用于单载波频域均衡水声通信的可分近似稀疏信道估计

针对单载波频域均衡水声通信中信道估计易受噪声干扰的问题,提出了一种低复杂度的信道估计方法。考虑水声信道的时域稀疏特性,导出频域输入、输出信号与信道冲激响应的关系式,并引入稀疏正则项,构造稀疏信道估计的目标函数。然后利用可分近似对目标函数进行迭代优化,再经过稀疏化与去偏处理,得到信道传递函数的最终估计。最后,利用数值仿真和海试数据对所提出方法的性能和运算效率进行评估。较之传统信道估计方法,所提出的方法在估计精度和计算复杂度方面具有一定的优势。      

基于改进基追踪去噪的水声单载波频域均衡信道估计

针对低信噪比下单载波频域均衡信道估计精度低导致均衡效果差的问题,利用基追踪去噪方法估计稀疏信道有效抽头具有的稳定特性,提出了一种在平稳水声信道条件下单载波频域均衡系统中应用的改进基追踪去噪稀疏信道估计方法。方法利用延拓循环前缀作为导频进行多次信道估计,将估计结果累积平均,再采用门限判决提取有效抽头得到信道估计值,从而提高了稀疏信道的估计精度。通过合理选择循环前缀延拓次数,尽可能地降低导频长度对频带利用率的影响。仿真对比分析了改进基追踪去噪算法与匹配滤波、最小平方以及传统基追踪去噪信道估计算法的性能以及对单载波频域均衡系统误码率的影响。仿真实验结果表明,改进基追踪去噪信道估计算法具有更优的估计精度,在单载波频域均衡系统中可以提高约3 dB的接收信噪比增益。     

基于扩频码的单载波迭代频域均衡水声通信

单载波时域均衡在长时延扩展水声信道中计算量大,并对接收机参数的选择较为敏感,可靠性低,而正交频分复用信号峰均功率比高、对频率偏移敏感. 针对这些问题,提出基于扩频码的单载波块传输高速率水声通信方法和基于T/4分数间隔迭代频域均衡的接收机算法. 该接收机利用已知扩频码进行信道估计以及对由多普勒偏移引起的旋转相位进行估计,并通过一种低复杂度迭代频域均衡算法改善系统性能. 开展了湖上实验研究,结果表明在浅水1.8 km距离且复杂多径干扰条件下,利用BPSK/QPSK调制可实现10^-2–10^-4的误码率并达到1500–3000 bit/s的有效数据率. 关键词： 水声通信 单载波 频域均衡 迭代处理     

稀疏贝叶斯学习水声信道估计与脉冲噪声抑制方法

水声信道具有显著的稀疏特性,利用稀疏贝叶斯学习(SBL)算法能够实现稀疏水声信道的有效估计。针对SBL计算复杂度较高的问题,将广义近似消息传递-稀疏贝叶斯学习(GAMP-SBL)引入水声信道估计。该方法在SBL的框架下结合GAMP以消息传递的方式计算信道冲激响应,能够有效降低SBL的计算复杂度。针对假设背景噪声服从高斯分布的信道估计方法在脉冲噪声环境下性能下降问题,提出了基于GAMP-SBL的脉冲噪声抑制水声信道估计方法:首先利用脉冲噪声时域稀疏特性,采用GAMP-SBL估计脉冲噪声并进行抑制,然后再次利用GAMP-SBL实现水声信道估计.基于第九次北极科考冰下脉冲噪声的两次仿真结果表明,所提出的方法在归一化均方误差上相对于未进行脉冲噪声抑制的GAMP-SBL最大分别降低了18.71%,6.61%,在信道解码前误码率上最大分别降低了1.66%,4.05%,并且相对于Clipping方法更加稳健。在信噪比为20 dB时,误码率可低于10-2。      

稀疏信道条件下正交多载波扩频水声通信无导频信道估计算法

提出了一种无导频信道估计算法,该算法首先利用水声信道的稀疏特性对扩频信号进行识别,再利用扩频信号识别结果对水声信道响应进行判决反馈估计,从而实现对稀疏水声信道响应的可靠重建。仿真和湖上试验结果证实:无导频信道估计算法可以在不降低通信质量的前提下,实现对水声通信信号的稳健均衡,提升水声通信速率。      

