水聲通信網(wǎng)絡(luò)多載波通信與跨層設(shè)計(jì).pdf

1、水聲通信網(wǎng)絡(luò)是開發(fā)海洋資源、獲取海洋環(huán)境參數(shù)的有效手段，水聲信道具有帶寬有限、載波傳播速率低、衰減嚴(yán)重、快速時(shí)變等特點(diǎn)，且水下設(shè)備采用電池供電能量有限更換不變，導(dǎo)致水聲通信網(wǎng)絡(luò)的性能受到了極大的限制，如何提高水聲通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期是急需解決的問題。由于水聲信道環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，使得無線電中很多成熟的技術(shù)無法直接應(yīng)用到水聲無線網(wǎng)絡(luò)中。水聲信道的強(qiáng)多途干擾和噪聲干擾等導(dǎo)致物理層(physical layer, PHY)具

2、有很高的誤碼率，從而降低了水聲通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，因此如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的高速率的物理層數(shù)據(jù)傳輸是提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的重要因素。而且由于水中聲速非常低(1500m/s)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延非常高，嚴(yán)重的降低了信道利用率。如何設(shè)計(jì)高效的物理層數(shù)據(jù)傳輸和MAC層協(xié)議是提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的兩個(gè)重要方面。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、艑?duì)水聲信道進(jìn)行了建模和實(shí)測(cè)信道特性分析。物理層作為網(wǎng)絡(luò)的底層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，其通信性能的優(yōu)劣對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有非常大的影響，

3、因此如何設(shè)計(jì)高速的、穩(wěn)健的物理層通信是本文的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。MAC層主要用于控制節(jié)點(diǎn)對(duì)無線信道的訪問，是影響網(wǎng)絡(luò)性能的另一個(gè)重要方面，如何針對(duì)水聲信道的長(zhǎng)傳播時(shí)延設(shè)計(jì)高效的信道資源分配方案，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量是本文的另一個(gè)研究?jī)?nèi)容。在穩(wěn)健的物理層通信和高效的MAC層協(xié)議基礎(chǔ)上，通過PHY/MAC跨層設(shè)計(jì)聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，充分利用信道資源，提高水聲通信網(wǎng)絡(luò)的綜合性能。
　?、扑曅诺朗怯绊懰曂ㄐ藕途W(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要因素，充分了解

4、水聲信道的特性有助于接收機(jī)的設(shè)計(jì)和頂層資源分配等。分析了國(guó)內(nèi)不同淺水水域的信道特性，主要從時(shí)域和頻域角度分析了幅度、時(shí)延、多普勒等因素的統(tǒng)計(jì)特性以及時(shí)間相關(guān)特性等，從而為水聲信道建模提供數(shù)據(jù)支持。提出了一種時(shí)變水聲信道建模方法，將信道衰落分為大尺度衰落和小尺度衰落，考慮了散射作用引入的隨機(jī)分量，同時(shí)將引起多普勒頻移的運(yùn)動(dòng)建模為穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)分量和隨機(jī)運(yùn)動(dòng)分量，使信道模型更接近實(shí)際水聲信道。
　　⑶針對(duì)水聲信道的強(qiáng)多途對(duì) OFDM調(diào)制引入

5、的符號(hào)間干擾問題，提出了一種基于稀疏信道估計(jì)的時(shí)反 OFDM技術(shù)。根據(jù)水聲信道的稀疏特性，提出了兩種稀疏信道估計(jì)算法：匹配追蹤信道估計(jì)和基追蹤去噪信道估計(jì)，相比于傳統(tǒng)的信道估計(jì)方法，稀疏信道估計(jì)具有更高的估計(jì)精度。利用了時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)的時(shí)間壓縮特性，將時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)與 OFDM技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)信道的壓縮，降低符號(hào)間干擾，減少導(dǎo)頻數(shù)量，提高通信速率。為了克服時(shí)反信道非最小相位特性引入的干擾，提出了加入循環(huán)后綴抑制符號(hào)間干擾的方法。針對(duì)

6、被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)處理引入的探測(cè)信號(hào)的干擾問題，采用了虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)信號(hào)處理方法消除干擾，同時(shí)采用了具有高估計(jì)精度的稀疏信道估計(jì)算法，可以進(jìn)一步提高處理增益。
　　⑷針對(duì)水聲通信網(wǎng)絡(luò)中控制幀傳輸速率低、占用信道時(shí)間長(zhǎng)的問題，提出了一種正交多載波 M元循環(huán)移位鍵控技術(shù)提高傳輸速率。該技術(shù)采用多載波調(diào)制，每個(gè)載波分別采用 M元擴(kuò)頻調(diào)制和循環(huán)移位鍵控?cái)U(kuò)頻調(diào)制的方式，并提出了一種復(fù)合序列抑制載波間干擾算法改進(jìn)系統(tǒng)性能。該方法具有擴(kuò)頻調(diào)制抗多途和抗

7、衰減能力的同時(shí)，具有更高的頻帶利用率，從而可以有效的縮短水聲通信網(wǎng)絡(luò)中控制幀的長(zhǎng)度，提高網(wǎng)絡(luò)有效數(shù)據(jù)的傳輸效率。
　?、舍槍?duì)水聲通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量低的問題，提出了一種PHY/MAC跨層設(shè)計(jì)方案，兩層之間通過信息交互和共享，根據(jù)信道環(huán)境信息自適應(yīng)調(diào)整調(diào)制方式和信道資源分配方案，可以充分的利用信道資源，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，同時(shí)降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄说蕉藭r(shí)延。根據(jù)跨層設(shè)計(jì)的需要，提出了一種OFDM自適應(yīng)調(diào)制編碼方案和改進(jìn)的CSMA/CA協(xié)議，自適