基于混合体制水声通信系统优化技术研究

Multipath effect and Doppler effect and impulse noise interference are often coexist in the actual acoustic environment. It is a kind of mixed time-frequency and space-variant underwater acoustic environment. Single-carrier and multi-carrier system in the underwater acoustic environment for different disturbances have their own advantages. This topic puts forward designing a new kind of underwater acoustic communication system---- a weighted fractional Fourier transform mixed carrier system. The system will be the traditional single/multiple carrier system integrated into a unified framework, by establishing different underwater acoustic channel noise mixed carrier system can be optimized. Through the analysis of the characteristics of underwater acoustic channel, this topic presents a block iterative frequency domain equalization algorithm which is proposed to reduce the multipath effect, at the same time, based on theory of.iterative optimization algorithm and compression perception, impulse noise and doppler effect caused by the carrier offset are further liminated. Finally, based on the factor graph theory, through the analysis of multipath and doppler effect, intercarrier interference, impulse noise, pulse noise and other characteristics of underwater acoustic channel interference noise which influence each other, This.paper proposes a low complexity joint optimization technique, fundamentally solves the restricts the mixed carrier system in noise environment robustness is not high.

水声信道往往是多径效应、多普勒效应以及脉冲噪声等多种干扰并存，是一种混合的时频空变的水声环境。在水下通信过程中，各类干扰噪声之间会相互作用，进一步增加干扰消除的难度。本课题提出一种基于加权分数阶傅里叶变换的混合载波优化系统，该系统具有单/多载波系统混合特性。根据加权分数阶傅里叶变换性质与信道特点，分析系统在多径信道和双选信道下的性能，以误码率等通信指标为优化目标，求解系统的最优阶，得出在不同传输环境下的最优传输系统设计。针对不同水声信道的特点，提出采用块迭代频域均衡算法来降低多径效应；同时，结合迭代优化算法和压缩感知技术抑制多普勒效应和脉冲噪声引起的载波偏移；基于因子图理论，通过分析多径和多普勒效应、载波间干扰、脉冲噪声等各类干扰相互影响的特性，研究一种低复杂度的多因素联合优化技术，在多干扰噪声环境下，实现水下传输距离与传输速率的最优匹配。对于提高水声通信的鲁棒性具有重要意义。

本项目研究了水声OFDM通信系统中的相关技术，主要是多径干扰和强反射下的噪声消除、信道估计与信号的分析与探测技术。在脉冲噪声消除方法的研究中，研究了一种基于压缩感知的脉冲噪声消除技术，并依此设计了一种迭代接收器。对于多普勒频移进行预处理后的载波频率偏移，研究了一种基于最优化的补偿技术，并在此基础上研究了信道的稀疏性和多径干扰，针对不同的方案提出了多种信道估计的新方法。在水下通信中，针对不同的场景设计了多种信号如生物信号、船舰信号的提取与分离方法。与此同时，还针对水下移动目标信号研究了多种定位和导航算法，可以用于对水下移动目标的数量估计，方位预测，以及避障情况下的路径规划。在后续实验中，也证实了研究的方法在误码率性能方面比其他方法具有明显的优势。综合上述结果，本研究为水声通信技术的发展奠定了坚实的工作基础，做出了贡献，充分体现了这一研究的意义。.项目资助发表核心期刊论文13篇，核心会议论文4篇，申请发明专利5项，都达到甚至超过了预期研究成果数量。培养硕士生4名，博士生2名，全部已毕业。