水声通信中基于信道辨识的盲turbo均衡方法

水声信道多途效应明显,造成接收信号存在严重的码间干扰(ISI,Intersymbol interference)。基于最小均方误差(MMSE,Minimum mean square error)准则的turbo均衡器级联了均衡和信道译码,能够有效去除ISI,并获得优良的性能。由于水声信道的时变性,传统MMSE-turbo均衡需要周期性的训练序列,以实现连续可靠的通信。训练序列虽然提高了通信的可靠性,但降低了信息的有效传输速率。因此,为提高通信效率,本文提出了一种盲turbo均衡方法,该方法通过引入新的盲信道辨识器来同时获得信道估计响应和已去除部分ISI的初步均衡输出信号,并为turbo均衡提供初始的响应参数和比特软信息。与水声通信中应用较多的盲判决反馈均衡器(DFE,Decision feedback equalizer)相比,海上实验结果证明本文提出的盲turbo均衡方法抗信道多途衰落的能力较强,并且与传统MMSE-turbo均衡相比无需训练序列,因此提高了信息的有效传输速率。     

Experimental assessment of a multicarrier underwater acoustic communication system

This paper presents a multicarrier communication system which transmits information on independent subcarriers to achieve an increased data rate. For this system, a passive-phase conjugation (PPC) based receiver structure is assessed by processing data collected in sea trials. Based on temporal diversity (pulse compression) exploited by PPC processing, an adaptive multichannel decision feedback equalizer is used to remove intersymbol interference, where spatial diversity is exploited by adaptive multichannel combination. The digital phase-locked loop (DPLL) technique is implemented for carrier-phase tracking. In the scenario of low input signal-to-noise ratios (SNRs), the receiver structure achieved superior performance using a common DPLL. In a depth-fluctuated environment, two sea experiments were conducted over ranges of 2 km and 4 km, respectively, and this communication system was assessed with a data rate of 4 kbps. In terms of mean square error, output SNR and bit error rate, this receiver structure has demonstrated its performance for the multicarrier communication system.     

水声通信近似L0范数约束的BP网络均衡器*

针对稀疏水声信道的长时延扩展及梯度下降的权值迭代方案导致的神经网络均衡器收敛速度慢的问题,提出了近似L₀范数约束的BP神经网络均衡器。首先在传统BP网络均衡器基础上增加判决反馈项,然后在代价函数中对均衡器输入层到隐含层的权值增加L₀范数约束,构造新的代价函数,利用高斯族函数近似L₀范数约束,并根据不同隐层神经元节点输出权值的L₂范数设定近似参数。仿真结果表明,稀疏信道条件下,本方法相比传统的BP网络均衡器收敛速度更快,误码率更低,可以有效提升神经网络均衡器的性能。     

水声通信加权反馈双向Turb均衡器

为了提升自适应双向Turbo均衡器的收敛速度及降低误比特率,提出了采用加权反馈的双向Turbo均衡算法。首先在单个均衡器反馈输入中采用后验均值与先验均值混合的反馈方案,有效提升一轮迭代中均衡器输出的准确性;其次通过后验均值与先验均值的加权合并作为另一均衡器反馈的非因果项输入,在提升反馈输入准确性的同时提升了数据的利用率;最后在权值迭代中采用优化的比例归一化最小均方算法,提升训练阶段均衡器收敛速度。千岛湖试验中,在同样3.75 kbps通信速率的情况下,该方法误比特率仅为传统双向Turbo均衡器的1/3。仿真和试验数据表明,均衡器要达到同样的误比特率,本方法所需迭代轮数更少,在时变信道中系统稳定性更好,误比特率更低,提升了水声通信效率。     

单载波频域均衡中的水声信道频域响应与噪声估计

本文对单载波频域均衡(SC-FDE)中的信道和噪声估计进行研究,理论分析了形成误码率平台的可能原因,提出了基于Chu序列的联合信道时频域响应和噪声功率估计算法.利用水声信道响应的稀疏特性和门限确定信道能量集中区域,进行信道估计的去噪处理和噪声功率计算.借助于水声射线模型对所提出的算法进行了仿真,分析了噪声估计对SC-FDE性能的重要影响.仿真结果表明,所提出的信道和噪声估计算法可以有效减缓或消除SC-FDE中的误码率平台.     

