水下节点高速通信理论与关键技术

The proposal is from the special topic “The fundamental research on the underwater acoustic sensor networks with mobile nodes”. In this proposal, we will focus on the theories and key technologies of high-rate underwater acoustic communications over severely bandwidth-limited underwater acoustic channel. In the recent decade, OFDM technology has been received much attention due to its potential to provide significantly increased capacity for communication systems. However, the underwater acoustic channel currently still remains one of the most challenging types of channels for information transmission. It is very tough for high-rate underwater acoustic communications especially due to the extensive delay spread from multi-path arrivals, rapid channel fluctuations, etc. The proposal is expected to present the following key technologies for underwater acoustic OFDM systems in extreme environments. The time-varying channel modeling will be done on the experimental data to improve the robustness of the OFDM technology for underwater acoustic communications; an OFDM frequency-domain iterative punch decision feedback algorithm will be proposed for the adaptive equalization of time-varying acoustic channel without further information; a selective mapping peak-to-average power ratio reduction algorithm without side information will be proposed for PAPR control without redundant information; the optimized MIMO-OFDM architecture and technology for underwater acoustic communications will be developed, etc. The proposed methods will also be verified with the experimental data.

本项目针对“面向移动节点的水声传感器网络基础研究”专题提出的研究目标，重点解决带宽受限条件下的水下节点高速通信的理论与关键技术。近年来，正交频分复用技术（OFDM）以其高效的频谱利用率应用于水下高速通信中取得了令人瞩目的进展，但如何在带宽严重受限、多途干扰严重时频双扩展水声信道中进一步提高通信效率并保证通信系统的稳健性仍有许多基础性的关键问题没有得到很好解决。本课题利用实测海洋观测数据，完善水声时变信道模型，解决OFDM通信技术应用于水下的稳健性问题；提出基于判决反馈思想的OFDM频域打孔迭代均衡算法，在不增加先验信息的前提下完成对时变水声信道的自适应均衡；提出无边带信息传输的图样选择峰均比抑制算法，实现无冗余信息的PARR抑制；设计MIMO-OFDM联合技术的最优匹配方案和解决同信道干扰抑制问题，可大幅提高节点间的通信速率并为进一步实现多用户通信提供技术基础。同时开展广泛的外场试验研究。

水声信道显著的时变、频变和空变特性使其成为迄今最为复杂的无线信道之一。研究水声信道的物理约束，开发基于这些约束的水声通信信号处理手段，充分开展理论仿真建模及海上/湖上实验研究将是突破水声通信传输速率限制和可靠性瓶颈的关键。.本课题的研究目的为实现高速率OFDM水声通信，研究内容有时变水声信道建模与分析、适用于复杂水声信道的可靠OFDM信道估计与均衡方法、无边带信息的峰均比抑制算法、MIMO-OFDM水声通信技术研究和水下高速通信节点研制。.A..时变水声信道建模与可视化软件开发。对水声时变信道进行建模，并通过实测数据与仿真结果对比验证了建模的准确性，同时编写了基于GUI的可视化水声时变信道建模软件，可灵活调整声源相关系数、接收阵列参数、信号相关参数、海洋参数和海面风参数。.B..水声信道估计和均衡技术研究。提出了基于稀疏贝叶斯学习（SBL）的水声OFDM稀疏信道估计方法，以及基于无源时间反转和虚拟时间反转的水声OFDM信道均衡技术。发表论文12篇，公开发明专利4项。将以上信道估计与均衡技术应用于水声高速通信设备研制，获得海洋工程科学技术一等奖（第一完成人）。.C..提出了基于误码累积检测以及稀疏度检测的无边信息部分传输序列峰均比抑制方法。发表论文4篇，授权发明专利4项。将以上峰均比抑制技术应用于水下高速、全双工通信设备研制，获得中国造船工程学会科学技术二等奖（第一完成人）。.D..MIMO-OFDM技术研究。提出频带受限的水声多径MIMO信道容量计算方法，为水声MIMO通信系统参数的合理选择提供了一定依据。提出了渐进式水声MIMO-OFDM迭代接收算法，以及基于滑动迭代的异步多用户接收算法。发表论文10篇，授权发明专利2项，公开2项。相关研究获得国防科技卓越青年科学基金资助，及黑龙江省杰出青年科学基金资助。.E..完成水下高速通信节点研制，节点内置算法具备峰均比抑制、实时同步、多普勒频偏估计与补偿、信道估计与均衡、编码/译码等功能。并经外场实验验证了性能。