淺海水聲雙擴(kuò)展信道估計(jì)與跟蹤技術(shù).pdf

1、以聲波作為載體的通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水下遠(yuǎn)距離高速信息傳輸?shù)奈ㄒ挥行侄?。為了提高頻譜利用率，應(yīng)對(duì)越來(lái)越多的高速水聲通信的應(yīng)用要求，相位調(diào)制技術(shù)已經(jīng)取代了過(guò)去的頻率調(diào)制技術(shù)成為了水下通信研究的主要內(nèi)容。考慮到海洋動(dòng)態(tài)性帶來(lái)的信道相位響應(yīng)的快速起伏變化，相位調(diào)制技術(shù)十分容易受到聲傳播環(huán)境的影響?？偨Y(jié)其影響主要體現(xiàn)在由界面反射、介質(zhì)散射帶來(lái)的多徑時(shí)延擴(kuò)展，由界面、介質(zhì)、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的多普勒擴(kuò)展，以及這些擴(kuò)展隨時(shí)間的變化。這樣的信道通?？偨Y(jié)為時(shí)變雙

2、擴(kuò)展信道，經(jīng)過(guò)該信道傳播的信號(hào)會(huì)在時(shí)延和多普勒兩維上展寬，并且伴隨有隨機(jī)起伏。當(dāng)多普勒擴(kuò)展較大時(shí)，無(wú)法用單一的多普勒因子進(jìn)行補(bǔ)償，需要聯(lián)合估計(jì)出時(shí)延和多普勒兩維信息，才能恢復(fù)出在信道中經(jīng)過(guò)兩維展寬的信號(hào);而當(dāng)信道的時(shí)變性較明顯時(shí)，需要實(shí)時(shí)更新信道估計(jì)的結(jié)果，才能保證接收機(jī)性能的穩(wěn)定。本文針對(duì)淺海起伏環(huán)境下水聲信道具有的時(shí)延、多普勒雙擴(kuò)展特性及時(shí)變特性，以時(shí)變水聲信道建模-雙擴(kuò)展信道估計(jì)-雙擴(kuò)展信道跟蹤為主軸，研究相干水聲通信技術(shù)。

3、>　　水聲信道特性的研究是設(shè)計(jì)和仿真分析水聲通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本文首先從理論上分析了傳統(tǒng)的簡(jiǎn)正波模型和射線模型實(shí)現(xiàn)雙擴(kuò)展建模的方法;其次討論了用有限的參數(shù)描述通信信道輸入輸出關(guān)系的路徑參數(shù)化模型;然后詳細(xì)研究了在已知接收發(fā)射源位置以及波導(dǎo)環(huán)境信息的情況下，基于鏡像法模擬滿足水聲物理傳播衰減和海面海底反射條件環(huán)境約束的雙擴(kuò)展信道的方法，并且對(duì)各路徑的衰減幅度進(jìn)行自回歸建模，得到時(shí)變的水聲雙擴(kuò)展信道模型。
　　研究信道的時(shí)延和多普勒兩維

4、特性既可以獲取收發(fā)雙方和環(huán)境的空間位置信息，也可以獲取平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)信息和環(huán)境的動(dòng)態(tài)演化知識(shí)，因此研究雙擴(kuò)展信道能夠有效、完備地利用蘊(yùn)含在信號(hào)中的信息。需要指出的是雙擴(kuò)展信道估計(jì)問(wèn)題本身是一個(gè)欠定逆問(wèn)題，并不能通過(guò)傳統(tǒng)的估計(jì)方法獲得，本文從約束優(yōu)化和匹配濾波兩個(gè)角度來(lái)解決估計(jì)問(wèn)題。從約束優(yōu)化角度，相關(guān)研究已經(jīng)成功地將壓縮感知理論中的稀疏重構(gòu)算法應(yīng)用到擴(kuò)展函數(shù)的估計(jì)問(wèn)題，本文選擇其中的正交匹配追蹤算法進(jìn)行理論和仿真研究。從匹配濾波的角度，本文

5、提出了基于互模糊度函數(shù)的信道估計(jì)方法?；驹硎?計(jì)算接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的互模糊度函數(shù)，得到有模糊尖峰的二維平面;并在此平面上以噪聲門(mén)限估計(jì)時(shí)延，以時(shí)延維的極大值估計(jì)多普勒。論文通過(guò)仿真比較發(fā)現(xiàn):正交匹配追蹤算法用較多的訓(xùn)練序列可以得到更為準(zhǔn)確的估計(jì)結(jié)果，但當(dāng)訓(xùn)練序列不足時(shí)，其表現(xiàn)出了對(duì)算法參數(shù)選擇的敏感性;基于互模糊度函數(shù)的算法則能夠根據(jù)接收信噪比對(duì)算法參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并且考慮其較低的計(jì)算復(fù)雜度，可以通過(guò)更快的更新估計(jì)來(lái)提高時(shí)反接收機(jī)的

6、整體性能。
　　由于信道的動(dòng)態(tài)時(shí)變，信道當(dāng)前估計(jì)的結(jié)果往往無(wú)法準(zhǔn)確地補(bǔ)償后續(xù)時(shí)刻的信道，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)雙擴(kuò)展信道的跟蹤是實(shí)現(xiàn)可靠有效水聲通信的又一關(guān)鍵。針對(duì)信道的時(shí)變性，本文從自適應(yīng)濾波理論出發(fā)，通過(guò)挖掘信道稀疏性和建立動(dòng)態(tài)模型的兩種方法來(lái)對(duì)抗由海洋動(dòng)態(tài)特性帶來(lái)的信道變化，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。前者是將傳統(tǒng)自適應(yīng)算法和稀疏約束問(wèn)題的代價(jià)函數(shù)相結(jié)合的序貫稀疏估計(jì)，本文將已有的零吸引算法引入到擴(kuò)展函數(shù)的跟蹤問(wèn)題中，試圖通過(guò)稀疏約束降低該跟蹤問(wèn)

7、題的自由度;后者則是直接建立雙擴(kuò)展信道向量的動(dòng)態(tài)演化模型，通過(guò)卡爾曼濾波對(duì)信道向量進(jìn)行序貫更新，濾波輸出即為每一時(shí)刻的雙擴(kuò)展信道向量。
　　最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，論文驗(yàn)證了傳統(tǒng)時(shí)反均衡接收機(jī)用于雙擴(kuò)展信道水聲通信的局限性，總結(jié)了將本文所述算法融入時(shí)反接收機(jī)的信號(hào)處理結(jié)構(gòu)，并且驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果表明:在真實(shí)環(huán)境中，基于互模糊度函數(shù)的信道估計(jì)算法能以較低的復(fù)雜度和較少的訓(xùn)練序列得到優(yōu)于正交匹配追蹤算法的估計(jì)結(jié)果;為了應(yīng)對(duì)信道