一種基于壓縮感知的多載波調(diào)制水聲稀疏信道估計算法

1、水聲OFDM信道壓縮感知估計研究劉勝興，肖沈陽(廈門大學海洋與地球?qū)W院水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點實驗室，福建廈門361102)摘要：摘要：針對傳統(tǒng)最小二乘（leastsquare，LS）算法估計時變水聲OFDM信道誤差較大問題，本研究提出一種基于壓縮感知的準確估計方法。首先導出了水聲OFDM系統(tǒng)接收序列、發(fā)送序列及信道傳輸矩陣之間的關(guān)系；在此基礎上利用水聲信道稀疏特征，探討了采用正交匹配追蹤（thogonalmatchingpur

2、suit，OMP）算法估計水聲OFDM信道的方法；分析了導頻插入方式、導頻數(shù)及徑數(shù)等對水聲OFDM信道估計均方誤差（meansquareerr，MSE）的影響。研究表明：當導頻隨機插入時，OMP算法用較少導頻即可準確估計水聲OFDM信道的傳輸矩陣。當信噪比大于10dB時，OMP算法的MSE小于24dB，比傳統(tǒng)的LS算法小18dB。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：水聲信道；OFDM；正交匹配追蹤算法；壓縮感知中圖分類號：中圖分類號：TN929.3文獻標志

3、碼：文獻標志碼：A水聲通信及網(wǎng)絡的快速發(fā)展要求物理層提供可靠的高速率通信。單載波調(diào)制水聲相干通信雖可實現(xiàn)較高通信速率，但其接收機通常需使用復雜的自適應時域信道均衡算法才能確保通信可靠[14]。OFDM將信道分成多個相互正交的子信道，通過延長每個OFDM符號的周期和加入保護間隔等措施抑制信道多徑延遲引發(fā)的碼間干擾，其接收機使用簡單的FFT變換和頻域均衡即可確保通信可靠。若進一步與信道糾錯編碼相結(jié)合，如Turbo碼或LDPC碼等，可將系統(tǒng)的

4、誤比特率降至很低水平。近年來，OFDM成為高速水聲通信研究的熱點之一[58]。為確保通信可靠，接收機通常需要估計水聲OFDM信道。估計方法包括插入導頻、盲估計及半盲估計等3種。插入導頻法需要考慮以下兩個重要問題：一是導頻插入方式，即在那些子信道中插入導頻；二是選擇合適的信道估計算法。當導頻梳狀插入時，傳統(tǒng)LS算法先估計出導頻子信道，然后采用時域或頻域插值方法估計出整個水聲OFDM信道。LS算法的估計誤差與導頻數(shù)密切相關(guān)，當導頻數(shù)等于或略

5、小于子信道數(shù)時，估計誤差較?。坏攲ьl數(shù)遠小于子信道數(shù)時，估計誤差卻很大。然而，為提高信道的帶寬利用率及通信速率，水聲OFDM系統(tǒng)的導頻數(shù)通常遠遠小于子信道數(shù)。為確保該情況下水聲OFDM信道估計的準確性，本研究引入先進的壓縮感知技術(shù)。壓縮感知的核心是將壓縮與采樣合并進行，首先采集信號的非自適應線性投影，即測量值，然后采用一定算法重構(gòu)原信號[9]。對于稀疏信號，壓縮感知通過少量測量值即可以很大概率重.(2)????????????gNnc

6、TTttqtTnfjnstx?????????????02expRe10?其中.(3)?????????其它001Tttq多徑時變水聲信道的沖擊響應為.(4)?????????????10LlnnttAth????其中，L為徑數(shù)；和分別為第l條路徑t時刻的復增益和時延。若水聲信道的相干??tAl??tl?時間較長，則其沖擊響應可認為在一個OFDM符號周期內(nèi)保持不變，即.(5)?????????10LlllAh????將(2)式和(5)式

7、進行卷積，并加入海洋噪聲干擾項，得接收信號為??tw??ty.(6)???????????????????????????????twtqtTnfjnsAtyLlNnllcl10102expRe???該信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換和OFDM解調(diào)后輸出接收符號為??nz.(7)????????110)2exp(10?????????NnnvnsTnfjAnzLllcl???矩陣形式為.(8)vHsz??其中，為符號接收序列；為高斯噪聲序????????