（通信与信息系统专业论文）mimoofdm水声通信系统关键技术研究.pdf

摘要 摘要 o f d m 技术作为一种多载波调制技术，可以有效地克服频率选择性衰落。在 带宽较窄的水声信道中，严重的多普勒频移和水声信道的时变性等造成了信道的 不稳定，使水声信道呈现快速随机的深衰落；由于o f d m 系统对载波频率偏移比 较敏感，而水声通信过程中往往会存在较大的载波频率偏移，会造成严重的载波 间干扰，直接影响系统的性能。所以增加o f d m 系统的鲁棒性技术在水声通信领 域应用中非常重要。 m i m o 技术近几年持续发展，作为无线通信领域的关键技术之一，各种无线 通信系统中也越来越多地采用m j m 0 技术。在无线宽带移动通信系统方面，m i m o 技术相关的内容已经融入到第3 代移动通信合作计划( 3 g p p ) 的标准中，m l m o 技 术也融入到b 3 g 和4 g 的系统中。m l m o o f d m 在通信中的应用很广泛，m i m o 技术实现了频谱资源的重复利用，在不额外增加发射功率和传输带宽的前提下使 系统的容量得到倍增，性能得以极大提高，这些优点使其在频谱资源日趋紧张的 今天倍受青睐。针对于水声信道的特点，考虑将m i m 0 技术和0 f d m 技术融合， 不仅能使水声信道的多径干扰得到抑制，还能提高频率选择性深衰落的性能增 益，进而提高信道容量，实现高速的信息传输。本文将主要探讨水声通信中的 m i m o 一0 f d m 传输中的关键技术及m i m o o f d m 技术在水声通信中的应用研究。 本文的主要工作概括如下： ( 1 ) 基于对m i m o 和o f d m 通信系统的研究，构建基本的m i m o o f d m 通信系统。 论文在叙述m i m o 一0 f d m 技术的基础上，仿真了发射换能器和接收换能器不同组 合数目的情况下m l m o 一0 f d m 系统的性能。 ( 2 ) 基于对水声信道和m i m o o f d m 系统的研究，构建m i m o o f d m 水声通信系 统。并针对于水声信道特点，实现过采样、子载波调制、同步序列添加和提取等 子模块。 ( 3 ) 较高的峰值平均功率比( p a p r ) ，是限制o f d m 实用化的主要瓶颈之一， m i m o o f d m 系统也存在相同的问题，本文针对降低m i m o o f d m 系统峰均比的 各种方法进行研究和仿真。 ( 4 ) 本文还将研究m i m o o f d m 系统中的关键技术：空时编码，信道编码，信道 估计等等，并针对不同发射换能器数目与接收换能器数目系统情况进行仿真，最 摘要 后对m i m o o f d m 水声通信系统进行水池实验。 关键字：水声通信；m i m o o f d m 通信系统；空时编码 a b s t 憎c t a b s t r a c t o f d mt e c h n o l o g yi sam u l t 一c a r r e rm o d u l a t i o ns c h e m ew h i c hc a no v e r c o m et h e f r e q u e n c ys e i e c t i v ef a d i n gc h a n n e i se 仟e c t i v e i y h o w e v e t h e r ei s s e v e r ed o p p i e r s h i f tp h e n o m e n o na n dt i m ev a r i a b i i i t yi nt h en a r r 0 、 ，- b a n d w i d t hu n d e n ，a t e ra c o u s t i c c h a n n e lw h i c hc a u s e st h ei n s t a b i l i t ya n dar a n d o md e e pf a d l n go ft h eu n d e r w a t e r a c o u s t i cc h a n n e i t h ep e 南r m a n c eo ft h eo f d mm o d u i a t i o ns c h e m ew i id e c r e a s e r a p i d i yw h e ni t i sa p p i i e dt o u n d e n ，a t e ra c o u s t i cc h a n n e i sd i r e c t l ys l n c et h e u n d e r v v a t e ra c o u s t i cc h a n n e ic 妇t e r i s t i c sc a nb e s 1 姗m a r i z e da se x c e s s i v e c a r r e r s - f r e q u e n c y 。