基于叠加编码的水声OFDM下行多用户通信研究

It is a significant challenge to improve data rate of underwater acoustic network with serious frequency bandwidth limitation. Thus it is essential to improve the spectral efficiency of an underwater multiuser communication system at the physical layer under the limited bandwidth. An orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) modulated superposition coding scheme for downlink underwater acoustic communication will be studied in this project. Firstly we propose a multiuser power allocation method where the transmitter splits power between users based on statistical channel state information (CSI) which are stable over a long period of time through feedback, in order to overcome the negative effects of underwater acoustic channels, such as large propagation delay, fast time-varying and imperfect channel estimation. Then a joint optimization algorithm of superimposed constellation design and multiuser power allocation, and an iterative multiuser Turbo receiver is proposed to improve communication reliability. The main points of the research are as follows: 1) statistical channel modeling, channel statistics estimation and time stability analysis of channel statistics for single-input, multiple-output (SIMO) underwater acoustic channel; 2) the ergodic rate region modeling and multiuser power allocation algorithms for superposition coding based on statistical CSI; 3) a joint optimization algorithm of superimposed constellation design and multiuser power allocation at the transmitter, and an iterative multiuser Turbo receiver for the downlink underwater SIMO-OFDM system. The researching results are capable to improve the spectral efficiency of an underwater multiuser communication system and the reliability of data link for the underwater acoustic network.

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。本课题拟研究基于叠加编码的水声正交频分复用（OFDM）下行多用户通信方法。为克服水声信道大传播时延、快信道时变以及不完美信道估计等不利因素，拟采用下行用户向发送端反馈更为稳定的信道统计特征来辅助用户间功率分配的方法；并通过叠加星座图和功率分配联合优化及Turbo迭代接收机提高数据传输可靠性。研究内容包括：1）水声单输入多输出（SIMO）信道统计建模及统计参数时间稳定性分析；2）基于水声信道统计特征的叠加编码下行遍历可达速率区域建模和用户间功率分配算法；3）水声SIMO-OFDM下行通信发送端的叠加星座图和功率分配联合优化算法，及接收端的多用户叠加编码Turbo迭代接收算法。本课题的研究成果有望提高水下节点频谱利用率，为建立和完善水声无线网络提供可靠的物理层保障。

本项目是利用水下信息网络基于叠加编码的水声下行多用户通信的相关研究，主要包括三方面的内容：水声信道统计建模及时间稳定性分析、用户间功率分配算法研究和提出叠加编码下行通信方法。.A.首先研究水声SIMO信道的统计建模与统计特征分析，通过采集的海试数据得到水声SIMO信道的经验概率密度函数，然后通过曲线拟合估计Nakagami-m模型下的关键统计参数。通过长时间连续采集的海试数据验证SIMO水声信道统计模型与统计特征的时间稳定性。成功验证了基于反馈水声信道统计特征辅助多用户资源分配的方案的可行性，为基于反馈水声信道统计特征辅助多用户资源分配的方案提供物理前提。.B.利用水声SIMO信道统计的建模基础，对叠加编码遍历可达速率区域进行了建模分析，并在不同的信道统计参数下，研究多种叠加编码的用户间功率分配方法，详细比较在不同的多用户资源分配公平性准则下的功率分配方案差异，为实际的水声叠加编码系统提供功率分配理论值。.C.最后对实际的水声OFDM叠加编码下行通信方法进行研究，比较了不同重构精度下的传统连续干扰消除算法，并在此基础上设计了基于Turbo迭代处理技术的接收机，以此克服水声信道的背景干扰、不完美信道估计等问题，并通过数值仿真和外场实验验证，相比于传统连续干扰消除技术，Turbo接收机成功提高了通信速率以及通信质量。.本课题的研究成果成功将叠加编码技术引入到水声下行多用户通信中，提出适用于水声信道的多用户资源分配方法，即下行用户向发送端反馈更为稳定的信道统计特征来辅助用户间功率分配。基于水声OFDM系统提出叠加星座图联合功率分配联合优化算法，以及多用户叠加编码Turbo迭代接收算法，最终通过外场实验验证多用户OFDM叠加编码技术，实现水声下行通信频谱利用率的提升，为建立和完善水声无线网络提供可靠的物理层保障。