OFDM水聲通信

第1章 引言 1
1．1 研究背景 1
1．1．1 水聲的早期探索 1
1．1．2 水聲通信媒介 1
1．1．3 水下系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò) 2
1．2 水聲(UWA)信道的特點 2
1．2．1 聲速 2
1．2．2 傳播損失 4
1．2．3 時變多徑 6
1．2．4 聲傳播模型 7
1．2．5 環(huán)境噪聲和外部干擾 8
1．3 通帶信道的輸入和輸出關(guān)系 9
1．3．1 各徑自有多普勒擴展的線性時變信道 9
1．3．2 具有共同多普勒擴展的線性時變信道 10
1．3．3 線性時不變信道 11
1．3．4 幅度和時延變化的線性時變信道 11
1．3．5 依頻率衰減的線性時變信道 11
1．4 水聲通信中的調(diào)制技術(shù) 12
1．4．1 跳頻 FSK 12
1．4．2 直接序列擴展頻譜 12
1．4．3 單載波調(diào)制 13
1．4．4 掃頻(S2C)載波調(diào)制 13
1．4．5 多載波調(diào)制 14
1．4．6 多輸入多輸出技術(shù) 14
1．4．7 水聲通信的近期發(fā)展 15
1．5 本書的組織結(jié)構(gòu) 15
第2章 OFDM基本知識 17
2．1 零后綴的OFDM 17
2．1．1 發(fā)射信號 17
2．1．2 接收機處理 19
2．2 循環(huán)前綴的OFDM 20
2．2．1 發(fā)射信號 20
2．2．2 接收機處理 21
2．3 OFDM相關(guān)的問題 21
2．3．1 ZP-OFDM與CP-OFDM 21
2．3．2 峰值平均功率比 22
2．3．3 功率譜和帶寬 22
2．3．4 子載波分配 22
2．3．5 總的數(shù)據(jù)速率 23
2．3．6 設(shè)計指南 23
2．4 離散傅里葉變換的實現(xiàn) 23
2．5 OFDM的挑戰(zhàn)和補救方法 24
2．5．1 分集合并和信道編碼的益處 25
2．6 MIMO-OFDM 27
2．7 文獻注記 29
第3章 多進制LDPC編碼的OFDM 30
3．1 OFDM的信道編碼 30
3．1．1 信道編碼 30
3．1．2 編碼調(diào)制 31
3．1．3 編碼的OFDM 32
3．2 多進制LDPC碼 33
3．2．1 多進制的規(guī)則循環(huán)碼 34
3．2．2 多進制非規(guī)則LDPC碼 35
3．3 編碼 36
3．4 譯碼 37
3．4．1 初始化 38
3．4．2 變量節(jié)點到校驗節(jié)點更新 39
3．4．3 校驗節(jié)點到變量節(jié)點更新 39
3．4．4 初始判決和譯碼輸出 40
3．5 碼設(shè)計 41
3．5．1 規(guī)則循環(huán)碼的設(shè)計 41
3．5．2 非規(guī)則LDPC碼的設(shè)計 42
3．5．3 準循環(huán)的多進制LDPC碼 43
3．6 編碼的OFDM的仿真結(jié)果 45
3．7 文獻注記 47
第4章 PAPR控制 48
4．1 PAPR的比較 48
4．2 PAPR的減小 50
4．2．1 限幅 50
4．2．2 選擇性映射 51
4．2．3 載波峰值抑制 52
4．3 文獻注記 53
第5章 接收機綜述和預處理 54
5．1 OFDM接收機綜述 54
5．2 接收機預處理 55
5．2．1 接收機的預處理 55
5．2．2 數(shù)字實現(xiàn) 56
5．2．3 頻域過采樣 59
5．3 頻域的輸入/輸出關(guān)系 59
5．3．1 單輸入單輸出信道 59
5．3．2 單輸入多輸出信道 61
5．3．3 多輸入多輸出信道 61
5．3．4 信道矩陣結(jié)構(gòu) 62
5．4 OFDM接收機的分類 62
5．4．1 ICI-忽略的接收機 63
5．4．2 ICI-感知的接收機 64
5．4．3 逐塊處理 65
5．4．4 塊間處理 65
5．4．5 討論 65
5．5 仿真信道的接收機性能界 65
5．5．1 仿真水聲信道 66
5．5．2 時變信道下的ICI影響 66
5．5．3 SISO信道的中斷性能 67
5．6 擴展到CP-OFDM 68
5．6．1 接收機預處理 68
5．6．2 頻域的輸入/輸出關(guān)系 68
5．7 文獻注記 69
第6章 檢測，同步和多普勒擴展估計 70
6．1 基于互相關(guān)的方法 71
6．1．1 基于互相關(guān)的檢測 71
