水聲雙擴(kuò)展信道空時(shí)Turbo通信系統(tǒng).pdf

1、本文瞄準(zhǔn)信道不確實(shí)性下的有效、可靠通信，以信息理論、信號處理和傳播物理為支柱，構(gòu)建通信問題中的最佳瞬態(tài)觀察者，即逼近香農(nóng)信道容量限的Turbo通信系統(tǒng)。結(jié)合傳播物理，研究動(dòng)態(tài)稀疏時(shí)延—多普勒雙擴(kuò)展信道的解卷估計(jì)問題，這屬于欠定逆問題的求解。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了雙擴(kuò)展信道估計(jì)與判決迭代均衡相協(xié)同的水聲通信系統(tǒng)，提高了雙擴(kuò)展條件下的通信性能。由于空時(shí)陣可以通過復(fù)用與分集對信道容量、系統(tǒng)通信差錯(cuò)率等性能帶來質(zhì)的提升，因此從估計(jì)理論與信息理論相結(jié)

2、合的角度，提出了作為最佳瞬變觀察者的空-時(shí)-頻廣義旁瓣抵消器，實(shí)現(xiàn)了信道不確實(shí)條件下的有效、可靠通信。
　　Turbo通信系統(tǒng)是一個(gè)逼近香農(nóng)信道容量限的最佳瞬態(tài)觀察者。Turbo原理可以公式化為:采用迭代更新的外信息作為先驗(yàn)信息對符號和碼進(jìn)行序貫貝葉斯估計(jì)。Turbo原理實(shí)質(zhì)上由:(1)狀態(tài)—空間模型(2)新息過程(3)反饋三要素組成，因而是通信問題中的最佳瞬態(tài)觀察者。為了研究Turbo通信系統(tǒng)的有效性，首先需要回答的是通信性能限

3、的問題，即:在給定信道環(huán)境中最終能達(dá)到的可靠通信傳輸率是多少。香農(nóng)信道容量定理表明，存在通信系統(tǒng)能達(dá)到信道容量限，且該容量限是緊致的，因此信道容量提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來量化地衡量Turbo通信系統(tǒng)的性能。在本文所給出的例子中，Turbo通信系統(tǒng)僅與信道容量所預(yù)測的最小可靠通信信噪比相差1.4dB，體現(xiàn)了Turbo通信系統(tǒng)的有效性。
　　Turbo通信系統(tǒng)在雙擴(kuò)展信道下的具體運(yùn)用，需要傳播物理來推動(dòng)。本文從波動(dòng)方程出發(fā)，分析了稀疏時(shí)延—多

4、普勒雙擴(kuò)展信道的物理成因，以波數(shù)積分法推導(dǎo)出波導(dǎo)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)聲源產(chǎn)生的聲場物理表達(dá)式。由于深度分離格林函數(shù)僅在少數(shù)幾個(gè)水平波數(shù)值處有較大的非零值，從而在物理源頭就保證了信道在時(shí)延—多普勒維度上的稀疏性。時(shí)延—多普勒雙擴(kuò)展信道的解卷估計(jì)是一個(gè)欠定逆問題，常規(guī)的過定最小二乘方法失效，有無窮多個(gè)解。傳播物理所導(dǎo)出的信道稀疏性這一物理先驗(yàn)，為約束優(yōu)化方法開發(fā)利用并對解空間施以約束，使得欠定逆問題可解，其性能優(yōu)于正向匹配求解逆問題的互模糊度函數(shù)方法

5、，因?yàn)檎龁栴}方法沒有利用該物理先驗(yàn)。由于海表面波和內(nèi)波等因素的影響，時(shí)延—多普勒雙擴(kuò)展信道還具有動(dòng)態(tài)特性，需要開發(fā)對信道的稀疏序貫估計(jì)理論。本文為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)稀疏雙擴(kuò)展信道的序貫估計(jì)方法，將約束優(yōu)化問題等價(jià)為求各約束集的交集問題。每個(gè)時(shí)刻的接收序列會產(chǎn)生一個(gè)新的約束集，并且以不斷往約束集上投影的方法最終收斂于信道的真實(shí)解。
　　在解決了動(dòng)態(tài)稀疏時(shí)延—多普勒雙擴(kuò)展信道估計(jì)問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了雙擴(kuò)展信道估計(jì)與判決迭代均衡相協(xié)同的水聲通信

6、系統(tǒng)。水聲通信向來將信道的時(shí)延—多普勒雙擴(kuò)展及其變化視為其最大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)基于多普勒頻移補(bǔ)償?shù)南喔赏ㄐ偶夹g(shù)并不能在時(shí)延—多普勒雙擴(kuò)展信道中實(shí)現(xiàn)可靠通信。第一個(gè)結(jié)合試圖將雙擴(kuò)展信道視為機(jī)遇并由此獲取處理增益。由此得到的新處理器可視作水聲雙擴(kuò)展信道下的最佳瞬態(tài)觀察者，在該信道中能夠?qū)崿F(xiàn)有效、可靠通信。從處理器結(jié)構(gòu)上看，其均衡器部分在時(shí)一頻兩維上實(shí)現(xiàn)接收分集，可以可靠工作在時(shí)延—多普勒雙擴(kuò)展信道下;而均衡器與解碼器之間的新息迭代又極大地降低系