o f f s e ta n d s e v e t ei n t e r - c a r r i e r s i n t e e r e n c e t h e r e f o r e ， t h e r o b u s t n e s so ft h eo f d mt e c h n o i o g yn e e d st ob ei m p r o v e di n t h ef l e i do ft h e u n d e n ，a t e ra c o u s t l ca p p c a t i o n s t h em i m ot e c h n o l o g yd e v e i o p sp e r s l s t e n t i yi nr e c e n ty e a r s a so n eo ft h ek e y t e c h n o i o 百e si nt h ef i e i do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，i ti s u s e di nm o r ea n dm o r e w i r e i e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 1 nt h ew i r e l e s sb r o a d b a n dm o b 订ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，t h em i m os c h e m eh a sb e e ni n t e g r a t e d i n t ot h e 3 r dg e n e 陀t i o nm o b i i e c o m m u n i c a t i o n sc o o p e r a t i o npr i e c ts t a n d a r d s ( 3 g p p ) i ti sa l s oi n t e g r a t e di n t ot h e b 3 ga n d4 gs y s t e m s m i m o - o f d mt e c h n o i o g yi su s e db r o a d i yi nt h ec o m m u n i c a t i o n w i t ht h i st e c h n o l o g ，易s p e c t r u mr e s o u r c e sc a nb er e u s e da n dt h ec a p a c i t yo ft h e s y s t e ml sd o u b l e da tt h ec o n d i t i o n0 fn oe ) ( t r at 阳n s m i tp o w e ra n dt 旧n s m i s s i o n b a n d w i d t h m e a n w h i i e ，t h ep e 0 r m a n c ec a nb ei m p r o v e d ，s oi t i sg r e a t l yc o n c e r n e d t o d a y h e r ew ec o n s i d e rac o n f l u e n c e0 fm i m ot e c h n i q u e sa n do f d mt e c h n o i o g i e s w h i c hw i n o to n l ys u p p r e s st h ei n t e - e n j n c eo ft h em u i t i p a t hc h a n n e i s ，b u ta i s o 0 v e r c o m et h ef r e q u e n c ys e i e c t i v ed e e p 伯d i n gc h a r a c t e r i s t i c i nt h eu n d e n ，a t e r a c o u s t i cc h a n n e i h e n c e ，t h ec h a n n e ic a p a c i t yw i b ei m p n ) v e da n dh i g h s p e e d i n f o r m a t i o nt 旧n s m i s s i o nc a nb ea c h i e v e d t h ek e yt e c h n o i o g i e so fm i m o o f d ma n d t h er e s e a r c ho fm l m o o f d mi nu n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o na r em a i n i y d i s c u s s e di nt h i sp a p e l t h em a i nc o n t e n t sa r es u m m a r i z e da sf 0 o w s ： a b s t 阳c t ( 1 ) b a s e do nt h em l m 0 一o f d mt e c h n o i o g y ，t h ep e r f o r m a n c e o ft h em f m o o f d m s y s t e m si nd “f b r e n tn u m b e r so fe m i s s i o nt r a n s d u c e r sa n dr e c e i v i n gt r a n s d u c e r si s s i m u i a t e d ( 2 ) t h em i m o o f d mu n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a s b u 1 db a s e d o nt h er e s e a r c ho fu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e i sa n dm v l o - o f d mc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，t h es u b m o d u l e so fo v e rs a m p i i n g s ，s u b c a r r i e rm o d u i a t i o n ，a d d i n ga n d e ) c t r a c t i n gt h es y n c h r o n i z a t i o ns e q u e n c e si s a c h i e v e df o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e u n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e i ( 3 ) h i g hp e a i “o a v e r a g e p o w e r - r a t i o ( p a p r ) i so n eo ft h em a i nd r a w b a c k sw h i c h i l m i tt h ep r a c t i c ea p p i i c a t i o n0 ft h eo f d ms y s t e m ，s od o e st h em im o - o f d m s y s t e m v ar o u sm e t h o d sh a v eb e e np n ) p o s e dt 0r i e d u c et h ep a p ro ft h em i m o o f d m s y s t e ma n dt h e ya 陀s i m u i a t e df o rt h eh i g h p a p r0 f d ms y s t e m sa n dm l m o o f d m s y s t e m si nt h i sp a p e r ( 4 lt h ek e yt e c h n o i o g i e so fm v l o - o f d ms y s t e m s ，s u c ha ss p a c e 。t i m ec o d i n g ， c h a n n e ic o d i n g ，c h a n n e le s t i m a t i o ni ss t u d i e da n dt h ee x p e r i m e n t sw i t hd i 仟e r e n t n u m b e r s0 fe m i s s i o nt r a n s d u c e r sa n dr e c e i v i n gt r a n s d u c e r sa r ec o n l p i e t e di nw a t e r p 0 0 i k e y w o r d s ：u n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n ；m i m o o f d mc o m m u n j c a t i o n s y s t e m ；s p a c e - t i m ec o d i n g i v 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 由于海洋拥有丰富的资源和广阔的空间，人类对海洋的活动日益频繁，原本 看似局限性的水声通信由最初的军事领域，拓展到更广泛的民用领域。首先应用 在军事方面，要求水声通信对其进行指挥和控制，水下武器系统日益智能化，如： 母舰与潜艇之间的通信、潜艇之间的通信或其它水下无人操作作战平台之间的通 信，水下航行器的实施监测和导航，以及水雷的远程声遥控等。其次在民用方面 的应用，如水下语音、指令、图像的通信、传送、传输，海岸上的遥测、海底数 据的勘探，以及监测环境系统中的污染数据，采集水文站的数据等等，如此广泛 的需求，使水声通信的研究需求、使用需求越来越大。 水声通信技术虽已有多年的研究历史，一直未取得突破性的进展，直到2 0 世纪8 0 年代，飞速发展的通信技术和计算机技术为水声通信的研究提供了强大 的技术支持，带来了良好的发展契机，水声通信技术在研究手段和方法上也发生 了根本的变化，也彻底改变了水声通信的面貌。海洋声学以及通信工程也成为现 代高速的数字水声通信系统的设计需要考虑的两个方面，例如研究在水声通信中 如何应用无线电磁波通信中的成熟技术，探索水声信道的不利因素对信号的影响 中，提出了新的特殊的信号处理方法。在过去几年的广泛研究，大家已经提出了 很多水声通信信号处理的特殊方法，而且，水声通信已经成为应用工程学中的一 个特别重要的研究方向n 1 。 1 2 水声通信的发展 1 9 1 4 年水声电报系统的研制成功，并在英国海军的巡洋舰上的成功应用， 开启了水声通信的历史圆。