大规模无线地震勘探数据传输中的OFDM关键技术研究

发布时间：2020-04-08 11:37

【摘要】：大规模高分辨率地震勘探节点众多、单节点数据量大,其无线数据回收需要高速可靠的物理层技术支持。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)调制技术具有频谱利用率高、均衡简单以及抗干扰、抗多径能力强等优势,适用于地震野外勘探的数据传输。OFDM-IM(OFDMwithIndexModulation)是一种新的基于空间调制(SpatialModulation,SM)频域应用的OFDM扩展技术,利用子载波的有效性组合传递额外的比特信息(称为IM调制),可以有效地提高OFDM系统在野外复杂多径信道下的传输性能。论文研究适用于无线地震勘探的OFDM技术,围绕OFDM-IM及其同步问题,论文的主要工作及成果如下:(1)针对OFDM-IM接收端的符号检测问题,提出了一种低复杂度的最大似然(Low-Complexity Maximum likelihood,LC-ML)检测算法和一种低复杂度最大似然检测的近似(Low-Complexity Near Maximum likelihood,LC-NML)算法,分别适用于IM调制信息较小和较大的情况。同时还针对近似算法的性能损失问题提出了相应的改进措施。仿真结果表明,LC-ML和改进的LC-NML检测算法不仅大幅度减少了传统最大似然(Maximumlikelihood,ML)检测的复杂度,避免了大量的对数和指数运算和噪声功率的限制,还保持了与传统ML检测算法一致的性能特性。(2)针对OFDM-IM由于部分子载波的空置而导致的频谱利用率受限问题,提出了一种基于不同功率分配的双模式OFDM-IM(Dual-mode Index Modulation Aided OFDM with Constellation Power Allocation,DM-OFDM-CPA)调制方法,利用不同功率的分配选择代替子载波的有效性选择,实现了对空置子载波的充分利用。山涧丘陵(Hilly Terrain,HT)多径信道下的仿真表明,DM-OFDM-CPA不但可以具有OFDM-IM系统的良好性能,还可以打破其频谱利用率的限制。(3)针对多模式OFDM-IM方案的IM调制映射问题,提出了一种基于传统 Permutation 方法的等概率(Equiprobable Permutation,EPM)优化方案,保证了每个子载波可以等概率地利用每一种映射模式,同时还提出了 EPM方法的比特映射优化规则。HT多径信道下的仿真表明,EPM方法和优化的EPM方法可以明显地改善其IM调制的BER性能,优化后的EPM方法信噪比增益高达1.4dB。(4)针对无线地震勘探应用中窄带干扰(Narrowband Interference,NBI)的时频同步问题,论文提出了一种能够抗NBI的时频联合估计改进Park算法。该算法通过对训练符号前半序列的加扰,不仅保证了定时测度函数在NBI的影响下仍然保持尖锐的对称自相关峰值特性,还抑制了 NBI对频偏估计自相关运算的影响,在郊区(Rural Area,RA)多径信道下的仿真表明,当信干比等于0时,该算法仍然可以快速而准确的完成时频同步估计。在改进Park算法的基础上,提出了一种适应于多倍数频偏估计的抗NBI同步改进算法,通过对训练符号时域的重复性和自相关运算设计,获得了更多倍数的频偏估计范围。在RA多径信道下的仿真表明,当整数倍数载波频偏(Integer Carrier Frequency Offset,ICFO)估计范围为-2～2和-4～4时,仍然可以获得良好的时频同步性能和抗NBI特性。(5)针对应用中复杂多样的多径传输需求,提出了一种新的同步训练符号Ps符号,并基于Ps符号设计了一套同时实现8bits/10bits信令传输和时频精确同步的联合方案。在RA和HT多径信道下的仿真表明,所提出的方案不仅可以提供更加精确的定时、小数倍频偏估计和抗NBI特性,还可以完成准确的大倍数ICFO估计和信令传输,以便于自适应传输信道。
【图文】：

地震勘探,无线数据传输,调制技术,地球物理勘探

第１章绪论逡逑气地震勘探的大规模高密度地形复杂等应用需求，，采用无线传输为主或全无线传逡逑输的网络通信方式是未来地震勘探仪器的重要发展方向。如图１－２所示，是其大逡逑规模地震勘探无线数据传输网络的典型结构，由于采集节点众多和相应的分布式逡逑特点，需要将其分成多个Ｍｅｓｈ子网分别进行数据传输，每个子网拥有一个中继逡逑节点，首先将子网内数百节点的数据传到中继节点，再通过中继节点间的Ｇｂｐｓ逡逑有线或无线传输回收所有数据到处理中心。同时，由于油气勘探的高精度高分辨逡逑需求，数据采集通常需要支持0．５ｍｓ？２ｍｓ的２４位采样，对于３道数的单个节点逡逑来说，实时数据量高达３６？１４４ｋｂｐｓ。因此，为了适应当今油气地震勘探的应用需逡逑求，实现大规模地震勘探的无线数据传输，无论是子网内还是中继间，都亟需要逡逑高速可靠的实时无线数据传输技术支持。逡逑中继节点逦外邋ｍ逦＾邋Ｉ逦主机逡逑Ｉ逡逑３邋６？１４４ｋｂｐｓ逦／逡逑（单节点３道采样数据Ｖ逡逑图１－２大规模油气地震勘探未来无线数据传输的网络结构逡逑１．３当代无线地震仪的数据传输与ＯＦＤＭ物理层调制技术逡逑为了应对无线地震勘探的发展需求

基带传输,结构框图,子载波,子块

Ｚ的最大整数。也就是说，４具有ｃ邋＝邋２ｆｌ种的可能选择。逡逑而Ｐ比特信息的另一部分，ｐ２比特，则是被用于各个有效子载波的符号调逡逑制映射。如图２－２所示，以第ｇ子块为例，剩下的；？２比特信息通过Ｍ－ａｒｙ符号逡逑映射被映射成个用于有效子载波调制的Ｍ－ａｒｙ符号，记为＝邋｛＼邋0，．．．，＆邋（无）｝，逡逑其中＼ＷｅＳＶ，ｒ邋＝逦５１是功率归一化的Ｍ－ａｒｙ符号映射集，即有逡逑丑以0邋＝免，其中五（＊）和分别表示期望值和共辄转置。再根据ＩＭ调制逡逑得到的＆，将其映射到相应的有效子载波上，输出对应的ＯＦＤＭ子块逡逑Ｘｇ＝［Ｘｇ（ｌ），Ｘｇ（２），．．．，Ｘｇ（ｎ）ｆ逦（２－１０）逡逑其中逡逑Ｗ邋十逦＿逡逑当得到所有的ＯＦＤＭ子块时，合并Ｇ个以产生ＯＦＤＭ符号的频域信号：逡逑Ｘ邋＝邋［Ｘ（ｌ），Ｘ（２），．．．，Ｘ（Ｎ）］Ｔ逦（２－１２）逡逑其中尤（《）邋＝邋４0８）４邋＝邋＾７以－１）邋＋邋＾８。然后
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.53

【参考文献】