An efficient spread spectrum pulse position modulation scheme for point-to-point underwater acoustic communication

The underwater acoustic channel is a complicated and time-varying multipath channel, and many equalization algorithms have been researched and developed to overcome the difficulties for underwater acoustic communication. Unfortunately, many algorithms are computational intensive and prone to lose convergence due to their sensitiveness to different channel configurations. In this paper, a pulse position modulation (PPM) scheme is proposed, and it uses two M-sequences of low cross-correlation to transfer information, which are modulated on two orthogonal carriers. One is used as a reference sequence, and the other is shifted relative to the reference. Information is carried by the starting time difference between the two sequences in each symbol. Comparing with conventional direct-sequence spread spectrum technique, the proposed scheme is more spectral efficient. Two receiver designs are given, one takes advantages of M-sequences’ auto-correlation properties, and the other is motivated by passive phase conjugation (PPC) to take advantages of the channel. Combined with M-sequence, PPC performance is augmented without a receiving array to cover the water column, and it is far less complex than adaptive equalizers for receivers. Results from lake field trials are analyzed, and they verify potential applications of this PPM scheme.     

水声通信实验信道仿真研究

水声信道的时变多途特性对其中通信信号传输构成严重影响，为了分析评估现实实验信道条件下水声通信系统的性能，给出了一种基于实验测量的水声信道仿真方法。此方法通过发射线性调频脉冲以检测信道多径结构，同时分别采用自回归模型与多普勒时间压扩来仿真信道中各路径的时变幅度与时变延迟。通过一个具体的直接序列扩频水声通信系统，表明在仿真与实验信道条件下系统性能具有较好的一致性。     

基于水声传感器网络的多路径协同多跳通信研究

针对水声网络高误码、大时延的特点,借鉴提出了一种多路径协同多跳通信协议,该协议通过多路径、多节点的协同多跳中继通信以及冗余判决,来完成网络中端对端的远程数据传输。通过数值仿真试验分析表明:与普通的点对点直接通信和单路径多跳中继通信方式相比,此协议具有低误码、高能效的特点(距离与能量相同时,误码率低一至两数量级;限定误码率时,每比特能耗降低一个数量级),能够减少数据重发几率,提高网络的通信效率和工作寿命,特别适于水声传感器网络应用。     

深海远程正交频分复用水声通信块间迭代稀疏信道估计方法

在深海远程正交频分复用(OFDM)水声通信中,信道时延长、频率选择性衰落严重,传统的块独立压缩感知稀疏估计需要较高导频插入密度才能保证一定的估计性能,通信频谱利用率较低。提出了一种基于信道稀疏时变建模的块间迭代信道估计方法,利用深海信道在两个相邻OFDM数据块之间的时间相关性建立块间信道稀疏多途结构的时变关系,在此基础上,对传统稀疏信道估计算法中的候选字典矩阵的字典原子进行删减并改进优化方程,实现了对前一数据块所估信道信息的有效利用,显著降低了信道估计所需的导频插入密度。在深海不同接收深度、不同距离条件下开展了海试验证,实验结果表明,与传统稀疏信道估计方法相比,本方法在导频插入密度减半的条件下可达到优于传统方法的估计性能。     

正交频分复用在水声通信中频率同步的研究

正交频分复用（OFDM）通信系统对频率偏移比较敏感，容易导致系统性能急剧下降。水声通信中存在着严重的多普勒频率偏移，限制了OFDM技术在水下的应用。本文仿真分析了频率偏移对OFDM系统的性能影响，提出了一种适用于水声通信的频率同步方法。本方法不仅可以对固定的频率偏移进行估计，也可以对连续变化的频率偏移进行估计。仿真表明，本方法具有较高的频偏估计精度和大的频偏估计范围。湖试结果也表明，采用这种方法可有效地进行频偏估计。     

