多径水声信道下多用户OFDM资源分配研究

发布时间：2020-04-11 10:57

【摘要】：当下随着对海洋资源探索的深入,水声通信技术成为中远距离水下通信的主要手段。水声信道的背景环境噪声大、有限带宽窄、多径效应明显的特点,严重影响水声通信质量。水声OFDM技术所具有的独特优势,为资源分配提供了很高的灵活度,近些年来在水声通信领域受到了广泛关注。用户资源分配和调度的前提是获得准确的信道状态信息(CSI),为了减小非理想反馈CSI的影响,需要对CSI信息进行预测。本文对非理想反馈下的多用户动态资源分配问题进行了深入研究。(1)通过对复杂多变的水声信道的传输特性研究,建立了损耗模型,并与无线电信道进行详细对比,展现出水声信道的特殊性。进一步建立水声信道多径仿真模型,结合水声信道工具BELLHOP给出了仿真中的关键性参数。(2)结合水声信道传输特性构建了水声OFDM资源分配系统,对OFDM系统中的关键性技术进行详细分析,并讨论了将OFDM多载波调制技术应用于水声资源分配系统中所具有的优势。(3)在不同优化模型下,对几种自适应资源分配算法展开研究,包括基于拉格朗日优化的子载波调度算法、Hughes-Hartogs资源分配算法、Chow分配算法、Fischer分配算法,对算法进行性能分析对比和MATLAB仿真,给出了在已构建的水声系统中三种算法的误比特性能。(4)根据反馈时刻和传输时刻信道间的统计相关性建立马尔科夫状态转移概率矩阵,提出一种基于马尔科夫状态空间的反馈预测方案,确定用户子信道上的平均调制速率,结合Chow算法对每个用户子载波的比特和功率进行分配,并和最小二乘预测算法进行对比分析。通过仿真可以得出,基于非理想反馈信息的马尔科夫预测方案,其预测性能要好于最小二乘预测算法,可以有效提升系统的吞吐量,并且在不同用户数下该方案可以带来多用户增益,进一步提升系统性能。
【图文】：

剖面图,剖面,海水盐度,多径效应

影响水声通信系统的性能，正确认识水声多径信道规律，并结模型，对改善水声系统性能具有重要意义。传输特性道的多径效应道中的声速变化信号的传输速度很大程度受水深、温度和海水盐度的影响较大、海底边界的影响下，水声信道存在多径效应，也就是说在同号可能沿着几种不同的路径到达接收节点。海水中声速经验公49.24.6t0.055t0.00029t(1.340.01t)(S35)0.016H23 度(℃)，S 为盐度(‰)，H 为深度(m)。海水中的声速变化受诸海水盐度、水下通信源所处深度等，在浅海中主要影响因素是，压力则成为影响声速的最主要因素，深海中压力越大声速也线如下图 2.1 所示，声速变化大概在水下 1km 处是个分界线。

示意图,声线,深海,多径

的信号会产生幅度相位的起伏，接收处的合成信号会产生畸变，信号的频谱被展宽，持续时间增长，信道内表现为频率选择性衰落，不加以控制会对相邻码元产生串扰[19]。水平传输信道中，，这种干扰会有几十到几百个码元的范围，如在短距离(10km 左右)的浅海信道传输中，数据速率为 10kb/s，10ms 的多径时延扩展将可能会造成上百个码元串扰，更何况在中长距离传播，相对于直达路径最大多径时延可达 60ms。多径传播是造成水声通信差错误码的主要因素，所以水声通信中解决多经效应就显得尤为重要。本文主要研究的是水声信道下的多径模型。声线理论是数学上最简单、物理上最直观的声场分析方法，建立水声多径信道模型时，大多都是基于声线理论。声源辐射的能量沿着声线向四周传播，到达接收点的这些路径称之为本征声线，接收点处的声场是所有本征声线叠加的结果。由于海水中的传播损失, 经常信号能量只集中于 4 种典型的本征声线, 即直达路径、海面反射、海底反射和海面反射-海底反射，并且浅海水声环境中,海面反射与海底反射的时延差比较接近。在深海 1km 处的声信号产生 40 条多径路径的示意图如图 2.2 所示。实际中信号的传输路径是无数的，有些路径的信号经过多次反射折射，信号能量发生很大程度的减弱，在总功率中的占比非常小，可忽略不计，所以对于水声通信系统研究往往是选取有限数量，具有代表性的几条径进行仿真研究。
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.3

【参考文献】