基于MIMO空时编码的水声通信技术研究

发布时间：2018-01-18 01:21

本文关键词：基于MIMO空时编码的水声通信技术研究　出处：《西北工业大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：水下高速MIMO（MIMO,Multiple Input Multiple Output）通信系统因其能够在不增加时频资源的情况下，成倍提高系统传输性能而受关注。空时编码（STC，Space TimeCoding）设计由于能够充分利用MIMO信道中多个独立的传输阵元获得空间分集增益与编码增益，在MIMO技术研究中一直是热点。虽然已有的空时码能够在平坦衰落信道下取得较为理想的系统性能，而对于空时频变的水声多径信道，由于其复杂的传输特性将对水声空时编码系统的性能带来极大地挑战。论文针对不同水文环境下的系统构架，通过综合衡量空时码的传输速率、系统性能、译码复杂度以及分集与复用最大化等设计指标，应用扩展代数域理论对空时码展开深入而系统地研究，，创新地构建出适合于多种不同应用场景的传输模型与空时编码方案。论文的主要研究内容包括： 1：对水声信道特性与空时编码系统构架进行了深入研究，构建了不同传输场景的MIMO通信系统模型。文章结合水声信道的特性以及不同传输水文条件对MIMO阵列影响与设计要求，分别构建了基于浅海与深海水文特性下的HSTCDs-MIMO通信系统框架和基于有限反馈的HSTCD-MIMO水声通信系统构架与模型。 2：从浅海对称开环系统的角度，深入分析了低译码复杂度空时码的基本特性，并以此给出了码速率更高，功率分布均衡的空时码构造算法。（1）目前已有的以低译码复杂度、高可靠性设计思想的正交空时分组码，普遍存在码速率很低、设计构造较为固定且峰均功率比高的缺陷。论文基于分集增益与复用率折衷设计准则，根据扩展正交基理论，提出了一种Euclid空间同构扩展域复正交的HES-STBC空时码设计算法。该码字设计方法放松了传统复正交(COD)空时码对称矩阵的局限性，实现了系统分集增益与复用率最大化。同时，该方法在提高码率的基础上，使系统误码率性能进一步提升。（2）论文基于同态扩展理论和四元数理论，提出了一种基于四元同态正交基矩阵的Komwit空时编码设计方案。根据欧式域同态扩展设计，将基矩阵从低维非正交域投影到高维扩展复正交域空间。论文所提Komwit空时码在继承HES-STBC码率与系统性能的基础上，使码字矩阵结构具有很强的可扩展性。同时，由于该编码结构较为紧密，满足标准最小行列式特性，使系统峰均功率比非常低。研究结果表明，针对浅海平坦信道模型，改进的空时码相比传统空时码，编码增益、码速率、译码复杂度以及系统误码率性能均有所提升。论文提出的HES-STBC空时码大幅度提高了码速率，并且实现了系统分集与复用增益最大化。Komwit-STBC空时码在提升码速率的同时，编码矩阵结构设计更加灵活，并且进一步改善了传统QSTBC峰均功率比过高的问题。 3：论文基于接收阵列个数与孔径尺寸有限的深海潜航平台，从非对称开环系统的角度，深入分析了非对称系统下的NVD-MDT优化设计准则，并以此给出了快速可译的非对称空时码构造算法。（1）分析并推导了标准最小行列式与编码增益的紧界，通过证明当N t×Nr且Nr=Nt n, n≥2的非对称系统下非对称MIMO系统达到分集与复用增益最大化时，成对错误码字矩阵的标准最小行列式必须满足的约束条件，提出了非对称NVD-MDT空时编码优化设计准则。（2）针对4×2阵列，构造出基于4阶汉密尔顿嵌入型-MDT空时码和基于非对称-MDT重心打孔空时码的设计方法和设计步骤。（3）深入分析6×3与6×2阵列的空时码特征，分别提出了基于6×3块正交的MDT空时码和基于6×2重心打孔-MDT空时码的设计方法并给出了具体步骤。研究结果表明，基于深海斜坡信道仿真参数，论文提出的非对称空时码构造方案，码字结构、编码率、维度速率方面具有很高的灵活性；通过对比传统空时码在非对称系统的性能，论文所提空时码译码复杂度更低、系统设计开销更小。 4：论文针对浅海水声信道稀疏特性地分析，提出基于有限反馈系统的稀疏量化差分预编码设计方案。同时，提出基于自适应级联稀疏反馈编码设计方案。（1）着重分析了浅海水声信道的稀疏特性，基于压缩感知的信号稀疏表示与估计理论，提出了一种基于稀疏量化差分的快速搜索预编码设计方案。（2）针对浅海有限反馈稀疏量化预编码级联空时编码的方法，提出一种基于浅海稀疏信道特性的级联自适应反馈编码设计方案。该方法仅需要6bit反馈量就能够获得额外的阵列增益，甚至能达到直接反馈系统的传输性能。研究表明，论文提出的稀疏量化预编码方案相比于传统预编码方案，由于使用分层双向搜索，因此获得最优码字的速度更快、实时性更好、抗信道衰落性能更强。根据4×4与8×8阵列下自适应空时码设计实例与仿真结果，验证了改进空时码方法的有效性与应用价值。最后，论文在归纳文章所做理论工作与创新点的基础上，总结了基于不同传输场景下改进空时码的设计优势，给出了实际工程中相应的设计准则。同时，对论文进一步研究工作提出了展望。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN919.3

【参考文献】