1 9 4 5 年，第一套运行良好的水下电话系统诞生于美国， 并成功用于潜艇间的通信口1 。早期的水声通信研究中，多采用模拟频率调制技术， 例如在5 0 年代末研制的调频水声通信系统中应用了w h o i ( w 0 0 d sh o i e o c e a n o g r a p h i ci n s t i t u t i o n ) ，完成了水底到水面船只的通信h 1 。7 0 年代以来，电子 技术和信息科学突飞猛进的发展为水声通信系统注入了新的活力，此时的水声通 信系统也开始逐渐采用数字调制技术。 长期研究以来，频移键控( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n f s k ) 调制方式被认为是最佳 1 第一章绪论 的克服水声通信中的多径传播的调制方式。在实际应用中，传输过程中的多径和 相位起伏的问题常常通过这种非相干检测的方式来避免嘲。这种调制方式的优势 在于它的可靠性非常高和可观的频率分集增益，特别适用于低比特率的命令信息 的远距离传输以及导航控制。但是，这种调制方式弱势在于需要较宽的频带宽度， 比较低的频带利用率，并且对信噪比的要求较高。当存在多普勒频移的外界环境 时，还必须对频率富裕度进行一定的设置，这样就不能使有限的水声信道带宽得 到充分利用。另外，这种调制方式虽然避免了载波相位恢复的问题，但多途引起 的符号间干扰问题并没有解决。有些系统为了消除符号间干扰，采用在连续的码 元间插入一定的间隔，但这样的后果降低了通信的速率。 在水声通信中的研究采用相移键控调制方式始于上世纪8 0 年代初。在接收 机中采用决策反馈均衡器( d f e ) 和锁相环( p l l ) 在相干接收发展中具有里程碑意 义。在传统的水声传播系统中，相干接收的主要障碍是时变起伏，但在实际中使 用d e f 和p l l ，也要考虑复杂和时变的估计和跟踪信道脉冲响应。非相干接收机 都是尽力避开码间干扰的影响，而相干接收机则主要减小i s l 的影响，以确保相 位参考的可靠性阳1 。 相位相干调制包括差分相干调制和绝对相干调制。由于有效的载波恢复难以 实现，最初大多使用差分相移键控方式( d p s k ) 的相移键控系统。采用差分相干调 相不但不要求相干载波，而且在抗频漂能力、抗多径效应以及抗相位慢抖动能力 方面都比采用相干解调的绝对调相优越，但由于受参考相位中噪声的影响，不能 抵抗很强的噪声。 近年来，相干解调技术在中、远程浅海水平信道中的应用，也展现了令人瞩 目的成果，例如直接序列扩展频谱( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，d s s s ) 技术h 3 ， 该技术可以显著地抑制海面反射的干扰。而这一技术的缺点是频带利用率较低， 在水下声信道中，如果频带严重受限，信息传输速率不是很高。以一个差分相移 键控( d i 仟e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g ，d p s k ) 系统为例，采用d s s s 技术的此系统可以 抑制深度为1 0 米长度为1 公里海洋信道内的强多径作用，数据率达到6 0 0 b p s ， 扩展带宽为1 0 k h z 嘲。 另一显著的成果是相位相干通信，它是基于判决反馈均衡技术的。综合了均 衡与同步参数估计联合处理，利用了多进制相移键控( m a r yp h a s es h i f tk e y i n 2 第一章绪论 m p s k ) 技术，保证了信息在海洋水声信道中的远程传输。并且在对该技术的研究 中，我们看到比较好的实验结果，在深海环境中( 1 1 0 海里) ，实现了3 3 3b p s 的 可靠远程传输；在( 4 8 海里) 浅海环境，实现了5 0 0b p s 的远程传输速率旧1 。 水声通信的研究主要集中在世界上的美、英、日、法等发达国家的大学和科 研机构，许多应用产品也开发于一些国外的公司，而我国对这此面的研究工作起 步相对较晚。2 0 世纪9 0 年代中后期以来，水声通信新技术的研究在全世界范围 内展开，水下通信网络技术、码分多址( c o d ed l v i s i o nm u i t p i ea c c e s s ，c d m a ) 扩频 技术、水下多载波调制技术、空间分集技术等，也获得了一些令人鼓舞的初步成 果。最近几十年来水声网络和水声通信技术发展迅猛，同时水声通信发展也面临 前所未有的挑战u 引。 多载波技术中的o f d m 系统的种种诱人的优点，上世纪9 0 年代中后期，有 人逐渐开始对o f d m 应用于水下通信的研究。最早期的o f d m 水下通信系统由 s c o a t e i a n 等人设计，他们在许多个载波上采用z f s k 调制方式，这个系统实际上 是个m f s k 调制系统n 。在试验中，他们在2 k m 距离上，3 6 k h z 带宽的条件下， 达到了2 5 0 b p s 的传输率，而最终的误码率不大于l o 4 。最初的这个结果，并没 有完全展现出o f d m 的优越性。其后，e 1 1 e b 刨n a i 等人设计了采用正交脉冲波形 同时发送数据和训练序列的0 f d m 系统，取得较好的仿真结果，但它的弱势在于 额外增加的带宽和训练序列上的功率浪费n 2 1 。