基于训练符号填充的高谱效TSP-OFDM水声通信技术研究

With the increasing demand to strengthen the ocean exploration and enhancenational defense strength, the implementation of maritime strategy makes the combination of digital communication and marine science become a hottest spot in both research and pracatical application. Till now, however, the world-wide research in the area of underwater acoustic communication is not systematic. High data rate and long distance reliable transmission should be furthur studied from both theoretical research and practical application scenarios. Aimed at the underwater acoustic channels with the long delay and severe Doppler spread, the main topic of our work is launched in underwater acoustic communication technique based on training symbol padded orthogonal frequency division multiplexing (TSP-OFDM), and to propose the innovative highly spectrum-efficient transmission system as well as the high-dimensional space signal design and adaptive channel equalization with multiple-input multiple-output (MIMO) technique. It is expected that the project would provide both the theoretical basis and technology support for the high speed underwater acoustic communication. To solve the above issues, based on the analysis of underwater acoustic channels, the work should propose serieses of key technologies and algorithms, including highly spectrum-efficient acoustic TSP-OFDM signal design, signal reconstruction based on joint parameter estimation for double-selective fading channels, spatial modulation based on high-dimensional Hilbert space signal processing and so on. There are laid foundation like international cooperation and preparation like some research results for our work. Besides, the elementary test platfrom is also available. It is expected that our work is important for the development of underwater acoustic communication in both theory and practice.

随着加强海洋探索和提升国防实力的发展要求，实施国家海洋战略使得数字通信与海洋科学的结合成为研究和应用领域的热点。但目前，国际上水声通信的相关研究尚缺乏系统性，如何实现高数据率信息的远距离可靠传输仍有待研究。本课题针对具有传播延时长、多普勒扩展严重等特点的水声信道，研究基于训练符号填充的正交频分复用（TSP-OFDM）水声通信技术，提出创新性的高谱效传输体制，并结合多输入多输出（MIMO）系统的高维空间信号设计与自适应均衡等技术，为实现高速水声通信提供理论依据和技术支持。为此，在分析水声信道特征的基础上，本课题研究包括高谱效水声TSP-OFDM系统的信号结构、基于双选择性信道联合估计的信号重建、基于高维Hilbert空间信号处理的空间调制等一系列关键技术，以期取得突破。本课题研究具有良好的国内外合作基础和部分已有研究成果，具备初步试验条件，为水声通信技术研究及实现打好基础。

随着加强海洋探索和提升国防实力的发展要求，实施国家海洋战略使得数字通信与海洋科学的结合成为研究和应用领域的热点。但目前，国际上水声通信的相关研究尚缺乏系统性，如何实现高数据率信息的远距离可靠传输仍有待研究。在项目执行过程中，团队成员紧密合作，顺利完成项目研究目标。在分析水声传播特性的基础上，通过不同水域中的信道测量数据采集，对信道多径时延扩展、多普勒扩展及相应的相干带宽、相干时间等信道统计特性进行研究，建立了适合于通信系统参数设计的统计信道模型。设计了基于TSP-OFDM 技术的水声通信系统初步方案，搭建了基于TSP-OFDM 技术的水声通信系统仿真平台，指导帧结构和系统参数的设计。研究了载波频偏和采样时钟的联合估计、多普勒补偿、SISO和MIMO应用模式下的判决反馈均衡、时变信道下的信道估计与频域均衡、基于基展开模型的水声信道估计、基于频域Turbo均衡的水下迭代接收机设计等一系列关键算法与实现结构。为了进一步提升水声通信系统的频谱效率与能量效率，提出了基于空间调制技术的高维空间信号映射方式，研究了基于稀疏贝叶斯学习的空间调制的符号检测以及迭代的软解映射算法、块传输系统中空间调制信号的软信息辅助迭代均衡、空间调制系统频谱效率的分析与优化、基于空间调制技术的非正交接入、基于空间调制的混合预编码架构等关键技术，为高维空间信号映射技术在水声通信系统中的应用建立了基础。在关键技术研究的基础上，建立了基于TSP-OFDM 技术的水声通信基带处理平台，通过水池试验以及水声海试的数据处理，验证了所设计的水声TSP-OFDM传输体制在实际水声信道环境中的适应性与传输性能，研究了基于TSP-OFDM技术的SISO、SIMO、MIMO传输方式在水声通信中进行高谱效通信的基本传输能力、对抗强多径信道的能力以及在实际海洋环境中的适应性。在本项目研究的基础上，项目组将继续开展水声通信系统的算法研究及验证工作，分析改进系统设计，为我国水下信息网络的建设做出贡献。