本文選題：水聲通信網(wǎng)絡(luò) + 正交多載波調(diào)制��； 參考：《哈爾濱工程大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：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、快速時變等特點,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。水聲信道的強多途干擾和噪聲干擾等導(dǎo)致物理層(physical layer,PHY)具有很高的誤碼率,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)傳輸時延非常高,嚴(yán)重的降低了信道利用率。如何設(shè)計高效的物理層數(shù)據(jù)傳輸和MAC層協(xié)議是提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的兩個重要方面。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)沒有考慮到水聲信道對網(wǎng)絡(luò)的影響以及對各層之間的相互影響,因此無法充分利用信道資源,實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。跨層設(shè)計在原有網(wǎng)絡(luò)分層基礎(chǔ)上,將網(wǎng)絡(luò)所有層或者某幾層作為一個整體進行優(yōu)化和控制,充分考慮信道對各層的影響以及各層之間強烈的相關(guān)性信息,從而有效地合理地分配信道資源,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化配置,提升網(wǎng)絡(luò)性能。目前水聲通信網(wǎng)絡(luò)一般采用五層的網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)構(gòu),具體包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。底層協(xié)議和通信等關(guān)鍵技術(shù)是影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要方面,本文主要從物理層和數(shù)據(jù)鏈路層(主要考慮MAC層)入手,通過PHY/MAC跨層設(shè)計提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,其中物理層主要采用具有較高速率的OFDM調(diào)制。水聲信道是影響物理層和MAC性能的重要因素,水聲信道的特性分析和建模對于系統(tǒng)仿真和性能分析具有重要的指導(dǎo)意義,因此文中首先對水聲信道進行了建模和實測信道特性分析。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)劣對網(wǎng)絡(luò)性能有非常大的影響,因此如何設(shè)計高速的、穩(wěn)健的物理層通信是本文的一個重要研究內(nèi)容。MAC層主要用于控制節(jié)點對無線信道的訪問,是影響網(wǎng)絡(luò)性能的另一個重要方面,如何針對水聲信道的長傳播時延設(shè)計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研究內(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。水聲信道是影響水聲通信和網(wǎng)絡(luò)性能的一個重要因素,充分了解水聲信道的特性有助于接收機的設(shè)計和頂層資源分配等。文中分析了國內(nèi)不同淺水水域的信道特性,主要從時域和頻域角度分析了幅度、時延、多普勒等因素的統(tǒng)計特性以及時間相關(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分量,同時將引起多普勒頻移的運動建模為穩(wěn)定運動分量和隨機運動分量,使信道模型更接近實際水聲信道。針對水聲信道的強多途對OFDM調(diào)制引入的符號間干擾問題,提出了一種基于稀疏信道估計的時反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算法:匹配追蹤信道估計和基追蹤去噪信道估計,相比于傳統(tǒng)的信道估計方法,稀疏信道估計具有更高的估計精度。利用了時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)的時間壓縮特性,將時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)與OFDM技術(shù)相結(jié)合,可以實現(xiàn)信道的壓縮,降低符號間干擾,減少導(dǎo)頻數(shù)量,提高通信速率。為了克服時反信道非最小相位特性引入的干擾,提出了加入循環(huán)后綴抑制符號間干擾的方法。針對被動時間反轉(zhuǎn)處理引入的探測信號的干擾問題,采用了虛擬時間反轉(zhuǎn)信號處理方法消除干擾,同時采用了具有高估計精度的稀疏信道估計算法,可以進一步提高處理增益。針對水聲通信網(wǎng)絡(luò)中控制幀傳輸速率低、占用信道時間長的問題,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,每個載波分別采用M元擴頻調(diào)制和循環(huán)移位鍵控擴頻調(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系統(tǒng)性能。該方法具有擴頻調(diào)制抗多途和抗衰減能力的同時,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)中控制幀的長度,提高網(wǎng)絡(luò)有效數(shù)據(jù)的傳輸效率。針對水聲通信網(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,同時降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄说蕉藭r延。根據(jù)跨層設(shè)計的需要,提出了一種OFDM自適應(yīng)調(diào)制編碼方案和改進的CSMA/CA協(xié)議,自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)通過調(diào)整調(diào)制階數(shù)、編碼速率和頻率分集階適應(yīng)不同的信道環(huán)境,并將估計的信道信息反饋給發(fā)送節(jié)點從而選擇合理的調(diào)制參數(shù)。改進的CSMA/CA協(xié)議通過虛擬載波偵聽的方式偵聽數(shù)據(jù)幀實現(xiàn)信道狀態(tài)檢測,取代了握手過程,減小了信道開銷,提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量,同時降低了數(shù)據(jù)傳輸時延。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN929.3

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本文編號：1739243