w k l a m 等人设计了采用频域均衡 以及伪随机序列完成信道估计和同步的o f d m 系统，仿真中获得了很高的频率利 用率和较低的误码率n 副。k m i y o sh 设计的o f d m 系统与c d m a 相结合，并加入 纠错码和基于d s p ，实现了5 k m 距离4 5 0 b p s 速率的仿真传输，可以达到1 0 一5 的误码率。但是这些研究都只停留在初步的探索阶段，大部分只是给出了仿真的 结果，缺少试验结果支持n 盯n 朝。 近年来，我国的一些科研单位和科研工作者也进入到这方面的研究中。例如 西北工业大学顾中国、李斌等人，设计的1 0 k h z 带宽的o f d m 系统，在1 k m 距 离上可以实现1 0 k b p s 的传输率，该系统在海试中误码率达到5 。 总之，由于水声信道的多变性和复杂性，国内外对于o f d m 技术在水声通信 领域中的研究还不成熟，许多方面还有待于更为深入的研究，随着0 f d m 的特殊 优势的逐渐展示，将会吸引着更多的人们投入到这个领域的的进一步全面研究。 3 第一章绪论 1 3o f d m 基本介绍 o f d m ( o r t h o g o n a if r e q u e n c yd i v i s i o nm u i t p l e i n g ) 即正交频分复用技术，实 际上o f d m 是m c m ( m u i t i - c a r r i e rm o d u i a t i o n ) 多载波调制的一种。其主要思想是： 将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制 到每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这 样可以减少子信道之间的相互干扰i c i 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相 关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而 且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容 易。在向b 3 g 4 g 演进的过程中，o f d m 是关键的技术之一，可以结合分集，时 空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高了系统性能。 包括以下类型：v - o f d m ( v e c t o ro f d m ) ，、 - o f d m ( w i d e - b a n do f d m ) ， f - o f d m ( f i a s ho f d m ) ，m l m o o f d m ，多带o f d m ( m u - b a n do f d m ) 。 0 f d m 技术的应用已有近4 0 年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统。 但是，一个o f d m 系统结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到上世纪 7 0 年代，人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构， 使得o f d m 技术更趋于实用化。8 0 年代，人们研究如何将o f d m 技术应用于高 速m o d e m 。进入9 0 年代以来，0 f d m 技术的研究深入到无线调频信道上的宽带 数据传输。目前o f d m 技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通 信系统，主要的应用包括：非对称的数字用户环路( a d s l ) 、盯s i 标准的数字音 频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、高清晰度电视( h d t v ) 、无线局域网( w l a n ) 由譬 1 6 寸。 正交频分复用o f d m ( 0 r t h o g o n a if r e q u e n c yd i v i s i o nm u p i e x ) 是一种多载波 调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的 基本原理是将信号分割为n 个子信号，然后用n 个子信号分别调制n 个相互正 交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。下图 是o f d m 基带信号处理原理图。其中，图1 1 是发射机工作原理，图1 2 是接收 机工作原理。 4 第一章绪论 图卜1 发射机工作原理 图卜2 接收机工作原理 子载波间存在3 种不同的设置方式，如图1 3 所示。其中( 1 ) 是传统的频 分复用，将整个频带划分成n 个不重叠的子带，在接收端分离通过滤波器组进 行，优点是简单、直接；缺点是频谱的利用率太低，在信道之间要加入保护频带， 而且比较难实现多个滤波器；其中( 2 ) 采用偏置q a m ( 5 q a m ) 技术，其复合谱 是平坦的，在3 d b 处载波频谱重叠，子带的正交性通过正交子带或交错同相的数 据得到( 即将数据偏移半个周期) ；第3 种方案即o f d m ，各子载波有1 2 的重叠， 但保持相互正交，没有使用滤波器组，在接收端通过相关解调技术分离出来，使。 