技术对水下传输距离的影响。实验结果表明,在使用相同的发射功率时,加入扩频通信技术可以实现更低信噪比信号的正确接收,提高了系统有效传输距离,达到提高系统可靠性的设计目标;要实现相同的水下有效传输距离时,采用扩频通信技术可以降低发射功率,增强了系统的实用性。
王萍[4]2016年在《面向复杂环境的无线网络资源管理技术研究》文中研究表明通信新型技术的迅猛发展和用户业务需求日趋多元化,使得无线网络资源匮乏的问题更加突出,无线网络资源管理问题一直被认为是无线通信网络的关键问题。另一方面,随着海洋经济、气候测控和国防安全等方面的需求驱动,业内对海域通信的关注日渐提高,海陆一体的无线通信网络也成为一种典型异构复杂环境。本文所指的复杂环境涵盖水下无线网络环境与陆地蜂窝网络环境,包括了通信场景多样化、信道特征时变特性、陆地与水下联合的应用场景。然而,由于其通信环境的特殊性,传统的无线资源管理解决方案不能直接适用于这种海陆异构复杂环境。因此,结合水下无线通信网络的实际应用场景,研究对海陆一体无线通信网络中陆地蜂窝网络和水下无线网络资源管理技术是本文的重点。通过对海陆一体异构复杂环境进行分析,本文调研了无线资源管理技术的研究现状,针对无线蜂窝网络与无线多跳网络拓扑结构,提出了一种涵盖了近海陆地、海面、海中、海底通信的层次化异构无线网络架构,为实现海面信息采集节点与陆地蜂窝基站的通信,海中节点间的多跳通信,以及海底节点通过海底蜂窝基站进行中转等多种通信方式,提供了技术支撑。综合考虑无线资源管理中频谱分配与功率控制,本文主要对于陆地蜂窝网络功率控制技术、水下无线网络资源管理技术、及水下无线网络可靠传输协议等方面进行了研究。具体研究内容如下:1、针对陆地无线网络用户业务对无线资源的需求,对陆地蜂窝网络功率控制技术进行研究,实现节能和服务质量保障的权衡。首先针对陆地蜂窝网络节能的目标,基于随机过程理论,对多小区协作网络和功率消耗进行建模,提出了基于Multi-armed bandit的随机功率控制方案,并采用优先级索引方法对其方案进行求解。仿真结果表明,该方案减少了蜂窝网络的总能量消耗。其次针对用户服务质量保障的目标,基于半马尔科夫决策过程理论,对多小区中用户密度、用户位置和小区发射功率进行建模,提出了基于半马尔科夫决策理论的功率协作控制方案,并采用值迭代方法对其方案进行求解。仿真结果表明,通过多小区间协作功率控制,实现了在保障移动用户多样化的服务质量需求的前提下降低蜂窝网络的总能量消耗。2、针对水下无线通信的特殊环境和用户业务服务需求,对无线资源管理技术进行研究,研究内容包括功率控制和频谱分配,实现服务质量保障的前提下减少能量消耗和增大频谱效率。针对水下无线网络中实现远距离传输与节约能耗的需求,在基于MIMO-OFDM技术的水下多跳中继协作无线网络中,提出源节点和中继节点发射功率的联合优化方案,实现了能耗节约与服务质量保障之间的折中。针对水下无线通信中频谱资源严重短缺的问题,考虑中心和边缘用户分级的水下无线蜂窝网络拓扑结构,提出水下部分频率复用方案和水下软频率复用方案。通过对多小区进行协同频谱分配及功率控制实现了在提高水下通信频谱效率的同时降低用户中断概率,以达到服务质量保障的目的。3、针对水下通信无线多跳网络的特殊需求,对面向服务质量保障的水下多跳无线网络传输协议进行研究。提出了基于来回传输时间(RTT)的具有自适应多跳的传输数据流和误码控制图像传输协议(ARTFEC),并搭建试验床进行性能验证。所提出的ARTFEC协议采用跨层思想,通过获取水声信道状态而自适应的调整拥塞窗口大小及超时时间设置,实现了提高水下无线网络吞吐量、信道使用率及减小丢包率的目标。
王泽琳[5]2015年在《4G技术在水下声波通讯中的应用》文中认为近年来,作为4G核心技术的正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)与多输入多输出(MIMO,Multiple Input Multiple Output)技术的结合在海洋声波通讯领域极受欢迎。OFDM技术是将原始信号带宽划分成一系列窄带频段信道,使每个频段内信道的频率响应近似为平坦衰减的方法,通过各子信道加载数据进行并行传输的方式,来消除原始信道频率选择性衰减特性对数据传输带来的拖尾延迟等问题。由于子频段载波之间相互正交,它们之间可实现频带迭交,从而使得信道利用率大为改善。