全相位FFT在合成孔径水声通信运动补偿中的应用

该文针对浅海远程水声信道提出合成孔径技术与直接序列扩频相结合的通信方案,并重点分析了影响通信质量的多普勒效应问题,提出了一种有效的多普勒估计和补偿算法。该补偿算法采用重采样与全相位快速傅里叶变换(AP-FFT)处理技术,实现了频率和相位的高精度估计,同时消除多普勒造成的时间模糊。该文利用声学工具箱对声信道进行了建模,对合成孔径通信系统进行了仿真验证。结果表明,该文所提出的多普勒补偿算法有效地抵抗了收发节点以较高航速相对运动时所产生的多普勒效应,实现了多虚拟子阵发射信号的相干叠加,减少了运动造成的合成孔径处理空间增益损失,显著改善了通信质量。     

水声协作通信中的自适应频域多普勒补偿研究

针对水声协作通信中的节点存在相对运动引起的多普勒效应,提出一种自适应频域多普勒补偿算法。该算法根据单载波频域均衡的输出估计相位,而后据此更新插值因子以更好地补偿多普勒频移。仿真结果验证了该方法的有效性,且优于传统的多普勒补偿方法。     

一种适用于QAM信号的数字载波估计算法

由于发射和接收机振荡器的不稳定或/和信道的多普勒效应,使载波同步与补偿成为QAM信号接收的关键环节。针对非协作通信中各类载波同步算法只能校正较小的频率偏移的局限,根据QAM信号的基本特点,利用传输符号的统计独立特性,提出了一种新的数字载波频率估计方法。该算法采用开环方式,不需要导频数据,可以估计较大的频率偏移;没有反馈环路,复杂度低,实现起来比较简单。同时,该算法作适当改进,可以直接用于载波的估计。计算机仿真结果表明:该算法可以较好地对各种QAM信号中存在的较大频率偏移进行估计并做补偿;适当改进后可以直接用于估计载波频率,估计效果良好有效。     

长时延环境下多普勒频偏估计与补偿技术

长时延信道模型中相对多普勒频偏比一般的无线信道要大若干个数量级.典型的长时延信道有:水声信道,卫星通信信道等.水声信道中多普勒频偏不仅表现在频域上,还表现在时域上的压缩和扩展.文中对水声OFDM系统中宽带多普勒频偏提出了估计与补偿算法,可以有效消除宽带多普勒频偏的影响.     

一种用于低速卫星通信系统的校频算法

提出一种适用于有广播信道的低速卫星通信系统校频算法。在该算法中,各地球站首先对接收网管广播信道的载波频差进行估计,然后在此基础上估计各站参考源频率及卫星转发器的本振频率,最后再根据估计结果对发射载波频率或收载波频率进行开环补偿,以实现通信信号的快速同步。数学分析和试用结果表明,该算法可以解决有广播信道的低速突发卫星信号的快捕问题。     

一种用于多径衰落水声信道的盲均衡算法研究

信道均衡是现今高速水声通信系统中克服码间干扰一项关键技术,如何提高均衡器的性能是目前研究的热点课题。针对水声信道的时变多普勒特性,在分析信道模型及盲均衡器结构特点的基础上,提出了一种时域解相关的变步长恒模算法,并对算法进行了仿真及试验分析。结果表明改进算法能够有效克服实际水声通信中的码间干扰效应,具有更快的收敛速度和更小的剩余误差,提高了浅海水声通信的有效性和可靠性,具有广阔的工程应用前景。     

水声多径信道多普勒因子精确估计方法

由水下平台运动导致的多普勒效应是影响高数据率水声通信性能的主要因素,现有多普勒估计方法在复杂水声多径信道条件下估计精度急剧下降。针对此问题,提出了一种可自动匹配水声多径信道的精确多普勒频移估计方法。仿真结果表明：该方法可显著提高水声多径信道的多普勒频移估计精度,信道适应性强,在信噪比大于-5 dB时,估计精度始终保持在10^-4左右,满足高数据率水声通信对多普勒因子估计精度的要求。     

UFMC系统在多径衰落信道中的干扰消除

通用滤波多载波(UFMC)是5G通信系统中的关键技术,能够降低带外泄露.但是在多径衰落信道下UFMC系统会受到符号间干扰(ISI)和多普勒效应产生的载波频率偏差的影响,从而使系统的性能下降.为了消除系统中的干扰,提出了一种迭代最大似然算法.该方法主要通过迭代最大似然算法(ML)计算出载波频率偏差,把估计出的结果作为初始值并运用迭代的方法得到最终的载波频率偏差,当达到收敛区间时,迭代结束;最后利用相位旋转的概念补偿载波频率偏差并运用最小二乘算法更新信道响应信息,减少该系统干扰.仿真结果表明,在信噪比大于10 dB时,随着信噪比的增大,算法能够有效地抑制系统中的干扰,提高UFMC系统的性能.     