频谱效率提高近1 倍n 订。 厂vv 。 j j| ( 1 ) 传统的频分复用 (卜 k ( 2 ) 3 d b 频分复用 图l 门子载波频率设置 ( 3 ) o f d m o f d m 存在很多技术优点，被运用在3 g 、4 g 中；在窄带带宽下也能够发出 大量的数据，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，o f d m 技术能够 持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，所以o f d m 能动态地与之相适 应。该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或 干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信，需要 确认o f d m 技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及 s 第一章绪论 将信号散播的地区。o f d m 技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。 可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传 输。通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。o f d m 技术抗窄带干 扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。可以选用基于i f f t f f t 的o f d m 实现方法；信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为 重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2 b a u d h z n 引。基于o f d m 的m i m o 通信系统被认为非常可能提高水下声学系统的性能、带宽利用率以及 分布式发射机之间合作性能盯 。 1 4m l m o 技术的起源和发展 对未来移动通信，你们提出了很多的畅想，超( 后) 3 g 或4 g 的概念就是其一， 多个国际标准化论坛和组织也积极投入到未来移动通信的研究中。4 g 系统研究 中最为积极的国家和地区有美国、欧盟，东亚的日本、韩国和中国，开始研制 b 3 g 4 g 无线传输试验系统的国际研究机构和公司有美国m o t o r o i a 、德国 s i e m e n s 、欧洲“第六框架研究计划、日本n 丌d o c o m o ，我国2 0 0 2 年移动通信 重大项目8 6 3 “f u t u r e 计划 的启动，其中非常引人瞩目的有n t t d o c o m o 公司 的4 g 研究工作，在终端慢速移动的情况下，他们的试验系统可以提供5 g b p s 的 下行峰值速率。m i m o 和无线中继是4 g 系统中的两项关键技术。新型无线通信 系统中，装配有多个天线的无线传输的终端和基站，构成了多输入多输出系统， 也就是m l m o 系统如图1 4 所示n 钔。m l m o 技术的基本原理是：在通信系统的发 送和接收端配置多个天线，通过传播空间中丰富的散射，形成多条物理到达的射 频链路，从而提高系统容量或增强系统的鲁棒性。 m a r c o n l 最早于1 9 0 8 年提出m i m o 技术，2 0 世纪7 0 年代，用于通信系统的 m i m o 技术的概念被提出。9 0 年代之后，m i m o 技术在无线通信中的应用奠定基 础是由美国电话电报公司b e 实验室的学者对m i m o 技术的研究完成的。1 9 9 5 年t e l a t a r 关于衰落信道中的m i m o 系统容量的论述；1 9 9 6 年f o s c h i n i 一种 m i m o 信号处理算法一d b l a s t ( 对角分层空时复用) 算法的提出口；1 9 9 8 年 t a r o k h 等用于m l m 0 系统的s t t c ( 空时格码) 技术的给出2 刳；1 9 9 8 年w o l n a n s k y 等人基于v - b l a s t ( v - b l a s t ) 算法的m l m o 实验系统的建立1 ，该系统在室内试 验中的频谱利用率达到2 0 b i t s h z 以上，在传统系统中这一频谱利用率难以实现。 6 第一章绪论 h 图卜4m i m o 传输示意图 2 0 0 2 年1 0 月，在朗讯公司贝尔实验室世界上第一颗b l a s t 芯片问世，第一 款结合了贝尔实验室l a y e r e ds p a c et i m e ( b l a s t ) m i m o 技术的芯片在贝尔实验室 研究小组宣布下被推出，这一芯片的天线布局最高支持4 4 ，可处理1 9 2 m b p s 的最高数据速率。在3 g 移动网络中b l a s t 芯片的终端能够接收每秒1 9 2 兆比特 的数据，现在该技术用于移动通信，朗讯科技已经开始在f l e e n to n e 盯s 家族的 系列基站中应用此b l a s t 芯片，同时还计划授权使用该b l a s t 芯片的终端制造商， 以提高高速数据接入时无线3 g 数据终端的支持能力。 