6．1．2 基于互相關(guān)的同步和多普勒擴展估計 74
6．2 CP-OFDM的檢測、同步和多普勒擴展的估計 76
6．2．1 具有自重復的CP-OFDM前導碼 76
6．2．2 基于自相關(guān)的檢測、同步和多普勒擴展估計 77
6．2．3 實現(xiàn) 78
6．3 一個ZP-OFDM塊的同步和多普勒擴展估計 79
6．3．1 基于空子載波的盲估計 80
6．3．2 導頻輔助的估計 80
6．3．3 基于判決輔助的估計 80
6．4 多普勒擴展估計的仿真結(jié)果 81
6．4．1 CP-OFDM的RMSE性能 81
6．4．2 ZP-OFDM的RMSE性能 82
6．4．3 CP-OFDM和ZP-OFDM的盲估計方法的比較 83
6．5 實用系統(tǒng)的設(shè)計實例 84
6．6 殘余多普勒頻移估計 85
6．6．1 重采樣后的系統(tǒng)模型 85
6．6．2 殘余多普勒頻移補償?shù)挠绊?86
6．6．3 兩種殘余多普勒頻移估計方法 88
6．6．4 仿真結(jié)果 88
6．7 文獻注記 90
第7章 信道和噪聲方差估計 91
7．1 ICI-忽略的信道估計問題描述 91
7．1．1 輸入/輸出關(guān)系 91
7．1．2 基于字典的描述 92
7．2 ICI-忽略的稀疏信道感知 93
7．2．1 字典分辨率與信道稀疏性 94
7．2．2 稀疏因子 95
7．2．3 導頻數(shù)目與路徑數(shù)目 95
7．3 ICI-感知的稀疏信道感知 96
7．3．1 問題描述 96
7．3．2 ICI-感知的信道感知 97
7．3．3 導頻子載波的分布 98
7．3．4 數(shù)據(jù)符號的影響 98
7．4 稀疏恢復算法 99
7．4．1 匹配追蹤 99
7．4．2 ?1范數(shù)最小化 99
7．4．3 通過FFT實現(xiàn)矩陣矢量乘法 101
7．4．4 計算復雜度 102
7．5 擴展到多輸入信道 102
7．5．1 ICI-忽略的稀疏信道感知 102
7．5．2 ICI-感知的稀疏信道感知 103
7．6 噪聲方差估計 104
7．7 噪聲預白化 105
7．7．1 噪聲譜估計 105
7．7．2 頻域白化 106
7．8 文獻注記 106
第8章 數(shù)據(jù)檢測 107
8．1 ICI-忽略的OFDM系統(tǒng)的逐符號檢測 108
8．1．1 單輸入單輸出信道 108
8．1．2 單輸入多輸出信道 109
8．2 ICI-感知的OFDM系統(tǒng)中的塊數(shù)據(jù)檢測 110
8．2．1 MAP均衡 111
8．2．2 具有先驗信息的線性MMSE均衡器 111
8．2．3 擴展到單輸入多輸出信道 113
8．3 帶狀I(lǐng)CI的OFDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測 114
8．3．1 BCJR算法及Log-MAP算法實現(xiàn) 114
8．3．2 因子圖算法和高斯消息傳遞 116
8．3．3 相關(guān)高斯消息的計算 117
8．3．4 擴展到SIMO信道 118
8．4 MIMO-OFDM的數(shù)據(jù)檢測 118
8．4．1 ICI-忽略的MIMO-OFDM 118
8．4．2 完全ICI的均衡 119
8．4．3 帶狀I(lǐng)CI均衡 119
8．5 MIMO-OFDM數(shù)據(jù)檢測中的MCMC檢測法 120
8．5．1 ICI-忽略的MIMO檢測的MCMC檢測法 121
8．5．2 帶狀I(lǐng)CI的 MIMO檢測的MCMC檢測法 121
8．6 文獻注記 122
第9章 逐塊處理的OFDM接收機 123
9．1 非迭代ICI-忽略的接收機 124
9．1．1 非迭代ICI-忽略的接收機結(jié)構(gòu) 124
9．1．2 仿真結(jié)果：ICI-忽略的接收機 124
9．1．3 實驗結(jié)果：ICI-忽略的接收機 124
9．2 非迭代ICI-感知的接收機 127
9．2．1 非迭代ICI-感知的接收機結(jié)構(gòu) 127
9．2．2 仿真結(jié)果：ICI-感知的接收機 127
9．2．3 實驗結(jié)果：ICI-感知的接收機 128
9．3 迭代接收機處理 129
9．3．1 迭代的ICI-忽略的接收機 129
9．3．2 迭代的ICI-感知的接收機 129
9．4 ICI-漸進的接收機 130
9．5 仿真結(jié)果：ICI-漸進的接收機 131
9．6 實驗結(jié)果：ICI-漸進的接收機 134