基于检测域的水声OFDM系统多普勒频偏补偿

通信系统发送端和接收端之间的相对运动会使正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)系统子载波频率因多普勒效应而发生偏移,进而影响整个OFDM通信系统的性能。针对由通信节点之间相对运动而引起的判决结果模糊问题,提出了基于检测域的频偏估计算法。该方法利用连续波(Continuous Wave, CW)信号,首先在频域估计出多普勒因子进行粗补,而后通过检测域的频偏估计算法进行多次迭代对信号进行细多普勒补偿。仿真结果表明,该方法能够很好地弥补信号中未被完全补偿的多普勒频偏,具有良好的抗多普勒引起的载波间干扰(Inter-Carrier Interference, ICI)能力。最后进行了水池实验,验证了算法的可行性。     

一种基于星间光链路的帧同步与频偏估计方法

为了解决星间激光通信不同步导致的信息质量差与解调难度大等问题,针对滑动互相关算法帧同步易受载波频偏影响的不足,采用计算仿真的方法分析了星间多普勒效应引起的载波频偏程度,提出差分相关算法以实现帧同步与载波频偏估计,并给出硬件实现方案,分析了差分相关算法的帧同步与载波频偏估计性能。结果表明,差分相关算法能够实现大载波频偏影响下的帧同步,且具有较强的频偏估计性能,采用差分相关算法后系统的误码性能提升近3dB。此结果说明,差分相关算法是解决星间激光链路同步问题的有效方法。     

移动水声异步网络自定位和时间同步联合的单向动态预测算法

节点位置的实时变化以及水下长传输时延等特性影响了移动水声异步网络(MUAANs)的时间同步与自定位精度。针对上述问题,该文研究并提出一种自定位和时间同步联合的单向动态预测算法。该算法通过建立时间同步与自定位联合的状态与观测模型,同时预测不同时刻下移动节点的位置信息与时钟差异,实现网络的联合位置跟踪与动态时间同步。与此同时,由于该算法仅采用节点间的单向信息传输即可实现自定位与时间同步,有效解决了由水下长传输时延导致的移动节点间双向信息交互时延差异的问题,提高了网络的自定位与时间同步精度和效率。仿真结果表明,该文所提算法可以高精度地联合预测移动水声异步网络的自定位与时间同步结果,且有效增强了网络的时间同步与自定位时间效率。     

Synchronization techniques for underwater acoustic communications

Underwater acoustic channel is a challenging medium for communication due to the presence of significant multipath, high noise, frequency-dependent propagation loss, and high and non-uniform Doppler spread. Doppler shift is non-negligible in underwater communication due to the low velocity of underwater signals. Synchronization and Doppler estimation are important requirements for achieving good performance in this channel. Synchronization algorithms that give good performance in radio communication do not work well in underwater communication. Hence, this area has received a lot of attention from researchers. This paper surveys important works in the area. The techniques proposed in the literature for frame synchronization, frequency and phase synchronization, and timing synchronization in single carrier communications are reviewed here. The synchronization techniques proposed for OFDM, MIMO OFDM, and spread spectrum communication are also surveyed. Doppler estimation methods proposed in the literature are also reviewed. It is found that most of the recent works in underwater acoustic communication focus on OFDM synchronization. Deep learning-based methods proposed in the literature are also reviewed. Key open problems and areas that require future research attention in the field of synchronization and Doppler estimation in underwater communications are highlighted in this paper. The area needing most attention of underwater communication researchers was found to be MIMO OFDM due to the difficulty in synchronization in such systems while used in underwater communication. Reducing the computational complexity of the algorithms used is also important for future work. Schemes that work with Doppler due to relative velocity over 10 m/s also need to be developed.     

