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矢量传感器在水声通信中的应用研究

作　者: 王大宇
导　师: 惠俊英
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 水声工程
关键词: 水声通信矢量传感器 OFDM 多用户通信声屏蔽声聚焦
分类号: U666.7
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

水声通信一直是水声研究中的一个重要领域,它不但具有强烈的军事应用背景,更是商业和民用领域中不可或缺的水下数据传输手段。然而水声信道是迄今为止最恶劣的无线通信信道,有限的频带宽度、强多途干扰、信道的随机时变、空变以及海洋环境的高噪声背景,使得高速稳健的水声通信成为世界性难题。矢量传感器由无指向性的声压水听器和具有与频率无关的偶极子自然指向性的质点振速传感器复合而成,它可以共点、同步、独立地测量声场的声压与振速信息。相对于声压水听器而言,矢量传感器有着诸多优势,这使得它在弱信号检测和目标定位等领域得到了广泛的应用。本文则将其应用于水声通信当中,借此来提高系统通信质量。矢量传感器声压与振速输出经过加权处理在各向同性噪声场中可以获得4.8dB的空间指向性增益,最优加权可获得6dB的空间增益。文中将其应用于OFDM水声通信中,并结合自适应干扰抵消、时反均衡和分集合并等技术可有效地降低系统误码率。利用矢量传感器的空间指向性不仅能够提高接收信号信噪比,还能抑制多址干扰,实现多用户通信。在信源方位已知的情况下,二维矢量传感器最多可以分离出三个信源的信号,能够在不占用额外信道资源的情况下实现多址接入,并且分离出的信源信号可以获得一定的信噪比增益。相对于其它多址技术而言,基于单矢量传感器的多址接入技术具有实现简单的优点。此外,文中还将正交频分多址(OFDMA)与基于矢量传感器的多址接入技术结合,充分利用频域与空域信息,能够显著提高系统容量,系统所支持的用户数量将提高一到两倍。声屏蔽聚焦技术根据信源与接收阵之间的信道差异来区分不同信源,通过对干扰信源的屏蔽和目标信源的聚集实现多址接入。将屏蔽聚焦技术应用于OFDM多用户通信系统当中,能够在不占用额外的信道资源的情况下有效地抑制多址干扰,并且信源信号经聚焦后得到增强,多途影响明显减弱。文中不仅阐述了声屏蔽聚焦的原理,还对比了声压水听器阵、单矢量传感器和矢量阵的多址接入性能,矢量阵的声屏蔽聚焦性能要优于同等阵元数目的声压水听器阵,而单矢量传感器的性能要逊于前两者,并且无法实现同一方向上对不同用户的屏蔽聚焦,但其实现较为简单,易于在水下信息网络节点上应用。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-23
  1.1 引言  11
  1.2 水声信道物理特性  11-15
    1.2.1 多途效应  12
    1.2.2 传播损失  12-13
    1.2.3 多普勒效应  13-14
    1.2.4 海洋环境噪声  14
    1.2.5 随机时变空变  14-15
  1.3 水声通信发展概述  15-18
    1.3.1 点对点通信的研究  15-17
    1.3.2 水下信息网的研究  17-18
  1.4 矢量传感器及其指向性  18-21
    1.4.1 矢量传感器概述  18-19
    1.4.2 矢量传感器的指向性  19-20
    1.4.3 矢量声信号处理基础  20-21
  1.5 本文研究的主要内容和结构  21-23
第2章基于矢量传感器的点对点通信研究  23-44
  2.1 单矢量传感器在点对点通信中的应用  23-33
    2.1.1 信源或干扰源的方位估计  23-25
    2.1.2 利用指向性提高信噪比  25-27
    2.1.3 利用指向性零点抑制相干干扰  27-31
    2.1.4 基于单矢量传感器的信道均衡  31-33
  2.2 基于矢量传感器的OFDM通信系统  33-39
    2.2.1 多载波正交频分复用(OFDM)技术及其优缺点  33-35
    2.2.2 矢量传感器在水下OFDM通信系统中的应用  35-37
    2.2.3 OFDM帧结构  37-39
  2.3 仿真研究  39-43
    2.3.1 利用矢量传感器提高接收信噪比的仿真  40-41
    2.3.2 利用矢量传感器抑制相干干扰的仿真  41-42
    2.3.3 基于矢量传感器的信道均衡仿真  42-43
  2.4 本章小结  43-44
第3章基于矢量传感器的多址接入研究  44-64
  3.1 多址接入技术概述  44-46
    3.1.1 无线电多址接入技术  44-45
    3.1.2 水声多址接入技术  45-46
  3.2 基于矢量传感器的双址接入研究  46-52
    3.2.1 双址接入算法  46-48
    3.2.2 双址接入算法性能分析  48-49
    3.2.3 仿真研究  49-52
  3.3 MIMO模型下的三用户通信  52-58
    3.3.1 矢量传感器的MIMO模型  52-53
    3.3.2 三用户通信算法  53-55
    3.3.3 三用户通信算法性能分析  55-56
    3.3.4 仿真研究  56-58
  3.4 与其它多址技术结合的多用户通信  58-63
    3.4.1 基于矢量传感器的多址接入技术的局限性  58-59
    3.4.2 OFDMA技术  59
    3.4.3 基于矢量传感器的OFDMA技术  59-60
    3.4.4 仿真研究  60-63
  3.5 本章小结  63-64
第4章基于声屏蔽技术的多址接入研究  64-79
  4.1 声屏蔽技术  64-66
    4.1.1 声屏蔽原理  64-65
    4.1.2 声屏蔽技术的性能分析  65-66
  4.2 基于声压阵的声屏蔽技术  66-67
  4.3 基于矢量传感器的声屏蔽技术  67-70
    4.3.1 单矢量传感器的声屏蔽技术  67-69
    4.3.2 基于矢量阵的声屏蔽技术  69-70
  4.4 基于声屏蔽技术的OFDM通信系统  70-71
  4.5 仿真研究  71-78
    4.5.1 基于声压阵的声屏蔽多址接入仿真  71-75
    4.5.2 基于矢量传感器的声屏蔽多址接入仿真  75-78
  4.6 本章小结  78-79
第5章基于矢量传感器的水声通信系统试验研究  79-95
  5.1 水声通信湖试概况  79-81
  5.2 基于矢量传感器的点对点通信试验  81-87
    5.2.1 信源方位估计  82-84
    5.2.2 指向性增益验证  84-85
    5.2.3 抑制相干干扰  85-87
    5.2.4 信道均衡  87
  5.3 基于矢量传感器的双址接入试验  87-89
  5.4 声屏蔽聚焦多址接入试验  89-93
    5.4.1 基于声压水听器阵的声屏蔽试验  89-92
    5.4.2 基于单矢量传感器的声屏蔽试验  92-93
  5.5 本章小结  93-95
结论  95-96
参考文献  96-108
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  108-109
致谢  109

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