单载波频域均衡水声通信中稀疏信道估计及多通道均衡技术研究

This research mainly concerns on the channel estimation and equalization algorithms used in single carrier frequency domain equalization (SCFDE) in underwater acoustic communication (UWA). 1) Researching on the sparse channel estimation techniques used in SCFDE UWA communication system based on training sequences. In this project, compressive sensing (CS) techniques are applied to channel estimation of SCFDE UWA communication. First, we establish the mathematical model of the channel estimation problem using CS techniques. Then, our researching emphases are the algorithms used to solve the channel estimation problems. We are going to inspect the performances of different CS algorithms by simulations and water tank (ocean) experiments. On this basis, we try to propose a new algorithm which has less computational complexity and is more robust at low SNR. 2) Researching on the time reversal and equalization algorithms. First, we establish the mathematical model of the signal transmission model of single input multi output (SIMO) UWA communication. Then, our researching emphases are the algorithms used to realize frequency or time domain time reversal process. At last, we will research the frequence/time domain equalization algorithms combine with frequency domain time reversal process. 3) Sea tests will be done in order to testify the performance of the proposed algorithms.

重点针对单载波频域均衡（SCFDE）水声通信中的信道估计和均衡技术进行研究。主要研究内容有: （1）基于训练序列的SCFDE稀疏信道估计技术研究。建立SCFDE水声通信稀疏信道估计的数学模型，以基于压缩感知（CS）的稀疏信道求解算法为研究重点。首先对基于匹配追踪及最优化方法的CS求解算法进行理论分析和仿真、水池实验研究。在此基础上，利用SCFDE信号矩阵的循环性，研究一种低信噪比下鲁棒的、复杂度低的稀疏信道估计算法； （2）基于时间反转处理的多通道频/时域联合均衡技术研究。首先建立单输入多输出（SIMO）通信信号传输模型。其次对时域、频域时间反转的理论和实现方法进行深入研究。最后研究一种时变信道下基于频域时间反转处理的频/时域联合均衡算法； ? （3）进行海上试验，对以上研究成果的性能进行验证。

项目重点针对单载波水声通信中的信道估计和均衡技术进行研究。在项目支持下，完成了以下内容：.训练序列设计。训练序列用于估计信道冲击响应。时域恆模的常用训练序列有M序列、Gold序列等，频域恆模的如独特字（Unigue Word，UW）等。研究中主要通过水池、海上实验数据分析，比较了时域恆模和频域恆模训练序列在单载波水声通信中应用的实际性能；.稀疏信道估计算法研究：重点研究了匹配追踪（Matching Pursuit，MP）及正交匹配追踪（Orthogonal Matching Pursuit，OMP）等稀疏信道估计算法在单载波高速水声通信中的应用。OMP算法与MP算法相比性能更优，但复杂度高。研究基于MP算法进行改进，提出了一种低信噪比下鲁棒的的稀疏水声信道估计算法（DAMP）；.均衡算法研究：对提高单载波高速水声通信鲁棒性的技术进行了研究。为对抗信道的时变性，基于频域时间反转处理（Frequency Domain Time Reversal，FDTR），提出一种频/时域联合均衡算法（FDTR-DFE）。采用互补码（Complementary Code，CCK）提出了采用短码的单载波软扩频技术。对CCK码字用作信道编码的性能进行了理论分析和性能仿真。将其用于单载波水声通信，进行了海上实验。进一步，对单输入多输出（Single Input Multi Output）单载波水声通信技术进行了研究。将频域多通道频域TR信号合并与频/时联合均衡技术融合。进行了水池、海上实验验证；.实时水声通信算法验证平台。采用DSP6748和AIC23建立了一个实时的水声通信算法验证平台。.基于以上成果，项目组发表论文10篇。在人才培养方面：通过课题研究，培养硕士研究生黄晓燕、刘文慧、林玉荣、张胜楠、龙伟等，博士研究生陈柯宇等。在学术交流方面，出席国内外学术交流多次，包括2013年oceans会议（美国圣地亚哥），2015年oceans会议（上海），水声通信重点项目群研讨会议（西安）等。