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。     

变步长似p范数约束稀疏水声信道估计方法

针对范数约束类归一化最小均方(NLMS)算法在正交频分复用(OFDM)稀疏水声信道估计中误码率较高的问题,提出一种改进的变步长似p范数约束信道估计方法。采用改进双Logistic函数构造步长,并将误差信号自相关函数引入其中,实时调整步长和零吸引项,使得收敛速度和估计精度能够很好地折中。算法仿真结果表明,在浅海多径稀疏水声信道下,相比于传统方法,所提出的信道估计获得的最高性能提升为收敛速度提高72.3%,稳态误差降低95.9%。湖上试验数据处理结果显示,相比于传统信道估计方法,所提出的方法能使通信误码率降低2~3个数量级,实现零误码水声通信。      

偏振复用CO-OFDM-OQAM系统的高频谱效率频域信道估计方法

研究对象是偏移正交幅度调制的相干光正交频分复用通信（CO-OFDM-OQAM）系统的信道估计方法。为了减少训练序列所占用的频谱资源,进一步提升频谱效率,为偏振复用CO-OFDM-OQAM系统提出了一种新的频域信道估计方法。该方法利用偏振复用系统的解调原理和固有虚部干扰系数的对称性规律设计全负载型实值导频方案,结合插值法,将每个偏振态上训练序列需要占用的频域符号个数降低为4。此外,该方法的另一个优势是具有更好的功率峰均比。搭建了偏振复用CO-OFDM-OQAM系统的数值仿真平台,在背靠背（BtB）、100 km和200 km光纤传输3种场景下对所提方法的频谱效率、功率峰均比和信道估计性能进行了验证。获得的结果证实所提方法能够提高频谱效率,而且功率峰均比更加优良。     

IMDD-OFDM系统的低开支、高准确度信道估计方法

提出一种应用于强度调制直接检测光正交频分复用(IMDD-OFDM)传输系统的低开支、高准确度的信道估计算法.该算法充分考虑系统噪声特性,利用梳状导频插入结构,结合符号间平均与子载波间频域线性插值的思想,在低开支导频条件下实现较高的估计准确度.仿真和理论推导结果表明:与传统平均算法和直接线性插值算法相比,基于梳状导频先平均后线性插值的算法估计出来的信道特性更能接近实际信道的.实验结果表明:在误码率为3.8×10~(-3)处,本文所提出的算法仅使用0.78%导频开支即可与使用20%导频开支的平均算法获得相同的接收灵敏度;同时,与传统估计算法相比,该算法与导频开支无关,能较好抗系统中的高斯噪声,获得与真实信道较为接近的估计性能.     

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。     

水声正交频分多址上行通信稀疏信道估计与导频优化

针对水声正交频分多址(OFDMA)上行通信中用户导频数量少、分布不均匀, 导致传统内插信道估计方法产生误码平层的问题, 提出一种稀疏信道估计与导频优化方法. 基于压缩感知(CS)理论估计稀疏信道冲激响应, 并依据CS理论中测量矩阵互相关最小化原理, 提出基于随机搜索的导频图案和导频功率联合优化算法. 仿真结果表明, 所提方法在不同多径扩展信道下的性能均优于基于线性内插的最小二乘估计、未经导频优化的CS信道估计以及单纯基于导频图案优化的CS信道估计. 水池实验分别验证了交织式和广义式子载波分配的水声OFDMA上行通信性能, 在接收信噪比高于10 dB时利用所提方法实现了两用户接入的可靠通信.     

Bandwidth-efficient frequency-domain equalization for single carrier multiple-input multiple-output underwater acoustic communications

This paper proposes a single carrier (SC) receiver scheme with bandwidth-efficient frequency-domain equalization (FDE) for underwater acoustic (UWA) communications employing multiple transducers and multiple hydrophones. Different from the FDE methods that perform FDE on a whole data block, the proposed algorithm implements an overlapped-window FDE by partitioning a large block into small subblocks. A decision-directed channel estimation scheme is incorporated with the overlapped-window FDE to track channel variations and improve the error performance. The proposed algorithm significantly increases the length of each block and keeps the same number of training symbols per block, hence achieving better data efficiency without performance degradation. The proposed scheme is tested by the undersea data collected in the Rescheduled Acoustic Communications Experiment (RACE) in March 2008. Without coding, the 2-by-12 MIMO overlapped-window FDE reduces the average bit error rate (BER) over traditional SC-FDE schemes by 74.4% and 84.6% for the 400 m and 1000 m range systems, respectively, at the same data efficiency. If the same BER performance is required, the proposed algorithm has only 8.4% transmission overhead, comparing to over 20% overhead in other existing UWA OFDM and SC-FDE systems. The improved data efficiency and/or error performance of the proposed FDE scheme is achieved by slightly increased computational complexity over traditional SC-FDE schemes.     

