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水声双扩展信道空时Turbo通信系统

作　者: 余子斌
导　师: 宫先仪; 赵航芳
学　校: 浙江大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 信道不确实性香农信道容量时延—多普勒双扩展信道 Turbo通信系统空时阵处理空—时—频广义旁瓣抵消器通信系统的可靠性和有效性
分类号: TN929.3
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

本文瞄准信道不确实性下的有效、可靠通信,以信息理论、信号处理和传播物理为支柱,构建通信问题中的最佳瞬态观察者,即逼近香农信道容量限的Turbo通信系统。结合传播物理,研究动态稀疏时延—多普勒双扩展信道的解卷估计问题,这属于欠定逆问题的求解。在此基础上,设计了双扩展信道估计与判决迭代均衡相协同的水声通信系统,提高了双扩展条件下的通信性能。由于空时阵可以通过复用与分集对信道容量、系统通信差错率等性能带来质的提升,因此从估计理论与信息理论相结合的角度,提出了作为最佳瞬变观察者的空-时-频广义旁瓣抵消器,实现了信道不确实条件下的有效、可靠通信。Turbo通信系统是一个逼近香农信道容量限的最佳瞬态观察者。Turbo原理可以公式化为：采用迭代更新的外信息作为先验信息对符号和码进行序贯贝叶斯估计。Turbo原理实质上由：(1)状态—空间模型(2)新息过程(3)反馈三要素组成,因而是通信问题中的最佳瞬态观察者。为了研究Turbo通信系统的有效性,首先需要回答的是通信性能限的问题,即：在给定信道环境中最终能达到的可靠通信传输率是多少。香农信道容量定理表明,存在通信系统能达到信道容量限,且该容量限是紧致的,因此信道容量提供了一个标准来量化地衡量Turbo通信系统的性能。在本文所给出的例子中,Turbo通信系统仅与信道容量所预测的最小可靠通信信噪比相差1.4dB,体现了Turbo通信系统的有效性。Turbo通信系统在双扩展信道下的具体运用,需要传播物理来推动。本文从波动方程出发,分析了稀疏时延—多普勒双扩展信道的物理成因,以波数积分法推导出波导环境中运动声源产生的声场物理表达式。由于深度分离格林函数仅在少数几个水平波数值处有较大的非零值,从而在物理源头就保证了信道在时延—多普勒维度上的稀疏性。时延—多普勒双扩展信道的解卷估计是一个欠定逆问题,常规的过定最小二乘方法失效,有无穷多个解。传播物理所导出的信道稀疏性这一物理先验,为约束优化方法开发利用并对解空间施以约束,使得欠定逆问题可解,其性能优于正向匹配求解逆问题的互模糊度函数方法,因为正问题方法没有利用该物理先验。由于海表面波和内波等因素的影响,时延—多普勒双扩展信道还具有动态特性,需要开发对信道的稀疏序贯估计理论。本文为了实现动态稀疏双扩展信道的序贯估计方法,将约束优化问题等价为求各约束集的交集问题。每个时刻的接收序列会产生一个新的约束集,并且以不断往约束集上投影的方法最终收敛于信道的真实解。在解决了动态稀疏时延—多普勒双扩展信道估计问题的基础上,设计了双扩展信道估计与判决迭代均衡相协同的水声通信系统。水声通信向来将信道的时延—多普勒双扩展及其变化视为其最大的挑战,传统基于多普勒频移补偿的相干通信技术并不能在时延—多普勒双扩展信道中实现可靠通信。第一个结合试图将双扩展信道视为机遇并由此获取处理增益。由此得到的新处理器可视作水声双扩展信道下的最佳瞬态观察者,在该信道中能够实现有效、可靠通信。从处理器结构上看,其均衡器部分在时—频两维上实现接收分集,可以可靠工作在时延—多普勒双扩展信道下；而均衡器与解码器之间的新息迭代又极大地降低系统的误符号率和误码率,使之逼近香农信道容量限,从而具有通信的有效性。在实现了第一个结合的基础上,本文进一步研究空时Turbo通信系统。