基于AR模型的水声信道盲估计算法

给出了基于AR模型的水下通信系统模型,利用基于输出序列自相关阵的Levinson-Durbin递推算法,在不需要训练序列的条件下估计得到信道传递函数,并恢复出原信号。与基于高阶统计特性方法相比,该算法运算复杂度低,估计速度快,更适合高速数据传输信道的估计。通过对水声信道参数盲估计的计算机仿真,验证了该算法具有较高的精度。     

OFDM水声通信信道估计技术研究

水声通信系统的目的在于高速、可靠地将信源信息经过海洋声信道传输到信宿。正交频分复用(OFDM)技术具有抗多径、频带利用充分、传输数据率高的优点,在水声通信中具有重要的发展前景。但随着传输距离的增加,信道条件恶化,多径、多普勒频移影响加剧,需要设计相适应的OFDM系统并采取有效手段改善系统性能。介绍了基于导频的OFDM信道估计的基本算法,主要研究了LS(最小平方误差)、LMMSE(线性最小均方误差)、LRLMMSE(低秩线性最小均方误差)算法,对各种算法的性能和复杂度进行了分析。     

基于水下连续波体制的捕获跟踪技术研究

针对水下高速潜器回收导引过程中实现实时测量位置与传输指控信息的问题,该文提出基于水下连续波体制的捕获跟踪技术。利用连续波体制实现测距与通信的同步解析,通过并行处理结构压缩数据捕获时长,并基于锁相环原理设计出适应水声环境与高速背景的最佳环路跟踪策略。从理论仿真与松花湖试验结果来看,算法的捕获时间从传统匹配算法的83.87 s缩短至0.66 s,计算量缩小为时域算法的2.36%。信号跟踪技术在匀速模型和加速度模型下都具有良好的性能,从通信角度讲跟踪算法能够准确无误地传输数据,从参数估计角度讲,基于跟踪结果输出的参数估计精度高且随速度变化缓慢,但传统检测精度随速度增大而变差。该方法实现了对多普勒频偏的精确估计与动态调整,保证了声学测量与指控信息传输的连续性与稳定性,对水下高速潜器的实时回收导引具有重要意义。     

Doppler auxiliary time synchronization algorithm for underwater acoustic sensor network

Time synchronization problem in underwater acoustic sensor networks (UWSN) was studied.Due to the propagation of acoustic signals in underwater environment and nodes movement bring some problems to time synchronization.A distributed time synchronization algorithm was proposed based on Doppler method,called NU-Sync.NU-Sync solved the problem of uncertainty propagation delay caused by nodes movement through calculating relative velocity.And autonomous underwater vehicle (AUV) was used as beacon node which can save energy consumption in the process of calculation clock skew.Simulation resulted show NU-Sync achieves high level time synchronization precision.     

稳定水声通信判决反馈盲均衡算法研究

水声信道环境恶劣,尤其是多径效应常会造成水声通信系统同步位置发生偏移,对均衡算法造成严重影响。从提高均衡算法稳健性的角度出发,在稳定性较高的归一化常数模算法基础上,借助早迟积分比相原理完成对采样位置的跟踪,并结合判决正方形方法提出一种归一化修正常模盲均衡算法。仿真结果表明,这种基于判决正方形的归一化修正常模盲均衡算法具有更好的收敛能力与稳定性,具有较强的抗干扰能力,能保证水声通信高效运行。     

E2DTS: An energy efficiency distributed time synchronization algorithm for underwater acoustic mobile sensor networks

Time synchronization plays an important role in wireless sensor network applications and energy conservation. In this paper, we focus on the need of time synchronization in underwater acoustic mobile sensor networks (UAMSNs). Several time synchronization algorithms have been carried out in this issue. But most of them are proposed for RF-based wireless sensor networks, which assume that the propagation delay is negligible. In UAMSNs, the assumption about rapid communication is incorrect because the communication is primarily via acoustic channel, so the propagation speed is much slower than RF. Furthermore, the propagation delay in underwater environment is time-varying due to the nodes’ mobility. We present an energy efficiency distributed time synchronization algorithm (called “E²DTS”) for those underwater acoustic node mobility networks. In E²DTS, both clock skew and offset are estimated. We investigate the relationship between time-varying propagation delay and nodes mobility, and then estimate the clock skew. At last skew-corrected nodes send local timestamp to beacon node to estimate its clock offset. Through analysis and simulation, we show that it achieves high level time synchronization precision with minimal energy cost.