7、統(tǒng)的誤符號率和誤碼率，使之逼近香農(nóng)信道容量限，從而具有通信的有效性。
　　在實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)結(jié)合的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研究空時(shí)Turbo通信系統(tǒng)。首先要回答的問題是為什么要空時(shí)陣，為什么要與空時(shí)陣系統(tǒng)相結(jié)合。本文從多個(gè)角度回答了這一問題。首先推導(dǎo)了衰落信道下空時(shí)陣通信系統(tǒng)的通信差錯(cuò)概率為:P(error)～Gc·SNR-Gd(1)其中編碼增益Gc提供的是乘性增益，而由空時(shí)陣通信系統(tǒng)所帶來的分集增益Gd則體現(xiàn)在使得通信差錯(cuò)概率隨信噪比上升

8、而指數(shù)下降上，顯然要提供比編碼增益可觀得多的性能改善。對本文所研究的動(dòng)態(tài)時(shí)延—多普勒雙擴(kuò)展信道下的空時(shí)Turbo陣通信系統(tǒng)而言，推導(dǎo)得出Gd∝nrnt(M+1)L，即從發(fā)射、接收、多路徑和頻率四維分集來提高系統(tǒng)系能。因此從可靠性即對系統(tǒng)通信差錯(cuò)概率的控制上，發(fā)展空時(shí)Turbo陣通信系統(tǒng)將帶來非?？捎^的好處。從香農(nóng)信道容量的角度看來，空時(shí)陣通信系統(tǒng)可以通過復(fù)用使得信道容量隨著有效信道數(shù)目呈線性比例增長;也可以通過分集使得衰落信道中斷容量為

9、一定時(shí)的中斷概率指數(shù)下降。既然空時(shí)陣通信系統(tǒng)可以通過復(fù)用與分集對通信系統(tǒng)的有效性與可靠性帶來質(zhì)的提升，因此有必要實(shí)現(xiàn)雙擴(kuò)展信道下的空時(shí)Turbo通信系統(tǒng)。
　　為了使最佳陣處理系統(tǒng)可靠地工作在雙擴(kuò)展信道下，將最佳陣處理器的等價(jià)形式—廣義旁瓣抵消器推廣至?xí)r延—多普勒雙擴(kuò)展信道，得到空—時(shí)—頻廣義旁瓣抵消器，通信系統(tǒng)通過空間—時(shí)延—頻率分集與復(fù)用來極大地提高通信速率和可靠性。從估計(jì)理論與信息理論相結(jié)合的角度，提出雙擴(kuò)展信道下的空時(shí)Tu

10、rbo陣通信系統(tǒng)。該處理器的特點(diǎn)可以歸納為:(1)將信道的時(shí)延—多普勒雙擴(kuò)展特性顯式地考慮到處理器框架中，利用雙擴(kuò)展信道下的空—時(shí)—頻廣義旁瓣抵消器通過在空—時(shí)—頻多維的相干分集來增強(qiáng)信號，抑制符號間干擾和同道干擾;由于同道干擾的問題得到了妥善的解決，因而可以通過信道的復(fù)用來極大提高通信系統(tǒng)的通信速率，保證了通信的有效性。(2)Turbo通信系統(tǒng)是逼近香農(nóng)信道容量的最佳瞬態(tài)觀察者。正是由于Turbo機(jī)制的引入，系統(tǒng)的穩(wěn)定性通過嵌入在發(fā)送

11、碼字中的結(jié)構(gòu)性知識來保證。(3)空—時(shí)—頻廣義旁瓣抵消器其陣駕駛向量是信道估計(jì)結(jié)果的函數(shù)，通過Turbo系統(tǒng)的迭代進(jìn)行，信道估計(jì)的結(jié)果會隨之改善，進(jìn)一步提高陣處理的性能。
　　綜上所述，本文的創(chuàng)新點(diǎn)可以歸納為:(1)結(jié)合水聲傳播物理，分析研究了雙擴(kuò)展信道響應(yīng)的稀疏性，提出了基于稀疏約束的雙擴(kuò)展信道序貫估計(jì)-跟蹤方法，可有效應(yīng)用于時(shí)變信道條件下的水聲通信。(2)設(shè)計(jì)了雙擴(kuò)展信道估計(jì)與判決迭代均衡相協(xié)同的水聲通信系統(tǒng)，提高了雙擴(kuò)展條件

12、下的通信性能。(3)從估計(jì)理論與信息理論相結(jié)合的角度，提出了作為最佳瞬變觀察者的空-時(shí)-頻廣義旁瓣抵消器，實(shí)現(xiàn)了信道不確實(shí)條件下的有效、可靠通信。
　　本文主要章節(jié)按創(chuàng)新點(diǎn)分為三部分，第一部分詳述了稀疏雙擴(kuò)展信道的物理成因，互模糊度函數(shù)信道估計(jì)方法與約束優(yōu)化估計(jì)方法，動(dòng)態(tài)時(shí)延—多普勒稀疏雙擴(kuò)展信道的序貫壓縮重構(gòu)方法，為后續(xù)章節(jié)打下信道估計(jì)前處理的基礎(chǔ);第二部分研究了通信問題中的最佳瞬態(tài)觀察者，即Turbo通信系統(tǒng)，并通過與香農(nóng)信道