多输入多输出被动时反水声通信技术研究

摘要

近年来，人们在浅水领域从事的海洋活动日益增多，愈来愈关注和重视水声通信技术，对水声通信的速率和性能提出了更高的要求。多输入多输出(Multiple-input multiple-output, MIMO)技术可以利用浅水环境中不同收发阵元间水声信道的空间弱相关性来取获取丰富的空间自由度，因此可以提高水声通信的速率和通信性能。时反技术(Time reversal, TR)计算复杂度低，并且其具有的良好的空时聚焦特性可以降低浅水信道的多途效应所导致的码间干扰(Inter-symbol interference, ISI)以及空间相关性所导致的同道干扰(Co-channel interference, CCI)，因此可以使通信系统以较低的复杂度获得良好的通信性能。按空时聚焦实现过程的不同，TR技术分为主动时反(Active time reversal, ATR)和被动时反(Passive time reversal, PTR)。与ATR相比，PTR的实现过程中探测信号与信息信号之间的时间间隔更短，更能保证估计的信道和实际传输信道的一致性，因此PTR更适用于实际的浅水环境。面对高速、高性能水声通信的需求，对 MIMO-PTR水声通信技术进行研究具有重要的理论和实际意义。本文基于 MIMO-PTR水声通信的研究现状和发展趋势，并结合MIMO技术和PTR技术的特点，重点对MIMO-PTR水声通信中PTR处理后残余的ISI和CCI抑制方法进行了详细的研究。通过理论推导、仿真分析和试验验证来证明所研究方法的有效性。论文主要围绕以下几个方面展开研究。
　　1、研究水声通信中PTR的干扰抑制性能。
　　PTR的空时聚焦性能可以压缩水声信道的多途效应，降低不同发射阵元所发射的信息信号对应的传输信道的空间相关性，进而达到降低ISI和CCI并且提高通信性能效果。PTR的干扰抑制性能直接决定了残余的ISI和CCI多少，进而决定了用于后处理的其他技术的复杂度。现有的PTR水声通信的研究主要分为两个方面：单输入多输出(Single-input multiple-output, SIMO) PTR水声通信和同时利用空间分集和空分复用的MIMO-PTR水声通信。因此，基于PTR水声通信的研究现状，对PTR的干扰抑制性能进行分析。首先通过理论推导，得出衡量 PTR的干扰抑制性能的技术指标——信号干扰噪声比的一般表达式，然后基于射线声学理论和信道的几何结构建立了浅海信道模型，并以此为基础分析了接收阵元数、发射阵元数以及符号信噪比等因素对 PTR的干扰抑制性能的影响。结果表明，无论是在SIMO-PTR水声通信还是同时利用空间分集和空分复用的MIMO-PTR水声通信中，PTR处理后都会存在残余的干扰。此时，要进一步提高通信性能，需要使用自适应均衡以及自适应干扰抵消等技术进行后处理。
　　2、研究基于时反空时分组编码(Time-reversal space-time block coding, TR-STBC)的MIMO-PTR水声通信方法。
　　PTR水声通信中，PTR的干扰抑制性能与空间分集增益有关。当接收阵元数较少时，现有的SIMO-PTR水声通信方法仅通过接收分集，获得的空间分集增益低，因此 PTR的抑制性能较差并且 PTR后处理的自适应均衡的复杂度较高。为了利用发射分集进一步提高PTR的干扰抑制性能，论文提出了基于TR-STBC的MIMO-PTR水声通信方法。所提方法基于适用于频率选择性信道的2元发射的TR-STBC方案的原理以及适用于任何发射阵元的1/2码率的STBC方案的原理，设计了适用于任何发射阵元的1/2码率的TR-STBC方案，并将该TR-STBC方案与PTR相结合应用于水声通信中。论文分析了所提方法的原理，并对所提方法的有效性进行了仿真分析和试验验证。结果表明，所提方法额外利用发射分集提高了PTR的干扰抑制性能，因此与SIMO-PTR水声通信方法相比，所提方法后处理所用的自适应均衡的复杂度更低并且PTR处理后的性能更优。
　　3、研究连续ISI和CCI抵消的MIMO-PTR水声通信方法
　　同时利用空间分集和空分复用的MIMO-PTR水声通信虽然可以通过PTR的空时聚焦有效地抑制水声通信中的ISI和CCI，但是PTR处理后的信号中仍然存在残余的ISI和CCI，这会影响通信的性能。为了以更低的运算复杂度抑制PTR处理后残余的ISI和CCI，基于连续干扰抵消(Successive interference cancellation, SIC)技术的设计原理和PTR处理后的组合信道响应的特点，提出了连续ISI和CCI抵消的MIMO-PTR水声通信方法。首先分析了所提方法的原理，然后利用信道水池和吉林省松花湖试验获得的试验数据，对所提方法在实际水下环境中的有效性进行了验证。理论分析和试验结果表明，所提方法可以有效抑制 PTR处理后的残余干扰，因此与未使用任何技术进行后处理的MIMO-PTR水声通信相比，所提方法的通信性能更优；与现有的基于SIC的MIMO-PTR水声通信方法相比，在通信性能相近的情况下，所提方法的运算复杂度更低。
　　4、研究滤波多音(Filtered multitone, FMT)调制的MIMO-PTR水声通信方法。
　　当通信带宽较宽时，同时利用空间分集和空分复用的MIMO-PTR水声通信若使用单载波调制(Single-carrier, SC)技术，则 PTR处理后的残余干扰影响的码元范围会比较大，这会导致 PTR处理后的性能较差并且后处理所用的干扰抑制技术较为复杂。针对这一问题，基于FMT技术的特点，提出了FMT调制的MIMO-PTR水声通信方法。所提方法利用 FMT技术将通信频带划分成频带较宽互不重叠的若干子载波，相邻子载波间并不设置保护频带，并将信息码元经过串并转换后调制到不同的子载波上进行传输。阐述了所提方法的原理，并设计了相应的试验对所提方法的有效性进行了验证。理论分析和试验结果表明，由于所提方法利用FMT技术降低了PTR处理后残余干扰影响的码元范围，因此与现有的SC调制的MIMO-PTR水声通信方法相比，所提方法的信道估计、PTR处理以及干扰抑制的运算复杂更低，并且通信性能更优。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 浅水信道的特性

1.3相关技术的研究现状

1.4 MIMO-TR水声通信的研究现状

1.5 论文思路和研究内容

1.6 章节安排

第2章 水声通信中PTR的干扰抑制性能

2.1 引言

2.2 理论分析

2.3 浅水信道模型

2.4 仿真分析

2.5 本章小结

第3章 基于TR-STBC的MIMO-PTR水声通信

3.1 引言

3.2 基于TR-STBC的MIMO-PTR水声通信的原理

3.3 PTR的干扰抑制性能

3.4 水池试验验证

3.5 本章小结

第4章 连续ISI和CCI抵消的MIMO-PTR水声通信

4.1 引言

4.2 连续ISI和CCI抵消的MIMO-PTR水声通信的原理

4.3 水池试验

4.4 松花湖试验

4.5 本章小结

第5章 FMT调制的MIMO-PTR水声通信

5.1 引言

5.2 FMT调制的MIMO-PTR水声通信的原理

5.3 水池试验

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录 英文缩略语说明表