首先要回答的问题是为什么要空时阵,为什么要与空时阵系统相结合。本文从多个角度回答了这一问题。首先推导了衰落信道下空时阵通信系统的通信差错概率为：P(error)～Gc·SNR-Gd (1)其中编码增益Gc提供的是乘性增益,而由空时阵通信系统所带来的分集增益Gd则体现在使得通信差错概率随信噪比上升而指数下降上,显然要提供比编码增益可观得多的性能改善。对本文所研究的动态时延—多普勒双扩展信道下的空时Turbo阵通信系统而言,推导得出Gd∝nrnt(M+1)L,即从发射、接收、多路径和频率四维分集来提高系统系能。因此从可靠性即对系统通信差错概率的控制上,发展空时Turbo阵通信系统将带来非常可观的好处。从香农信道容量的角度看来,空时阵通信系统可以通过复用使得信道容量随着有效信道数目呈线性比例增长；也可以通过分集使得衰落信道中断容量为一定时的中断概率指数下降。既然空时阵通信系统可以通过复用与分集对通信系统的有效性与可靠性带来质的提升,因此有必要实现双扩展信道下的空时Turbo通信系统。为了使最佳阵处理系统可靠地工作在双扩展信道下,将最佳阵处理器的等价形式—广义旁瓣抵消器推广至时延—多普勒双扩展信道,得到空—时—频广义旁瓣抵消器,通信系统通过空间—时延—频率分集与复用来极大地提高通信速率和可靠性。从估计理论与信息理论相结合的角度,提出双扩展信道下的空时Turbo阵通信系统。该处理器的特点可以归纳为：(1)将信道的时延—多普勒双扩展特性显式地考虑到处理器框架中,利用双扩展信道下的空—时—频广义旁瓣抵消器通过在空—时—频多维的相干分集来增强信号,抑制符号间干扰和同道干扰；由于同道干扰的问题得到了妥善的解决,因而可以通过信道的复用来极大提高通信系统的通信速率,保证了通信的有效性。(2)Turbo通信系统是逼近香农信道容量的最佳瞬态观察者。正是由于Turbo机制的引入,系统的稳定性通过嵌入在发送码字中的结构性知识来保证。(3)空—时—频广义旁瓣抵消器其阵驾驶向量是信道估计结果的函数,通过Turbo系统的迭代进行,信道估计的结果会随之改善,进一步提高阵处理的性能。综上所述,本文的创新点可以归纳为：(1)结合水声传播物理,分析研究了双扩展信道响应的稀疏性,提出了基于稀疏约束的双扩展信道序贯估计-跟踪方法,可有效应用于时变信道条件下的水声通信。(2)设计了双扩展信道估计与判决迭代均衡相协同的水声通信系统,提高了双扩展条件下的通信性能。(3)从估计理论与信息理论相结合的角度,提出了作为最佳瞬变观察者的空-时-频广义旁瓣抵消器,实现了信道不确实条件下的有效、可靠通信。本文主要章节按创新点分为三部分,第一部分详述了稀疏双扩展信道的物理成因,互模糊度函数信道估计方法与约束优化估计方法,动态时延—多普勒稀疏双扩展信道的序贯压缩重构方法,为后续章节打下信道估计前处理的基础；第二部分研究了通信问题中的最佳瞬态观察者,即Turbo通信系统,并通过与香农信道容量的比较分析了其有效性。得到了双扩展信道下的Turbo通信系统；第三部分研究了空时阵通信系统对通信有效性和可靠性的巨大提升,提出了能可靠工作在双扩展信道下的空—时—频广义旁瓣抵消器,得到本文最终的题目内容：水声双扩展信道下的空时Turbo阵通信系统。仿真和海试实验数据分析验证了系统的可靠性和有效性。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-11
Abstract  11-26
1 绪论  26-54
  1.1 信号处理的五项品质  26-27
  1.2 体现五项品质的最佳瞬态观察者  27-28
  1.3 信号处理、信息理论、传播物理三者之间的关系  28-30
  1.4 Turbo通信系统：通信问题中的最佳瞬态观察者  30-31
  1.5 时延—多普勒双扩展信道与空—时阵处理  31
  1.6 水声通信国内外研究现状  31-49
