基于线性调频-OFDM和MIMO的水声通信关键技术研究

The developing level of the underwater acoustic communication is an important reflection of country comprehensive strength. The project studies the key techoniques of underwater acoustic channel based on the LFM-OFDM and MIMO, from the view of improving reliability of communication and descending the complexity of algorithm, with the research results in wireless communication and acoustic signals processing. The project will put emphasis on the multi-carrier modulation theory and technology against doppler frequency shift、the method of Doppler parameters estimation、diversity technique combined with space and time against multipath effects、the method of OFDM-MIMO channel resource allocation with low complexity, and so on, and the research results are expected to improve the reliable communication efficiency in acoustic communication. Because China owns a wide ocean, exploitation for ocean is one of the development stratagems in new century. Underwater acoustic communication as a pivotal communication method underwater can provide all kinds of information service and products in the domain of ocean exploitation, so study on high reliable underwater acoustic communication technology is significant. And the research results of this project have a great potential in military and civilian areas.

水声通信技术的发展水平是一个国家综合实力的重要体现。本项目从提高水声通信的有效性和可靠性、降低算法的复杂性的角度出发、结合无线通信和声信号处理的研究成果，来研究基于线性调频-OFDM和MIMO的水声通信关键技术。本项目将重点研究复杂噪声环境下抗多普勒多载波调制理论与技术、多普勒参数估计方法、联合时间空间抗多径分集技术、以及低复杂度的OFDM-MIMO信道资源分配方法等，研究成果有望提高现有水声通信的可靠通信效率。由于我国是海洋大国，开发海洋是新世纪国家的发展战略之一。水声通信作为水下主要的通信手段, 能够提供海洋产业开发的各种信息服务系统和产品，因此研制具有高可靠通信的水声通信技术意义深远。并且本项目的研究成果在民用和军事领域方面均有非常好的应用前景。

声波是水下无线通信的一个主要载体。水声信道环境复杂且水声信道频带极其有限使得水声信道的辨识成为一个难题和制约着水下通信发展的主要瓶颈。本项目研究基于线性调频-OFDM 的水声通信关键技术。研究内容包括基于分数阶傅里叶变换的线性调频多址信号的解调理论与方法、水声信道估计及滤波算法、水声OFDM通信系统、仿真与水下实验平台的建立。本项目已完成SCI收录期刊论文4篇，EI收录期刊论文4篇，EI收录会议论文 8篇，申请发明专利4项，搭建了水声通信硬件实验的演示验证平台，联合培养博士生2名，硕士生3名。.主要进展与成果包括：1. 用线性调频信号和有理小波信号作为探测信号，将水声信道建模为一个宽带时变多径模型，采用时延-尺度扩展函数(DSSF)来表征信道，并采用基于宽带相关处理的宽带解卷和稀疏重构，对DSSF进行了估计。2、针对稀疏的双选择性水声信道下的 OFDM通信系统，采用线性调频信号作为训练序列，利用分数阶傅里叶变换，研究了宽带时变水声信道的参数估计问题。我们建立了信道估计器的基函数扩展模型，并利用水声信道的稀疏分簇特性降低信道估计中待估参数个数，采用迭代和面向判决的方式进行解调，信道初始信息根据已知的导频信号获取。该方法能够有效准确地估计多径的幅度、时延、多普勒尺度因子等信道参数。3、提出了一种数据辅助的多普勒频移估计方法。训练序列同时用于多普勒频移估计和信道估计。考虑传统的帧结构，接收信号是同步的。我们利用训练序列进行多普勒频移估计,采用最小均方差准则建立目标函数，并给出了离散寻优算法用于求解。4、搭建了一个水下通信硬件演示平台。