面向中继的水声通信系统资源分配方案研究

摘要

随着科技的发展，通信技术已经广泛应用于人类生活的方方面面。尽管陆上无线通信技术领域已经趋于成熟，但是水下通信领域却隐藏着巨大的潜力。地球表面近71％是海洋，蕴藏着大量的可利用资源，是全人类共同的财富，水声通信则是发掘海洋资源的重要工具之一。因此，对于水声通信技术及优化方案的研究具有很大发展空间。本文的主要工作和创新点总结如下:
　　首先详细阐述了水声通信的关键技术，包括声波基础知识，水声信道的特点与模型，尤其关注浅海水声信道，OFDM技术的概要，中继协作通信的概念与分类，重点介绍了放大转发与解码转发两种中继方案，为后面章节的研究奠定了基础。
　　其次，本文采用跨层设计的思想，提出了一种基于ARQ反馈中继协作水声通信下行链路的资源分配方案。本方案利用目标端的反馈信息ACK/NAK(正确译码/错误译码)，在给定目标的误包率、无法获取信源端信道的状态信息、相对复杂的水下环境以及中继会放大转发前路噪声的情况下，可以实现目标用户的调度和速率的分配。仿真结果显示，与传统的方案相比，利用所提出的方案可以在相对复杂度较小的基础上实现较低的误比特率，提升了系统整体性能。
　　第三，本文采用解码转发协议，研究了基于信道预测的DF中继水声通信系统功率分配方案，优化目标为系统容量最大化。由于快速的时变水声信道和长传播时延会导致信道状态信息不及时，致使性能下降。为了解决这个问题，在信号传播期间采用了信道预测来补偿信道变化，即利用最小二乘自适应滤波器(RLS)来预测即将到来的信道冲激响应。与不采用信道预测方案的仿真结果对比，证实了信道预测的重要性，可以显著提高水声通信系统的可靠性。
　　最后，本文研究了基于信道预测且加入直达径的水声通信系统功率分配方案，并且将中继协作变为放大转发方式，优化目标也转换为中断概率最小化，结合信道预测，进一步推导有分集合并方式下信源节点与中继节点的最优功率分配方案，由于加入直达径变得更为复杂，为了便于分析，将之前使用的RLS算法更改为最小均方算法(LMS)，降低复杂度，在一定条件下性能更加稳定，并且将中继协作水声通信资源分配变得更具有广泛应用性。

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摘要

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缩略词与数学符号

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 水声通信的研究现状

1．3 水声通信系统关键技术

1．3．1 水声通信系统简介

1．3．2 水声通信网

1．4 文章内容及安排

第二章 面向中继水声通信系统介绍

2．1 声学基本知识

2．1．1 声波基础

2．1．2 声波收发器简介

2．2 水声信道

2．2．1 信道简介

2．2．2 水声信道特点

2．2．3 浅海水声信道模型

2．3 OFDM技术简介

2．4 中继协作通信技术简介

2．4．1 协作通信综述及分类

2．4．2 放大转发中继

2．4．3 解码转发中继

2．5 本章总结

第三章 基于ARQ水声中继系统用户调度方案

3．1 引言

3．2 系统模型

3．3 问题描述

3．4 水声通信系统跨层优化设计

3．4．1 优化设计

3．4．2 理论性能

3．5 仿真结果及分析

3．6 本章小结

第四章 基于信道预测的DF中继水声通信系统功率分配研究

4．1 引言

4．2 自适应中继协作水声通信系统

4．3 最优功率分配

4．4 信道预测

4．4．1 均方误差分析

4．4．2 RLS算法分析

4．5 性能分析

4．5．1 仿真描述

4．5．2 数值结果

4．6 本章小结

第五章 基于信道预测加入直达径中继分集合并水声通信系统功率分配研究

5．1 引言

5．2 考虑直达径AF中继水声通信系统模型

5．3 最优功率分配

5．4 信道预测

5．4．1 均方误差分析

5．4．2 LMS算法分析

5．5 性能分析

5．5．1 仿真描述

5．5．2 数值结果

5．6 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 进一步的研究方向

参考文献

作者攻读硕士学位期间的研究成果

致谢