2 0 0 3 年8 月，a g n l 0 0 w i f i 芯片组由a r g on e t w o r k s 推出，并被称为是世界 上集成了多入多出( m i m o ) 技术的第一款批量上市产品。w i f i 的速率被提高到每 信道1 0 8 m b p s ，是多天线传输和接收技术在a g n l o o 的使用，可以同时与所有常 用w i f i 标准的兼容。该产品由两片芯片构成，一片是b a s e b a n d m a c 芯片 ( a g n l o o b b ) 和另一片是r f 芯片( a g n l o o r f ) ，并且采用一种可伸缩结构，制造商 可以实现单天线系统提升其他r f 芯片性能，或者只通过一片r f 芯片。该芯片支 持所有的8 0 2 1 1a 、b 和g 模式，包含最新的i e e e8 0 2 1 1 工作组推出的标准，( 包 括t g i 安全和t g e 质量的服务功能) 。 m i m o 技术近几年持续发展，作为无线通信领域的关键技术之一，各种无线 通信系统中也越来越多地采用m i m 0 技术。在无线宽带移动通信系统方面，m i m o 技术相关的内容已经融入到第3 代移动通信合作计划( 3 g p p ) 的标准中，m i m o 技 术也融入到b 3 g 和4 g 的系统中。在无线宽带接入系统中，m l m o 技术也被正在 制订中的8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 1 n 和8 0 2 2 0 等标准采用。超宽带( u w b ) 系统、感知无线 电系统f c r ) 等其他无线通信系统研究中，都能看到m i m 0 技术的应用前景。但也 有些限制m i m o 发展的因素，例如天线数目如果增加，实现m l m o 技术越来越 7 第一章绪论 复杂，从而不能大幅地扩大天线的数目，m i m o 技术的优势也不能得到充分发挥。 目前，业界面对的巨大挑战是如何降低m i m o 技术的实现复杂度和算法复杂度， 但又能保证一定的系统性能。m i m o 技术在过去的几十年获得了极大关注，而且 逐渐被应用于水下通信系统口8 1 。 1 5 水声中研究m i m 0 - o f d m 的重要性 o f d m 技术作为一种多载波调制方式，它可以有效地克服频率选择性衰落。 其基本原理是信道被分成多路正交的子信道，同时各子信道的载波间保持相互正 交，频谱相互重叠，从而减少了对子信道的干扰，提高了频谱的利用率，尽管整 个信道有可能是极不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落却是近似平坦的， 所以可抗频率选择性衰落。但是带宽较窄的水声信道中，存在严重的多普勒频移 现象，且时变性等造成了信道的不稳定，使水声信道呈现随机的深衰落。由于 0 f d m 系统对载波频率偏移比较敏感，而水声通信过程中往往会存在较大的载波 频率偏移，会造成严重的载波间干扰，直接影响系统的性能。所以必须探索改进 的o f d m 技术在水声领域的应用口4 1 。 高速水声通信面临最困难的问题就是多途干扰，其中码元的自多途引起接收 信号的幅度衰落，码元间的互多途引起接收信号的码间干扰；再加上海洋环境的 高噪声背景、低的载波频率、极为有限的带宽以及传输信道的时间空间频率变 化特性，使水声信道成为迄今为止最困难的无线通信信道；正因为如此高速可靠 的水声通信已成为世界性的难题口钔。水声通信的发展趋势由最初的非相干通信逐 渐向相干通信扩展，信号处理芯片计算能力的增强，硬件水平的不断提高，各种 复杂的、新的技术，如自适应均衡技术、空间调制技术、分集接收技术、盲均衡 技术等也在逐渐被应用在水声通信的信号处理算法、调制方式中。但水声信道的 特殊性和复杂性仍然是困扰水声通信的重要难题，至今仍然没有很好的解决办 法。在具有时间、频率、空间选择性，时变衰落，多径扩展等的水声信道中，信 号的传播特性十分复杂乜湖1 。在环境恶劣的水声通信中，多径干扰引起的码间干 扰的消除和多普勒频偏的补偿是水声通信研究的重点m 3 1 1 。所以，为了水声信道 中高速、稳定的信息传输的实现，必须在新的技术中做更多的探索研究。 发射功率受限、频带受限以及信道的衰落特性等构成了阻碍高速传输的几大 因素。为此，人们在调制、编码、分集、信号处理等方面进行了深入的研究。众 8 第一章绪论 多新技术中，基于空间分集的多输入多输出( m i m o ) 技术被认为是最有前途的解 决方案之一。m i m 0 技术的核心思想是：在通信链路的收、发两端分别配备多根 天线，发射机将多路子数据流映射到不同的发射天线并同频、同时发送；接收机 利用多径信道的空间不相关特性从混合信号中分离出原始子数据流。m i m o 技术 实现了频谱资源的重复利用，在不额外增加发射功率和传输带宽的前提下使系统 的容量得到倍增、性能得以极大提高，这些优点使其在频谱资源日趋紧张的今天 倍受青睐。o f d m 技术可以对抗水声信道中的多径传播并能实现高的频谱效率， 空时编码技术则能够获得空间增益咖1 。m l m o 技术被广泛认为是水声通信中克服 带宽限制的海上通道。