隐蔽通信中基于水声信道的密钥生成技术*

水声传感器网络实现了高度智能化、自主性强、分布式、全天候的水下信息采集、传输、处理及融合,是水下目标的监测、定位、跟踪与分类等应用的最佳选择之一。针对隐蔽传输中的加密,提出了基于水声信道响应特征产生密钥的方法,通过利用水声信道的短时相关性,通信双方实时的产生加密密钥,以保证信息的保密性能。通过将信息隐藏技术和密钥生成技术相结合,确保水声信息的隐蔽传输。仿真与试验结果表明,基于提出的密钥生成方法能够生成匹配密钥,为水声隐蔽通信提供加密支持。     

近程高速水声毫米波通信仿真与试验验证*

水声信道的严重双扩特性极大地限制了水声高速通信的稳健性。针对近程高速水声通信技术的需求,该文基于水声毫米波频段,提出了一种基于超奈奎斯特发射技术及高阶调制技术的单载波的水声毫米波通信技术。而超奈奎斯特发射技术以及高阶调制给接收机带来了极大的挑战:一是超奈奎斯特发射技术引入了严重的符号间干扰,二是高阶调制系统的符号检测对信道估计的精度要求很高。针对以上问题,该文提出了一种基于迭代信道估计技术的迭代软反馈DFE接收机技术。仿真实验表明:采用128QAM高阶调制时,在较为严重的多途衰落信道条件下,采用所提出的接收机可以在15 dB时实现无误码传输。信道水池试验证明:当通信带宽为300 kHz,通信符号率为300k符号/秒且采用64QAM调制时,在发射平台慢速运动的条件下可以实现900 kbps的净数据率,其相应的频谱利用率高达6 Bits/s/Hz。     

UMFSK水声通信技术研究

在MFSK基础上,本文提出了UMFSK信道编码方法。采用窄带调频和跳频调制技术,故在一定程度上抑制了由多途效应引起的码内/码间干扰;提出了基于UMFSK的实时信道标校技术,可对信道进行稳键均衡,抗信道多途引起的码内干扰。进行了湖试,取得了试验数据并进行了数据分析。分析表明：UMFSK可抑制码元相消干涉引起的码内干扰,其效果随码元调频带宽的增大而变好;信道标校技术可对信道进行稳键均衡,并由于结构简单,可做到实时实现。基于UMFSK的误码率为10^-3（通信带宽2kHz,速率100-150bps)。     

接近非相干水声通信信道容量的信号处理算法

恶劣情况下的非相干水声通信信道模型为随机相位Rayleigh衰落,推导了该模型的信道容量曲线。为实现接近非相干信道容量的可靠通信,提出多进制低密度校验码(LDPC)和恒重码级联码的多进制非相干概率域迭代处理算法。在信道幅度和相位完全未知的情况下,根据矩估计得到信号和噪声频点幅度的统计参量,进而得到恒重码的码字后验概率,再对多进制LDPC码进行因子图迭代译码。仿真证明本算法与现有的最大能量检测非迭代译码算法相比,与信道容量曲线的差距从4.5dB缩小至1.5dB。给出了实际海试湖试通信效果,频段为6~10kHz,数据速率为357bps,海试时近似垂直通信距离为5km,湖试时水平通信距离近3km、多径超过50mS,两种情况下无差错通信的信噪比门限为2dB,验证了本算法的优势。     

