基于叠加编码的多用户水声OFDM下行通信研究

发布时间：2020-10-11 02:26

　　 通信带宽严重受限是提高水下网络数据传输速率的主要瓶颈之一,如何在有限带宽内提高物理层多用户通信频谱利用率是亟待解决的关键问题。功率域多址接入技术是非正交多址接入技术(Non-orthogonal multiple access,NOMA)中的一种,该技术在功率域进行下行多用户数据的叠加,并实现用户自身信息的区分,在通信速率方面相对于正交多址接入技术有较大的提升。本文首先针对非正交多址入方式,对其整体信道容量的性能进行分析,并对比了正交多址接入方法,证明了非正交方式可以提升信道容量,由此引入叠加编码算法,并详细介绍了叠加编码的原理。该算法通过功率域信息实现下行各用户间的区分,由于各用户共享信道的时频自由度,叠加编码可为下行通信系统的通信速率带来较大增益。文章最后通过仿真得出正交方式与非正交方式下信道容量的差异,并在此基础上对叠加编码所涉及的功率因子分配问题进行了初步研究。由于功率因子的分配会直接对下行用户的解调效果产生影响,本文提出了一种基于下行用户平均信噪比的功率因子分配方法,并通过水声稀疏多径信道进行仿真,验证了该方法的有效性。由于功率域叠加相当于在发射端人为引入信息间干扰,下行通信中各用户对于自身信息的正确区分显得更加重要。本文提出了符号级连续干扰消除以及码字级连续干扰消除接收算法,并针对水声稀疏多径信道下行两用户的通信场景,远端用户以及近端用户在不同接收算法下的误码率进行了仿真分析。在此基础上本文考虑了信道编码的选取对于叠加编码信道容量的影响,引入LDPC码,并与卷积码系统进行对比,验证了LDPC码的优越性。本文最后在码字级接收算法的基础上,改进了叠加信号的检测方法,采取了利用先验信息的MMSE检测器,并结合准随机信道编码LDPC码,构成了该方式下的非迭代接收算法、迭代接收算法以及连续干扰消除接收算法,通过相同的水声信道仿真条件对各自误码性能进行分析比对,最终得出:MMSE迭代检测接收系统对于叠加编码解调性能有极大提高。最后,在稀疏多径水声信道下,对近端用户的下行通信系统进行接收解调仿真,验证了所提出的接收机算法的有效性。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN929.53;TB56
【部分图文】：

于频分复用（FDM）技术中的一种，也被视为一种调制技术。OFDM 技术于 196 Robert.W.Chang 提出，并经过 Weinstein 和 Ebert 于 1971 年提出改进，通过离散傅变换（DFT）作为等效的多组调制解调器，可以实现 OFDM 的调制与解调方法。OF有抗衰落能力强，大大提高了频谱利用率等特点，可以较好的适应水下声信道。目水下多用户的通信背景下，OFDM 被广泛应用于组网通信当中。着眼于实际的水下，通信带宽的严重受限是制约提高水下网络数据传输速率的主要瓶颈之一，如何在带宽内提高物理层多用户通信频谱利用率是亟待解决的关键问题，为此本章通过叠码技术，通过非正交多址接入的手段，对系统带宽利用率进行提升。.1 多用户衰落信道下的遍历容量类比点对点的水声通信下的信道容量，对于多用户下的信道容量，通常对信道容域进行理论上的研究。多用户情况下的信道可以由上行多址信道（MAC）以及下行信道（BC）构成。在文献[35]中，作者从理论上证实了衰落上行多址信道以及衰落广播信道关于遍历容量区域中的等效关系，如图 2.1 所示，

图 2.4 叠加星座图以及其在不同层数时所对应的概率值（每层均在 BPSK 调制方式下）若 L = 3，那么共有 L + 1 = 4种不同概率点。由于仅合成了四个不同的星座点，所的容量将严格小于各个不同层速率的总和。通常拥有 3 个比特的叠加符号，应对应于种不同的信号星座点。可以总结出，MLM 方案的容量，会受到各个层单独速率之和限制。实际容量取决于不同信号星座点的具体数量及其相关的发生概率[40]。尽管由于上述不利性质所导致 MLM 方案下的容量受星座约束而降低，但它仍具极吸引人的特点，即只要层数L足够多，所得到的叠加符号x便可近似为高斯分布，是中心极限定理的结果。而具有高斯分布形式的发射信号是接近香农容量的关键，与统的 QAM 或相移键控（PSK）调制相比，该信息传输方案可以获得成形增益[48]。为实现 MLM 方案的高容量，首先，必须增加 MLM 下的基数 A ，目的是使叠加符号可实现等概率化。因此需要加入两种简易操作，即使用各个层特定的幅度比例因, [1, ]lρ l ∈ L和/或各个层特定的相位旋转因子 , [1, ]lθ l ∈ L。由此可得，（1）可以重写为：lLjl lx e xθρ= （2-24

第 2 章 水声 OFDM 调制的叠加编码原理及功率分配本节以 2.1 节的理论分析作为基础，介绍了基于参数化遍历可实现速率区域的用户间功率分配算法以及基于中断概率的仿真搜索用户间概率分配算法，另外还提出了一种基于下行用户平均信噪比的功率比例因子分配算法。叠加编码是将下行多个用户的信息调制到相应的星座图之后，综合考虑多种因素后，确定功率分配因子的大小，最后进行矢量叠加。图 2.5 展示了两个接收用户信息进行叠加的示意过程。其中近端用户使用 QPSK 调制，远端用户采用 BPSK 调制。其中，α 为近端用户功率分配因子。
【参考文献】

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本文编号：2835912