而MIMO系统引入的多条传输链,很大程度上降低了信道深度衰减的可能性,同时也提升了信道容量与数据传输率。该文中,我们利用一组商用水下收发装置,通过建立OFDM平行传输,建立了一个高性能2×2 MIMO的浅水域无线声波通讯系统。选用经典的瑞利衰减以及高斯白噪声来模拟海洋通信环境,在MATLAB平台下进行仿真。目前,该通讯系统适用于距离在一公里以内的水下通讯。水下收发机的可用频率范围为10~100kHz,OFDM载波数量定为128,使用正交相移编码(QPSK,Quadrature Phase Shift Keying)进行调制。最后的比特误码率(BER,Bit Error Rate)结果显示,使用正交频分复用的2×2 MIMO水下声波信道性能明显优于普通单输入单输出(SISO,Single Input Single Output)信道。
丁凌琦, 穆道生, 蒋太杰[6]2016年在《OFDM技术应用现状分析》文中指出以其频谱利用率高、有效抗多径干扰等优势成为第四代移动通信系统关键技术的OFDM技术,目前已得到广泛研究与发展。通过对OFDM技术的基本原理及特性进行阐述,分析了数字广播系统、蜂窝移动通信系统、电力线载波通信系统、光纤通信系统等领域OFDM技术的实际应用情况,能够有效为未来OFDM技术在通信领域的应用发展提供参考借鉴。
王迈[7]2008年在《基于OFDM技术的水声通信研究》文中研究说明人们利用海洋资源的渴望为水声通信技术的发展提供了巨大的动力。目前,水下通信则仍然处于起步阶段。混响与多普勒效应是水声信道最为显着的两个特点。我们必须针对水下环境的特殊性来开发水下通信技术。正交频分复用(OFDM)是近几年兴起的一种在无线信道上实现高速数据传输的新技术。它属于多载波调制技术,其最大的特点是传输速率高,对码间干扰和信道选择性衰落具有很强的抵抗能力。因此,对OFDM技术在水声通信中的应用与研究具有很高的理论价值与实用价值。本论文就是以这个为背景,研究和设计一个基于OFDM技术的水声通信发射端子系统。论文的主要内容如下:1.给出了水声通信的发展现状和OFDM技术在水声通信中的应用现状;同时对OFDM技术原理进行了详细的讨论以及给出了通用的OFDM系统框图。2.对OFDM系统的主要缺点之一的高峰值平均功率比(PAR)问题进行了基本的分析,并且介绍了一种能降低PAR的解决方案:部分发送序列(PTS)方法。3.通信系统硬件平台的设计采用TI公司TMS320C5000系列DSP芯片中的TMS320VC5509A完成发射系统中OFDM信号的调制及其它基带信号处理功能。功率放大电路采用Tripath公司的T类数字音频功率放大器TK2350,这类放大器同时具有AB类功率放大器的高保真度和D类功率放大器的高效率。4.通信系统的软件实现的算法或者程序有快速傅立叶逆变换(IFFT)、比特交织算法、PTS和QPSK比特映射等。
何辉[8]2010年在《基于OFDM的水声语音通信系统的设计》文中研究说明近年来,随着海洋开发和利用的不断深入,人们越来越重视水下语音通信系统的研究与开发。声波作为唯一在水中能进行远距离传输的能量形式,是水下信息传输的有效载体,使得水下声波通信成为了现阶段研究的热点问题,由于水下声信道具有通信信道带宽窄、随机空变-时变-频变和信道多途干扰严重等复杂的特性,所以在水声语音通信的实践中必须选择一种适合水声信道的通信方式来克服这些问题。本文采用能够有效抗多途干扰、抗频率选择性衰落以及很高频谱利用率的正交频分复用技术,设计了一套在水声信道环境下适用的语音通信系统。硬件的设计上采用PCM3500和AMBE-2000实现原始语音信号的压缩与解压缩处理,然后用TMS320VC5509A芯片来完成数字通信方案的调制与解调工作,最后利用语音编解码器对数据进行D/A输出与A/D采集。在系统的软件设计中用IFFT/FFT实现了正交频分复用的调制与解调,并结合信道编码技术、交织技术以及子载波的数字调制技术对语音数据进行处理,同时配合其他底层接口程序以及发射和接收控制程序一起实现了语音的实时传输。通过对系统设计方案理论和性能的仿真验证了系统的可行性,最后进行联调实验测试了系统的功能,并对存在的问题提出了改进的措施。
