基于动态压缩感知的水声OFDM信道估计与跟踪技术研究

发布时间：2020-04-06 22:26

【摘要】：OFDM技术由于具有高频带利用率、参数灵活可调的特点在带宽受限的水声通信领域得到了极为广泛的应用。信道估计技术作为OFDM系统中的一项关键技术,实时精准的信道估计对于接收端的数据解调恢复具有重要意义。与无线通信相比,水声信号受多途时延扩展以及信道时变特性的影响更大,尽管可以通过改变通信参数设置使OFDM符号持续时间短于信道相干时间以减小信道时变特性对通信信号的影响。但此举也会放大多途衰落的影响,传统信道估计方法必须通过增大导频数量才能保持性能不变。但随着研究的深入,水声信道多途分布现已被证实具有稀疏性,通过利用压缩感知理论可将水声信道估计问题转化为稀疏信号重构问题,在不增加导频数量的前提下可有效提高信道估计性能。然而现有的水声压缩感知信道估计方法大多采用逐符号方式进行,往往存在如下两个问题:一是目前的压缩感知重建算法普遍复杂度高,硬件实现难度大,因此难以应用于信道跟踪等对实时性要求较高的场合;二是绝大多数的现有研究仅考虑了水声信道在静态时间上的内在稀疏性,较少考虑动态信道下的情况,忽略了相邻前后时间稀疏多径信道存在的相关性,未能充分发掘压缩感知理论的潜能。本文围绕上述两个问题,研究了处理时变稀疏信号的动态压缩感知理论,并将水声信道的动态变化与时变稀疏信号相关联,以OFDM水声通信为应用背景,发展了两种符合时变信道特征的稀疏信号模型。在此基础上,分别针对上述两个问题所处的情境,在水声信道逐符号变化的假设下,充分挖掘了水声稀疏信道多径结构存在的时间相关性特点,提出了两种改进的压缩感知算法。理论分析与仿真结果均表明,所提两种算法很好地适应了上述两种情景。本文所提两种算法的创新点如下:1、改进SOMP算法:研究分布式压缩感知理论,旨在将时域内连续多个时隙内的信道冲激响应估计问题转化为分布式压缩感知可以处理的空间内多个稀疏信号的联合恢复问题。根据水声信道缓慢时变特点,所提算法是基于SOMP算法的改进算法,通过选取JSM1模型联合恢复信道,增加在各时隙内独立抽头的检测,从而达到更高的估计性能。2、动态OMP算法:利用水声信道冲激响应的时域相关性,通过AR过程模拟信道变化,建立动态稀疏观测模型。该算法仅在初始时刻进行一次完整的OMP信道估计获取信道支撑集,之后通过连续跟踪前一时刻信道支撑集的变化来跟踪信道,因此有效降低了算法复杂度,能较好地应用于信道跟踪。
【图文】：

截面图,海洋,剖面,截面

图 2.1 典型海洋声速剖面及其对应的海洋截面Fig.2.1 Typical ocean sound speed profile and its corresponding ocean cross section2.1.2 传播损失由于海水并非理想的无损耗介质，声信号在水下传播时其能量会随着传播距离的增加而逐渐减弱。通常利用传播损失来表征海洋中声信号能量的损耗。而传播损失又主要包括两部分，即扩展损失和衰减损失。扩展损失是指声波从声源向外传播时信号能量有规律衰弱的几何效应，因此也被称为几何损失。根据声传播过程中海洋介质的不同，扩展类型也不尽相同，对于理想的无限均匀介质，扩展类型为球面扩展，扩展损失是距离的平方；但在实际的海洋中，由于水声信道常呈现波导效应，并且考虑到声速分布的不均匀性，扩展类型通常呈柱面扩展特性，相应的扩展损失是传播距离的一次函数。衰减损失包括声能量的吸收、散射以及声能泄露，其中声能量的吸收损失是造成衰减损失的主要原因。声能吸收主要表现为海水介质的吸收和海面海底边界的吸收，，海水介质的吸收实际是由于海水中存在的 B(OH)3、MgSO4等化学离子的弛豫效应造成的。除此之外，海水中的声吸收损失还与声波频率密切相关，下图 2.2 给出了海水的

波形,声吸收系数,频率,声信道

图 2.2 声吸收系数与频率的关系Fig.2.2 Relationship between acoustic absorption coefficient and frequency途效应于陆地无线电信号，声波在水下传播时存在多途效应。也就是说，波将沿不同路径到达接收端，在此过程中，由于各路径长度不同以造成各路径到达接收端的时间不尽相同，从而引起接收端信号波形洋水声通信中，造成水下声传播多途效应的主要原因有两个：一是及水中物体的反射；二是水下声波跨层传输时声速梯度引起的折射海水声信道，由于海面波浪起伏具有随机性，因此浅海水声信道中反射影响较大；后者主要发生于深海水声信道，由于海水介质的不速梯度的不同，声波总是从声速高的区域向声速低的区域弯曲，从的折射引起多途。深海水声信道，浅海由于海底海面边界情况复杂，水中散射体多，
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.3

【参考文献】