基于叠加编码的多用户水声OFDM下行通信研究

摘要

通信带宽严重受限是提高水下网络数据传输速率的主要瓶颈之一，如何在有限带宽内提高物理层多用户通信频谱利用率是亟待解决的关键问题。功率域多址接入技术是非正交多址接入技术(Non-orthogonal multiple access，NOMA)中的一种，该技术在功率域进行下行多用户数据的叠加，并实现用户自身信息的区分，在通信速率方面相对于正交多址接入技术有较大的提升。
　　本文首先针对非正交多址入方式，对其整体信道容量的性能进行分析，并对比了正交多址接入方法，证明了非正交方式可以提升信道容量，由此引入叠加编码算法，并详细介绍了叠加编码的原理。该算法通过功率域信息实现下行各用户间的区分，由于各用户共享信道的时频自由度，叠加编码可为下行通信系统的通信速率带来较大增益。文章最后通过仿真得出正交方式与非正交方式下信道容量的差异，并在此基础上对叠加编码所涉及的功率因子分配问题进行了初步研究。由于功率因子的分配会直接对下行用户的解调效果产生影响，本文提出了一种基于下行用户平均信噪比的功率因子分配方法，并通过水声稀疏多径信道进行仿真，验证了该方法的有效性。
　　由于功率域叠加相当于在发射端人为引入信息间干扰，下行通信中各用户对于自身信息的正确区分显得更加重要。本文提出了符号级连续干扰消除以及码字级连续干扰消除接收算法，并针对水声稀疏多径信道下行两用户的通信场景，远端用户以及近端用户在不同接收算法下的误码率进行了仿真分析。在此基础上本文考虑了信道编码的选取对于叠加编码信道容量的影响，引入LDPC码，并与卷积码系统进行对比，验证了LDPC码的优越性。
　　本文最后在码字级接收算法的基础上，改进了叠加信号的检测方法，采取了利用先验信息的MMSE检测器，并结合准随机信道编码LDPC码，构成了该方式下的非迭代接收算法、迭代接收算法以及连续干扰消除接收算法，通过相同的水声信道仿真条件对各自误码性能进行分析比对，最终得出:MMSE迭代检测接收系统对于叠加编码解调性能有极大提高。最后，在稀疏多径水声信道下，对近端用户的下行通信系统进行接收解调仿真，验证了所提出的接收机算法的有效性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1选题依据及背景意义

1．2课题的国内外研究现状

1．2．1水声通信技术发展历史及现状

1．2．2水声多用户通信研究现状

1．2．3叠加编码研究现状

1．3研究内容以及论文的组织架构

第2章水声OFDM调制的叠加编码原理及功率分配

2．1多用户衰落信道下的遍历容量

2．1．1遍历容量区域建模

2．1．2正交接入方式

2．1．3非正交接入方式

2．1．4仿真分析

2．2 OFDM基本原理

2．3叠加编码原理

2．3．1多层调制的特点

2．3．2多层调制与多级编码

2．3．3叠加编码容量分析

2．3．4非随机信道编码的影响

2．4功率因子分配方法

2．5本章小结

第3章基于连续干扰消除的叠加编码水声OFDM接收设计

3．1基于叠加编码的水声OFDM调制

3．2 LDPC信道编译码原理

3．2．1随机码的概念

3．2．2 LDPC信道编码

3．3符号级连续干扰消除接收

3．4码字级连续干扰消除接收

3．5仿真分析

3．5．1功率分配性能影响分析

3．5．2符号级与码字级连续干扰消除对比分析

3．5．3基于卷积码和LDPC码的连续干扰消除对比分析

3．6本章小结

第4章基于MMSE迭代检测的叠加编码水声OFDM接收设计

4．1基于MMSE检测的叠加编码符号估计

4．1．1 MMSE符号检测算法

4．1．2外部似然比信息计算

4．2基于MMSE检测的非迭代接收系统

4．3基于MMSE检测的连续干扰消除接收系统

4．4基于MMSE检测的叠加编码迭代接收系统

4．5仿真分析

4．6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