同时采用o f d m 调制，可以提高频谱效率和鲁棒性，并保 持均衡器结构简单。将m i m o 技术和o f d m 技术融合起来，不仅能使水声信 道的多径干扰得到抑制，还能使频率选择性深衰落信号变得更好，提高信道容量， 实现高速的信息传输。 9 第二章m i m 0 旬f d m 水声通信系统 第二章m l m o o f d m 水声通信系统 2 1 水声信道环境 海洋环境中的水声信道是随机时空频变且极其复杂的多途径传输的水声 信道，它的特点有带宽窄、载波频率低、环境噪声高、传输延时大等，水声通信 系统受这些因素制约，使它的数据传输速率和通信质量不能很高。因此，很多专 家认为水声信道是最恶劣的无线传输媒介，同时不同变化的水文条件也对水声信 道的复杂性产生影响。 2 1 1 海洋噪声产生 通常只有一些特殊的地方才有特殊位置的噪声，例如：波浪撞击、下雨、震 动、以及远洋运动，冰雪融化时，冰块进入水下时产生的噪声；这些噪声并不是 所谓的白噪声。水声信道的噪声包含了这些特殊位置的噪声和环境噪声。 在浅海中，环境噪声指的是风声噪声、行船及工业噪声和生物噪声等三种不 同类型的噪声混合而成的噪声，而噪声级则取决于其特定的时间和地点的噪声源 的“混合”情况。所以，噪声级也就表现出时时处处的明显变化，因为各种不同 类型噪声混合的情况随时间、地点而不断变化。除此之外，水下突发尖峰脉冲噪 声( i m p u i s i v en o i s e ) 也比较强。系统受这种很难被建模的尖峰脉冲的影响很大。 浅海信道受所有的这些的影响，变成为一个时变、空变剧烈的噪声信道，而且很 困难给出噪声的统计表达式。 2 1 2 海洋传播损耗 海里声音的传播受到很多方面的影响，例如海水的物理特性和化学特性。声 音在海水被吸收，是由三种效应引起：通常切变粘滞性效应是第一种；体积粘滞 性是第二种；由硫酸镁分子的离子弛豫是第三种。所谓的柱型扩展的出现，就是 指在浅水域，声信号的传播都是被困在一个以海底为底到水面的柱型范围。作为 传播损失的另一种形式，吸收包含着声能转变为热能的过程，因而真正的声能在 传播介质中的损失由它代表。 当只要求传播损失近似时，而不计具体传播条件，用球面扩展加吸收效应可 1 0 第二章m i m 良0 f d m 水声通信系统 以进行简单的估算。在水声信道的传播损耗环境中，利用球面扩展和吸收效应估 算声音可以表示成公式( 2 1 ) ： 死= l o l o g ，- + 口，- 1 0 。3 ( 2 - 1 ) 其中，球面扩展的影响由第一项表示，吸收的影响传播损耗由第二项表示， 皿的单位为宓。吸收系数表示为口，单位为扔砌，传播距离表示为，单位 为米。根据经验，可以用公式( 2 2 ) 表示几百赫兹以上的吸收系数口： a ：鬈+ 羔+ 2 7 5 1 0 。2 + o 0 0 3 ( 2 2 ) 弘膏+ 高+ 2 。7 5 埘0 1 + u 0 0 3 ( 2 之) 其中，厂表示信号频率，单位为k h z 。 可以使用公式( 2 3 ：) 来表示更低的频率的吸收系数。 删0 0 2 + 等删旷 ( 2 _ 3 ) l + ， 2 1 3 多普勒效应 当发送机和接收机之间存在相对运动或信道中水的流动时，接收到的信号就 会产生多普勒频移v 。发送机与接收机相对运动的速度以及声速，都对鲈大小 产生影响，表达式为公式( 2 4 ) ： ：兰c o s 妒( 2 _ 4 ) c 这里，1 ，表示发射机与接收机之间相对运动的速度，9 表示信号传输方向与 径向运动速度之间的夹角。 声波的速率，相比电磁波低很多，因此会产生非常大的多普勒效应。即使收 发两端没有运动，水下机器的移动速度也相对很慢，但是水下机器也会跟随着水 流、波浪和潮水等介质而运动。在水声系统的设计时必须考虑一个因素，发射机 和接收机之间的相对运动。同时，同步和信道估计算法的性能也会受运动引起的 失真的影响。 多普勒扩展即为，由多普勒频移而导致的衰落过程的频率扩散。由于多普勒 频移的作用，接收端接收到的单频信号频谱的频率会产生扩散，由z 谱线变为有 1 1 第二章m l m 0 旬f d m 水声通信系统 限谱带宽从z 一厶到z + 乃。信道的多普勒扩展指的是接收信号的多普勒功率 谱上非零值的多普勒频率的取值范围，用来表示。多普勒扩展成反比于信道 的相干时间乙，即= 1 玩。 2 2 多输入多输出( m l m o ) 系统 水声通信中的单输入单输出( s i s o ) 系统、单输入多输出( s i m o ) 系统和多输入 单输出( m i s o ) 系统作为多输入多输出( m i m o ) 系统的特殊情况和简单情况。为了更 容易的理解水声m i m o 系统，首先引出了单输入单输出( s i s o ) 系统、单输入多输 出( s i m o ) 系统和多输入单输出( m l s o ) 系统。 2 2 1 单输入单输出i s l s o ) 系统 单输入单输出( s i s o ) 水声系统如图2 1 所示。发射换能器x ( f ) 发射信号，经由 水声信道，此信道的冲激响应为厅o ) ，信号被接收端r o ) 接收。信号的带宽假设 足够小，信道的频率响应可认为是平坦的，则信道的冲激响应为如式( 2 5 ) 为： 办= l 厅i p 坤 1 2 5 ) 式中江厅。此处收到的信号，o ) 表示为公式( 2 6 ) ： o r u ) = ix p ) 办o f ) 出+ 胛o ) j m = x ( f ) l 办p 却6 0 r )