Adaptive and efficient nonlinear channel equalization for underwater acoustic communication

We investigate underwater acoustic (UWA) channel equalization and introduce hierarchical and adaptive nonlinear (piecewise linear) channel equalization algorithms that are highly efficient and provide significantly improved bit error rate (BER) performance. Due to the high complexity of conventional nonlinear equalizers and poor performance of linear ones, to equalize highly difficult underwater acoustic channels, we employ piecewise linear equalizers. However, in order to achieve the performance of the best piecewise linear model, we use a tree structure to hierarchically partition the space of the received signal. Furthermore, the equalization algorithm should be completely adaptive, since due to the highly non-stationary nature of the underwater medium, the optimal mean squared error (MSE) equalizer as well as the best piecewise linear equalizer changes in time. To this end, we introduce an adaptive piecewise linear equalization algorithm that not only adapts the linear equalizer at each region but also learns the complete hierarchical structure with a computational complexity only polynomial in the number of nodes of the tree. Furthermore, our algorithm is constructed to directly minimize the final squared error without introducing any ad-hoc parameters. We demonstrate the performance of our algorithms through highly realistic experiments performed on practical field data as well as accurately simulated underwater acoustic channels.     

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。      

Frequency-domain channel estimation and equalization for shallow-water acoustic communications

A new frequency-domain channel estimation and equalization (FDE) scheme, combined with a new group-wise phase correction scheme, is proposed for single-carrier (SC) underwater acoustic communications systems employing single transducer and multiple hydrophones. The proposed SC-FDE scheme employs a 2N-point Fast Fourier Transform (FFT) to estimate and equalize the channel in frequency domain, where N is the number of symbols in a data block. Both the frequency-domain channel estimation and equalization are designed by the linear minimum mean square error criterion. Initial channel estimation is performed by a pilot signal block and later updates are achieved using the detected data blocks. The proposed phase correction scheme utilizes a few pilot symbols in each data block to estimate the initial phase shift and then correct it for the block to combat the large phase rotation due to the instantaneous Doppler drifts in the acoustic channels. Time-varying instantaneous phase drifts are re-estimated and compensated adaptively by averaging the phase variation across a group of symbols. The proposed SC-FDE and phase correction method is applied to the AUVFest’07 experimental data measured off the coast of Panama City, Florida, USA, June 2007. With the Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) modulation and a symbol rate of 4 ksps, the proposed scheme achieves an average uncoded bit error rate on the order of 1×10^?4 for fixed-to-fixed channels with the source–receiver range of 5.06 km. For the moving-to-fixed source–receiver channels where the source–receiver range is 1–3 km, the multipath delay spread is 5 ms, the average Doppler shifts are ±20 Hz, and the maximum instantaneous Doppler drifts from the mean is ±4 Hz, the proposed scheme achieves an average uncoded bit error rate on the order of 1×10^?3.     

多波束分集深海远程正交频分复用水声通信

针对深海远程信道传播衰减大、多途扩展严重的问题,提出一种单输入多输出（SIMO）模型下的水声正交频分复用（OFDM）多波束空间分集均衡方法。建立了深海远程信道下SIMO-OFDM接收信号模型,对宽带波束形成处理后的多个到达角度的波束输出进行独立的多普勒补偿和稀疏信道估计,最后基于最大比合并实现多波束均衡。相对于远程通信中常用的单波束处理方法,所提方法可获得额外的不同到达角度的多径分集增益;且基于阵列波束形成处理可明显提升各个波束输出信噪比,避免了单阵元信噪比过低导致的信道估计误差增大的问题。所提方法的计算复杂度大于单波束均衡,但低于多阵元最大比合并均衡。基于BELLHOP的数值仿真和中国南海实验结果表明,所提方法的误码率性能明显优于单波束均衡和最大比合并均衡,且在100 km的距离上实现了通信速率199 bps的无误码通信。      

OFDM水声通信CS限幅失真补偿与LS信道估计优化算法*

正交频分复用技术应用于水声通信系统时,会引起较高的峰均比,当采用限幅法对峰均比进行抑制时,会产生非线性失真。另外,系统采用最小二乘法进行信道估计受噪声的影响较大。针对以上问题,提出了一种基于压缩感知技术的补偿限幅非线性失真与最小二乘信道估计相组合的新算法,在接收端利用导频数据采用压缩感知算法对限幅失真进行补偿,同时对最小二乘信道估计进行优化运算,以减小噪声对其影响。理论分析和仿真结果均表明,新算法不但能够有效抑制限幅法造成的系统非线性失真问题,而且能够降低高斯白噪声对于信道估计的影响。