9．6．1 BLER性能 134
9．6．2 環(huán)境影響 135
9．6．3 漸進的接收機與迭代的ICI-感知的接收機對比 136
9．7 討論 136
9．8 文獻注記 137
第10章 分簇的信道自適應OFDM接收機 138
10．1 信道時變特性的說明 138
10．2 基于簇的塊間信道變化的建模 139
10．3 基于簇自適應的塊間接收機 140
10．3．1 簇偏移的估計和補償 141
10．3．2 基于簇自適應的稀疏信道估計 143
10．3．3 信道再估計和簇的變化更新 145
10．4 實驗結(jié)果：MACE10 146
10．4．1 總體的重采樣后的BLER性能 146
10．4．2 精確重采樣后的BLER性能 148
10．5 實驗結(jié)果：SPACE08 149
10．6 討論 151
10．7 文獻注記 151
第11章 深海水平信道的OFDM通信 152
11．1 深海水平通信的系統(tǒng)模型 153
11．1．1 發(fā)射信號 153
11．1．2 成簇多徑信道的建模 153
11．1．3 接收信號 154
11．2 基于判決反饋的接收機設(shè)計 155
11．3 基于因子圖的聯(lián)合IBI/ICI均衡 156
11．3．1 概率問題的提出 156
11．3．2 基于因子圖的均衡 157
11．4 迭代的塊間接收機處理 158
11．5 仿真結(jié)果 160
11．6 AUTEC環(huán)境下的實驗結(jié)果 162
11．7 擴展到水下廣播網(wǎng)絡(luò) 164
11．7．1 水下廣播網(wǎng)絡(luò) 164
11．7．2 半仿真實驗結(jié)果：MACE10 165
11．8 文獻注記 167
第12章 參數(shù)化的外部干擾抵消的OFDM接收機 168
12．1 干擾的參數(shù)化 168
12．2 干擾抵消的迭代OFDM接收機 169
12．2．1 初始化 171
12．2．2 干擾檢測與估計 171
12．2．3 信道估計、均衡和信道譯碼 172
12．2．4 噪聲方差估計 173
12．3 仿真結(jié)果 173
12．3．1 時不變信道 173
12．3．2 時變信道 174
12．3．3 不同SIR下所提出的接收機的性能 175
12．3．4 干擾檢測與估計 175
12．4 實驗結(jié)果：AUTEC10 176
12．5 半仿真結(jié)果：SPACE08 178
12．6 討論 179
12．7 文獻注記 179
第13章 集中式的MIMO-OFDM 180
13．1 ICI-忽略的MIMO-OFDM系統(tǒng)模型 181
13．2 ICI-忽略的MIMO-OFDM接收機 181
13．2．1 非迭代的ICI-忽略的MIMO-OFDM接收機 181
13．2．2 迭代的ICI-忽略的MIMO-OFDM接收機 181
13．3 仿真結(jié)果：ICI-忽略的MIMO-OFDM 183
13．4 SPACE08實驗結(jié)果：ICI-忽略的MIMO-OFDM 184
13．5 ICI-感知的MIMO-OFDM系統(tǒng)模型 185
13．6 ICI-漸進的MIMO-OFDM接收機 186
13．6．1 接收機概述 186
13．6．2 稀疏信道估計與噪聲方差估計 187
13．6．3 聯(lián)合ICI/CCI 均衡器 188
13．7 仿真結(jié)果：ICI-漸進的MIMO-OFDM 188
13．8 SPACE08實驗：ICI-漸進的MIMO-OFDM 189
13．9 MACE10實驗：ICI-漸進的MIMO-OFDM 191
13．9．1 兩個發(fā)射機的BLER性能 191
13．9．2 有三個和四個發(fā)射機的BLER性能 192
13．10 ICI-漸進的MIMO-OFDM的初始化 192
13．11 文獻注記 192
第14章 分布式的MIMO-OFDM 194
14．1 系統(tǒng)模型 195
14．2 多個重采樣的前端處理 195
14．3 基于多用戶檢測的迭代接收機 196
14．3．1 頻域過采樣的預處理 197
14．3．2 聯(lián)合信道估計 198
14．3．3 多用戶數(shù)據(jù)檢測和信道譯碼 198
14．4 基于單用戶檢測(SUD)的迭代接收機 199
14．4．1 單用戶譯碼 199
14．4．2 MUI的建立 200
14．5 用MACE10數(shù)據(jù)仿真兩個用戶系統(tǒng) 201
14．5．1 有/無頻域過采樣的MUD接收機 201
