[01634320]基于最小误码率准则的水声信道均衡技术

① 课题来源与背景 课题来源于国家自然科学基金项目“基于最小误码率准则的水声信道均衡技术”（下达编号61171083）。水声信道属无线信道,由于具有超长时延稀疏多径、宽带多谱勒扩展、快速时变性、低带宽、高噪声等特殊性,水声无线信道被认为是最困难最复杂的无线信道,本课题针对水声无线环境的高速传输和可靠组网开展研究,并拓展到复杂环境下无线电通信领域,在高效通信和可靠组网方面取得一系列成果。 ② 研究目的与意义 当前无线通信系统亟待解决两个关键问题：一是如何在有限频谱资源下实现高速、可靠通信,另一个是如何在无线开放信道的负责环境下实现可靠的组网。本课题针对这两个关键问题,开展了高谱效/高能效调制解调技术、高精度信道估计与均衡算法以及无线自组织网络性能分析三个主要方向的研究,为后续的海洋信息网络的覆盖扩展,以及未来空天地海一体网络的研究提供技术支撑。 ③ 主要论点与论据 1、对水声信道而言,Turbo均衡技术是水声相干通信克服信道多径、消除码间干扰的有效工具。对于通信系统而言,误码率是其最根本的性能指标,而现有的水声信道均衡器主要采用最小均方误差准则,这类方法不是直接基于最小化均衡器输出信号的误码率,因此不能保证接收端误码率的最小化。此外,实际的水声通信系统,传统均衡不能保证满足最小误码率的条件,有必要考虑直接基于最小误码率的Turbo均衡器。 2、针对复杂无线信道,设计了系列性能增强的通信信号处理算法。在无线复杂信道下,可利用非正交多址接入和序号调制来提升系统多用户容量和传输能效。本课题提出了相应的信号检测及可靠传输方案。具体包括:（1）提出窃听信道下非正交多址的安全中继传输理论;（2）负责信道下基于部分信道状态信息的非正交多址传输方案; （3） 基于能量检测的频谱感知算法。 3、建立了复杂网络环境下动态网络容量与网络拓扑之间的数学关系,揭示了动态网络拓扑结构对网络性能的影响机理,给出了逼近网络性能极限的拓扑控制方法网络的拓扑结构决定了网络通信的容量极限以及业务承载能力。项目围绕复杂环境下网络容量与网络拓扑的本质关系这一问题,理论上,建立了网络传输容量的表达式,揭示了动态网络性能与点对点传输容量、多跳传输、链路可靠性以及空间复用传输之间的关系;技术上,根据该动态网络容量公式揭示的机理,给出了逼近网络性能界的网络拓扑控制方法。 ④ 创见与创新 本课题的创新性工作主要包括如下几个方面： 提出一种增强的协调交织OFDM-IM技术以改进序号比特和符号比特的误比特率性能,同时基于最大似然检测,推导出了该方案误比特率的一个理论上界闭式表达式。基于对数似然率LLR方法,提出一个准最大似然检测方案。理论分析与仿真均表明增强的协调交织OFDM-IM技术的频率选择性衰落信道下可以获得额外的分集增益。 本课题提出一种双扩展时变水声信道中OFDM系统的信道估计、均衡与符号判决联合处理的迭代方法,该方法以基扩展进行信道建模,同时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,新方法还考虑了每簇信道冲激响应可能具有不同的多谱勒扩展特性,算法采用迭代和面向判决的方式进行解调。仿真实验表明新方法可获得比传统方法更优的性能。 本课题提出了一种基于最小误码率准则的水下通信Turbo接收系统及方法,直接基于最小误码率设计水声信道均衡器,采用Turbo结构,均衡器和信道解码器之间迭代交换软信息,Turbo接收机的均衡器在每一次迭代中基于最小误符号率准则更新。具有灵活性高、均衡效果好等优点。 本课题围绕复杂环境下网络容量与网络拓扑的本质关系这一问题, 在理论上建立了网络传输容量的表达式,揭示了动态网络拓扑结构对网络性能的影响机理,给出了逼近网络性能极限的拓扑控制方法。 ⑤ 社会经济效益,存在的问题 正交频分复用具有频谱利用率高、抗多途干扰能力强等优点,多维调制与分集接收可以获得空间复用增益和分集增益,两者结合是实现高速、稳健无线传输非常有前途的方案。本课题研究了多载波序号调制、非正交多址等高谱效调制解调方案,并提出系统层面拓扑控制优化方案。所传输方案与接收算法在仿真与实测中获得良好的性能,获得了一些重要的研究成果。这些成果有望在未来的无线通信设备中进行应用,以提高系统传输速率或稳健性。 ⑥ 历年获奖情况。 1、 IEEE ICNC 2016最佳论文奖。 2、 IEEE ICCT 2019最佳论文奖。