水聲通信網(wǎng)絡多載波通信與跨層設計.pdf

1、水聲通信網(wǎng)絡是開發(fā)海洋資源、獲取海洋環(huán)境參數(shù)的有效手段，水聲信道具有帶寬有限、載波傳播速率低、衰減嚴重、快速時變等特點，且水下設備采用電池供電能量有限更換不變，導致水聲通信網(wǎng)絡的性能受到了極大的限制，如何提高水聲通信網(wǎng)絡的吞吐量、延長網(wǎng)絡生存周期是急需解決的問題。由于水聲信道環(huán)境的特殊性和復雜性，使得無線電中很多成熟的技術無法直接應用到水聲無線網(wǎng)絡中。水聲信道的強多途干擾和噪聲干擾等導致物理層(physical layer, PHY)具

2、有很高的誤碼率，從而降低了水聲通信網(wǎng)絡的吞吐量，因此如何實現(xiàn)穩(wěn)健的高速率的物理層數(shù)據(jù)傳輸是提高網(wǎng)絡吞吐量的重要因素。而且由于水中聲速非常低(1500m/s)，導致數(shù)據(jù)傳輸時延非常高，嚴重的降低了信道利用率。如何設計高效的物理層數(shù)據(jù)傳輸和MAC層協(xié)議是提高網(wǎng)絡吞吐量的兩個重要方面。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴對水聲信道進行了建模和實測信道特性分析。物理層作為網(wǎng)絡的底層，負責數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，其通信性能的優(yōu)劣對網(wǎng)絡性能有非常大的影響，

3、因此如何設計高速的、穩(wěn)健的物理層通信是本文的一個重要研究內(nèi)容。MAC層主要用于控制節(jié)點對無線信道的訪問，是影響網(wǎng)絡性能的另一個重要方面，如何針對水聲信道的長傳播時延設計高效的信道資源分配方案，從而提高網(wǎng)絡吞吐量是本文的另一個研究內(nèi)容。在穩(wěn)健的物理層通信和高效的MAC層協(xié)議基礎上，通過PHY/MAC跨層設計聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡性能，充分利用信道資源，提高水聲通信網(wǎng)絡的綜合性能。
　?、扑曅诺朗怯绊懰曂ㄐ藕途W(wǎng)絡性能的一個重要因素，充分了解

4、水聲信道的特性有助于接收機的設計和頂層資源分配等。分析了國內(nèi)不同淺水水域的信道特性，主要從時域和頻域角度分析了幅度、時延、多普勒等因素的統(tǒng)計特性以及時間相關特性等，從而為水聲信道建模提供數(shù)據(jù)支持。提出了一種時變水聲信道建模方法，將信道衰落分為大尺度衰落和小尺度衰落，考慮了散射作用引入的隨機分量，同時將引起多普勒頻移的運動建模為穩(wěn)定運動分量和隨機運動分量，使信道模型更接近實際水聲信道。
　?、轻槍λ曅诺赖膹姸嗤緦?OFDM調(diào)制引入

5、的符號間干擾問題，提出了一種基于稀疏信道估計的時反 OFDM技術。根據(jù)水聲信道的稀疏特性，提出了兩種稀疏信道估計算法：匹配追蹤信道估計和基追蹤去噪信道估計，相比于傳統(tǒng)的信道估計方法，稀疏信道估計具有更高的估計精度。利用了時間反轉(zhuǎn)鏡技術的時間壓縮特性，將時間反轉(zhuǎn)鏡技術與 OFDM技術相結(jié)合，可以實現(xiàn)信道的壓縮，降低符號間干擾，減少導頻數(shù)量，提高通信速率。為了克服時反信道非最小相位特性引入的干擾，提出了加入循環(huán)后綴抑制符號間干擾的方法。針對

6、被動時間反轉(zhuǎn)處理引入的探測信號的干擾問題，采用了虛擬時間反轉(zhuǎn)信號處理方法消除干擾，同時采用了具有高估計精度的稀疏信道估計算法，可以進一步提高處理增益。
　?、柔槍λ曂ㄐ啪W(wǎng)絡中控制幀傳輸速率低、占用信道時間長的問題，提出了一種正交多載波 M元循環(huán)移位鍵控技術提高傳輸速率。該技術采用多載波調(diào)制，每個載波分別采用 M元擴頻調(diào)制和循環(huán)移位鍵控擴頻調(diào)制的方式，并提出了一種復合序列抑制載波間干擾算法改進系統(tǒng)性能。該方法具有擴頻調(diào)制抗多途和抗

7、衰減能力的同時，具有更高的頻帶利用率，從而可以有效的縮短水聲通信網(wǎng)絡中控制幀的長度，提高網(wǎng)絡有效數(shù)據(jù)的傳輸效率。
　?、舍槍λ曂ㄐ啪W(wǎng)絡吞吐量低的問題，提出了一種PHY/MAC跨層設計方案，兩層之間通過信息交互和共享，根據(jù)信道環(huán)境信息自適應調(diào)整調(diào)制方式和信道資源分配方案，可以充分的利用信道資源，提高網(wǎng)絡吞吐量，同時降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄说蕉藭r延。根據(jù)跨層設計的需要，提出了一種OFDM自適應調(diào)制編碼方案和改進的CSMA/CA協(xié)議，自適