14．5．2 SUD接收機和MUD接收機的性能 202
14．6 用MACE10和SPACE08數(shù)據(jù)仿真MIMO-OFDM 205
14．6．1 一個移動單發(fā)射機用戶加上一個靜止的兩發(fā)射機用戶 205
14．6．2 一個移動的單發(fā)射機用戶加上一個靜止的三發(fā)射機用戶 205
14．6．3 兩個移動單發(fā)射機用戶加上一個靜止的兩發(fā)射機用戶 206
14．7 文獻注記 206
第15章 異步多用戶OFDM 207
15．1 異步多用戶OFDM的系統(tǒng)模型 208
15．2 重疊截斷和干擾聚合 209
15．2．1 重疊截斷 209
15．2．2 干擾聚合 210
15．3 異步多用戶OFDM接收機 210
15．3．1 整體的接收機結(jié)構(gòu) 210
15．3．2 塊間干擾的相減 211
15．3．3 時域到頻域轉(zhuǎn)換 212
15．3．4 迭代的多用戶接收和殘余干擾抵消 213
15．3．5 干擾重建 214
15．4 實驗網(wǎng)絡(luò)中的多用戶異步研究 214
15．5 仿真結(jié)果 216
15．5．1 時變信道下的兩個用戶系統(tǒng) 217
15．5．2 時不變信道下的多用戶系統(tǒng) 218
15．6 半仿真結(jié)果：MACE10 220
15．7 文獻注記 221
第16章 中繼信道的OFDM 222
16．1 單中繼網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)編碼協(xié)作 222
16．1．1 中繼操作 223
16．1．2 目的節(jié)點的接收機處理 224
16．1．3 討論 225
16．2 基于可變速率的信道編碼的設(shè)計舉例 225
16．2．1 碼設(shè)計 225
16．2．2 仿真結(jié)果 226
16．3 基于分層刪除和糾錯編碼的設(shè)計舉例 228
16．3．1 碼設(shè)計 228
16．3．2 實現(xiàn) 228
16．3．3 游泳池實驗 229
16．3．4 海洋實驗 230
16．4 線路網(wǎng)絡(luò)上的動態(tài)塊循環(huán) 233
16．4．1 逐跳中繼和Turbo中繼 233
16．4．2 動態(tài)塊循環(huán)傳輸 234
16．4．3 討論 235
16．5 文獻注記 235
第17章 OFDM調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼 236
17．1 OFDM調(diào)制的PLNC系統(tǒng)模型 237
17．2 三種迭代的OFDM接收機 238
17．2．1 檢測和譯碼分別迭代 238
17．2．2 迭代的異或PLNC檢測和譯碼 239
17．2．3 迭代的通用PLNC檢測和譯碼 240
17．3 時不變信道下的中斷概率界 241
17．4 仿真結(jié)果 241
17．4．1 單徑時不變信道 242
17．4．2 多徑時不變信道 242
17．4．3 多徑時變信道 243
17．5 實驗結(jié)果：SPACE08 244
17．6 文獻注記 246
第18章 OFDM調(diào)制解調(diào)器的研制 247
18．1 聲調(diào)制解調(diào)器的部件 247
18．2 空氣中的OFDM聲調(diào)制解調(diào)器 248
18．3 實驗室用OFDM調(diào)制解調(diào)器 248
18．4 AquaSeNT OFDM調(diào)制解調(diào)器 249
18．5 文獻注記 250
第19章 水下測距與定位 251
19．1 測距 251
19．1．1 單程信號 251
19．1．2 雙程信號 252
19．1．3 高精度測距的挑戰(zhàn) 252
19．2 水下GPS 252
19．2．1 系統(tǒng)概述 252
19．2．2 單程傳播時間估計 253
19．2．3 定位 254
19．2．4 跟蹤算法 255
19．2．5 仿真結(jié)果 259
19．2．6 湖中外場實驗 261
19．3 請求式異步定位 261
19．3．1 定位步驟 262
19．3．2 發(fā)起者的定位算法 263
19．3．3 被動節(jié)點的定位算法 264
19．3．4 湖中實驗的定位性能結(jié)果 265
19．4 文獻注記 267
附錄A 壓縮感知 268
附錄B 實驗描述 273
參考文獻 277