司瑞华[9]2011年在《DCT插值算法在OFDM水声信道估计中的应用研究》文中研究表明为了实现高速、可靠的水下声通信,最重要的就是设计出性能优良的水声通信系统。而影响水声通信系统性能的关键因素之一就是信道估计的准确程度。DCT插值算法已被应用于空间无线信道的估计中,而水声信道与空间无线信道相比具有更大的时延及更复杂的时变特性,目前应用于水声信道的估计算法的性能不够理想。因此,本文重点研究了DCT插值算法在水声信道估计中的应用,尤其深入地研究了多径时延是非整数倍采样间隔的时变水声信道环境下DCT插值算法的性能。首先,对基于OFDM的水声通信系统的基本原理进行了详细介绍;对系统中的信道部分进行了深入研究,分析了水声信道的特性对通信传输的影响,并根据水声信道的统计特性利用声线理论对其进行了建模与仿真。其次,对基于导频的信道估计技术进行了研究,针对该技术中导频的选择与插入、导频位置信道响应估计,以及恢复完整信道响应这叁个关键问题做了深入的分析与探讨,并对不同的估计准则及内插方法的性能进行了仿真比较。最后,在水声信道时延为非整数倍采样间隔的情况下,对基于DCT插值的信道估计算法进行了研究,在传统算法的基础上做出了改进,增加了迭代去噪的功能,并在不同的信道条件下对其性能进行了仿真比较。理论及仿真结果表明,基于DCT插值的信道估计算法应用于水声信道估计,在一定程度上解决了水声信道多径时延为非整数倍采样间隔时,其它水声信道估计算法中存在的信号弥散、频谱能量泄露及高频混迭误差等估计性能下降的问题,并对系统中的噪声和干扰有较好的抑制作用。
陆思宇[10]2015年在《水声信道的建模和估计方法的研究》文中进行了进一步梳理随着海洋研究与开发的进一步深入,对水声通信系统的性能要求越来越高。而水声信道具有长时延、可用带宽有限、环境背景噪声高、多径效应明显、多普勒频移及信道衰减等特点,这些复杂的影响因素,相互迭加并共同作用,严重影响了水声通信的质量,在下面两个方面限制了水声通信技术的应用和发展:传统的水声信道建模方法受制于应用环境条件等的限制,不能对水下声学环境进行有效的模拟;传统的水声信道估计方法,也因误差较大,估计的精度和效果受到了较大的影响。本文首先分析了水声信道的诸多重要特性,再简要说明了现阶段在水声通信领域中应用的技术,重点阐述了水声OFDM通信系统。在水声信道的建模方面,先研究传统的水声信道建模方法,然后重点研究基于BELLHOP模型的水声信道建模方法。在水声信道估计方面,本文将信号及信息处理领域中的新理论——压缩感知理论,应用到了水声信道估计中,并依此提出了基于压缩感知理论的水声OFDM通信系统信道估计方法,该方法通过线性内插法插入二维导频,用信道感知获取信道的频域响应的采样值,构造相应的过完备字典,并用压缩采样匹配追踪算法,对水声OFDM通信系统进行有效的信道估计。最后,本文对水声信道的建模及信道估计进行了系统实现和验证实验,实验结果表明:基于BELLHOP模型的水声信道建模方法,能够有效对海洋声学环境特性进行描述;基于压缩感知理论的水声OFDM通信系统信道估计方法,从信道估计的恢复精度、误码率、算法的复杂度和稳定性等综合因素考虑,其性能较现阶段的其他方法更有效,更适合在水声通信中应用。
参考文献：
[1]. OFDM技术在水下声波通信系统中的应用研究[D]. 王晓峰. 浙江大学. 2003
[2]. 基于压缩感知理论的无线多径信道估计方法研究[D]. 王妮娜. 北京邮电大学. 2012
[3]. 水下长波收发系统设计与实现[D]. 鲍鸿达. 武汉理工大学. 2016
[4]. 面向复杂环境的无线网络资源管理技术研究[D]. 王萍. 北京邮电大学. 2016
[5]. 4G技术在水下声波通讯中的应用[D]. 王泽琳. 西安电子科技大学. 2015
[6]. OFDM技术应用现状分析[J]. 丁凌琦, 穆道生, 蒋太杰. 软件. 2016
[7]. 基于OFDM技术的水声通信研究[D]. 王迈. 哈尔滨工程大学. 2008
[8]. 基于OFDM的水声语音通信系统的设计[D]. 何辉. 哈尔滨工程大学. 2010
[9]. DCT插值算法在OFDM水声信道估计中的应用研究[D]. 司瑞华. 燕山大学. 2011
[10]. 水声信道的建模和估计方法的研究[D]. 陆思宇. 南京邮电大学. 2015
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