水声通信低复杂度最大似然联合均衡译码方法

现有Turbo均衡采用迭代联合均衡译码结构,这一迭代过程在信噪比高于某一门限后才能产生正向的迭代增益,当信道码间干扰较为严重或者采用高阶调制方式时,该信噪比门限较高;同时,现有Turbo均衡的性能还受限于其交织器长度,故当码块长度较短时,其性能并不理想。针对以上问题,提出了一种基于Spinal码的联合均衡译码方法。首先,该方法采用非迭代的最大似然联合均衡译码结构,有效避免了Turbo均衡迭代结构所带来的信噪比门限高问题;其次,该方法采用信息混合能力更强的Spinal码,有助于提高码块长度受限时的误码率性能;最后,该方法利用Spinal码可以有效增加相似信息序列间汉明距离的特点,将联合均衡译码时间复杂度降低为仅随信息序列长度与信道响应长度呈线性增长,解决了本方法难以实际应用于实时水声通信的难题。在抚仙湖湖试中,同样实现速率为3.34kbps数据通信,该方法的误码率优于Turbo均衡方法两个数量级以上。时变水声信道下的仿真以及湖试结果表明,该方法在码长受限的情况下仍在复杂水声信道中表现出更好性能,其所需的最低输入信噪比显著低于现有Turbo均衡方法。     

Channel temporal correlation-based optimization method for imperfect underwater acoustic channel state information

The rapid time variations and large channel estimation errors in underwater acoustic (UWA) channels mean that transmitters for adaptive resource allocation quickly become outdated and provide inaccurate channel state information (CSI). This results in poor resource allocation efficiency. To address this issue, this paper proposes an optimization approach for imperfect CSI based on a Gauss–Markov model and the per-subcarrier channel temporal correlation (PSCTC) factor. The proposed scheme is applicable to downlink UWA orthogonal frequency division multiple access systems. The proposed PSCTC factors are measured, and their long-term stability is verified using data recorded in real-world sea tests. Simulation and experimental results show that the optimized CSI effectively mitigates the effects of the temporal variability of UWA channels. It demonstrates that the resource allocation scheme using optimized CSI achieves a higher effective throughput and a lower bit error rate than both imperfect CSI and the CSI predicted by the recursive least-squares (RLS) algorithm.     

改进频域均衡算法的水声CDMA通信

针对时域均衡和传统频域均衡复杂度高的特点,本文基于水声信道的特殊性,对于码分多址(CDMA)水声扩频技术,提出改进的频域均衡算法,大大的减少了计算量和寄存器使用的数量,从而简化了硬件复杂度。本文定量的分析了传统的、简化的和改进的频域均衡算法的计算量和寄存器使用数量,并进行了湖试验证了改进频域均衡算法的性能。     

水声信道线性均衡的研究

本文在对LMS和稀疏权自适应均衡算法进行分析的基础上，将其引入到水声数据传输中，利用LMS算法对时不变信道和慢变信道进行了仿真实验；利用稀疏权自适应均衡算法对深海信道进行了仿真实验，并获得了仿真结果。     

最优路径搜索压缩感知水声通信信道估计

将信号恢复中最优路径搜索的A*正交匹配追踪(A*Orthogonal Matching Pursuit,A*OMP)伪贪婪算法引入到水声通信信道估计中,可以有效改善正交匹配追踪(OMP)算法容易陷入局部最优的问题,并提出了一种改进型的A*OMP水声信道估计算法。改进了路径初始化方式,同时为了避免过多迭代引起的未知误差,将前后两次迭代残差之差作为停止准则。在正交频分复用(OFDM)通信体制下,对OMP、A*OMP和本文改进方法的估计误差和误比特率进行了仿真对比,随着信噪比的增加,改进方法未出现误差平台,且受导频间隔影响较小。仿真结果表明相对于OMP算法和传统A*OMP算法,在高信噪比下改进方法的估计误差分别降低约2和1个数量级,海试数据结果验证了改进方法的可行性,其误比特率分别平均降低42.0%和4.7%。     

混沌通信系统中非线性信道的自适应神经Legendre正交多项式均衡

针对混沌通信系统中非线性信道干扰问题，基于混沌信号重构理论和Legendre正交多项式结构，提出了一种自适应神经Legendre正交多项式信道均衡器，并给出相应的归一化最小均方算法. 仿真研究表明：所提出的自适应神经Legendre正交多项式信道均衡器能有效地消除线性和非线性信道干扰，均衡器输出信号能反映出混沌信号的特性，具有良好的抗干扰性能.该均衡器的结构简单，权系数参数较少，收敛稳定性较好. 关键词： Legendre 正交多项式 信道均衡 混沌吸引子 神经网络