    1.6.1 水声信道表征  32-43
    1.6.2 水声信道的信道容量  43-45
    1.6.3 水声通信技术动态分析  45-49
  1.7 论文思路及创新点  49-53
  1.8 论文章节安排  53-54
2 动态稀疏时延—多普勒双扩展信道估计  54-78
  2.1 时延—多普勒稀疏双扩展信道的物理成因  55-57
  2.2 稀疏时延—多普勒双扩展信道估计  57-66
    2.2.1 时延—多普勒双扩展信道估计问题公式化  57-59
    2.2.2 互模糊度函数方法：正向匹配方法求解欠定逆问题  59
    2.2.3 约束优化方法求解欠定逆问题  59-63
    2.2.4 估计结果比较  63-66
  2.3 动态稀疏时延—多普勒双扩展信道的序贯压缩重构方法  66-75
    2.3.1 问题描述  67-68
    2.3.2 集合理论方法  68-74
    2.3.3 仿真数据分析  74-75
  2.4 本章小结  75-78
3 Turbo通信系统：通信问题中的最佳瞬态观察者  78-112
  3.1 Turbo原理  78-85
    3.1.1 状态空间模型  79-81
    3.1.2 新息过程  81-85
    3.1.3 反馈  85
  3.2 Turbo通信系统的有效性  85-90
    3.2.1 离散时间含符号间干扰的高斯信道容量  85-87
    3.2.2 Turbo通信系统的性能  87-90
    3.2.3 小结  90
  3.3 时延—多普勒双扩展信道下的Turbo通信系统  90-94
    3.3.1 不显式嵌入时延—多普勒双扩展信道估计所带来的问题  90-91
    3.3.2 显式嵌入时延—多普勒双扩展信道估计的Turbo通信系统  91-94
  3.4 仿真实验研究  94-98
  3.5 本章小结  98-112
4 动态稀疏时延—多普勒双扩展信道下的Turbo阵通信系统  112-142
  4.1 采用空时阵通信系统的科学依据  112-122
    4.1.1 空时阵通信系统的数学模型  112-115
    4.1.2 空时阵通信系统的差错概率分析  115-116
    4.1.3 空时阵通信系统的信道容量分析  116-118
    4.1.4 空时阵通信系统的主动用户检测概率分析  118-120
    4.1.5 空时阵通信系统实现浅海无线通信、探测网络的融合  120-121
    4.1.6 小结  121-122
  4.2 双扩展信道下的空时Turbo阵通信系统  122-127
    4.2.1 空—时—频广义旁瓣抵消器  122-127
    4.2.2 双扩展信道下空时Turbo通信系统  127
  4.3 空时Turbo阵通信系统仿真验证  127-137
    4.3.1 用户数P=1情况  127-133
    4.3.2 用户数P=2情况  133-137
  4.4 本章小结  137-142
5 海试实验分析结果  142-162
  5.1 海试实验信道估计结果  142-151
    5.1.1 2013年福建泉州海试通信实验环境分析  142-148
    5.1.2 2013年福建泉州海试通信实验信道估计结果  148-151
  5.2 通信系统性能分析  151-154
  5.3 本章小结  154-162
6 总结与展望  162-168
  6.1 本文的研究内容与主要创新点  162-165
  6.2 研究方向展望  165-168
参考文献  168-178
作者简历及在学期间科研成果  178-179

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