本文關(guān)鍵詞：基于MIMO空時編碼的水聲通信技術(shù)研究　出處：《西北工業(yè)大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：水下高速MIMO（MIMO,Multiple Input Multiple Output）通信系統(tǒng)因其能夠在不增加時頻資源的情況下，成倍提高系統(tǒng)傳輸性能而受關(guān)注�？諘r編碼（STC，Space TimeCoding）設(shè)計由于能夠充分利用MIMO信道中多個獨立的傳輸陣元獲得空間分集增益與編碼增益，在MIMO技術(shù)研究中一直是熱點。雖然已有的空時碼能夠在平坦衰落信道下取得較為理想的系統(tǒng)性能，而對于空時頻變的水聲多徑信道，由于其復(fù)雜的傳輸特性將對水聲空時編碼系統(tǒng)的性能帶來極大地挑戰(zhàn)。論文針對不同水文環(huán)境下的系統(tǒng)構(gòu)架，通過綜合衡量空時碼的傳輸速率、系統(tǒng)性能、譯碼復(fù)雜度以及分集與復(fù)用最大化等設(shè)計指標(biāo)，應(yīng)用擴展代數(shù)域理論對空時碼展開深入而系統(tǒng)地研究，，創(chuàng)新地構(gòu)建出適合于多種不同應(yīng)用場景的傳輸模型與空時編碼方案。論文的主要研究內(nèi)容包括： 1：對水聲信道特性與空時編碼系統(tǒng)構(gòu)架進行了深入研究，構(gòu)建了不同傳輸場景的MIMO通信系統(tǒng)模型。 文章結(jié)合水聲信道的特性以及不同傳輸水文條件對MIMO陣列影響與設(shè)計要求，分別構(gòu)建了基于淺海與深海水文特性下的HSTCDs-MIMO通信系統(tǒng)框架和基于有限反饋的HSTCD-MIMO水聲通信系統(tǒng)構(gòu)架與模型。 2：從淺海對稱開環(huán)系統(tǒng)的角度，深入分析了低譯碼復(fù)雜度空時碼的基本特性，并以此給出了碼速率更高，功率分布均衡的空時碼構(gòu)造算法。 （1）目前已有的以低譯碼復(fù)雜度、高可靠性設(shè)計思想的正交空時分組碼，普遍存在碼速率很低、設(shè)計構(gòu)造較為固定且峰均功率比高的缺陷。論文基于分集增益與復(fù)用率折衷設(shè)計準(zhǔn)則，根據(jù)擴展正交基理論，提出了一種Euclid空間同構(gòu)擴展域復(fù)正交的HES-STBC空時碼設(shè)計算法。該碼字設(shè)計方法放松了傳統(tǒng)復(fù)正交(COD)空時碼對稱矩陣的局限性，實現(xiàn)了系統(tǒng)分集增益與復(fù)用率最大化。同時，該方法在提高碼率的基礎(chǔ)上，使系統(tǒng)誤碼率性能進一步提升。 （2）論文基于同態(tài)擴展理論和四元數(shù)理論，提出了一種基于四元同態(tài)正交基矩陣的Komwit空時編碼設(shè)計方案。根據(jù)歐式域同態(tài)擴展設(shè)計，將基矩陣從低維非正交域投影到高維擴展復(fù)正交域空間。論文所提Komwit空時碼在繼承HES-STBC碼率與系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，使碼字矩陣結(jié)構(gòu)具有很強的可擴展性。同時，由于該編碼結(jié)構(gòu)較為緊密，滿足標(biāo)準(zhǔn)最小行列式特性，使系統(tǒng)峰均功率比非常低。 研究結(jié)果表明，針對淺海平坦信道模型，改進的空時碼相比傳統(tǒng)空時碼，編碼增益、碼速率、譯碼復(fù)雜度以及系統(tǒng)誤碼率性能均有所提升。論文提出的HES-STBC空時碼大幅度提高了碼速率，并且實現(xiàn)了系統(tǒng)分集與復(fù)用增益最大化。Komwit-STBC空時碼在提升碼速率的同時，編碼矩陣結(jié)構(gòu)設(shè)計更加靈活，并且進一步改善了傳統(tǒng)QSTBC峰均功率比過高的問題。 3：論文基于接收陣列個數(shù)與孔徑尺寸有限的深海潛航平臺，從非對稱開環(huán)系統(tǒng)的角度，深入分析了非對稱系統(tǒng)下的NVD-MDT優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則，并以此給出了快速可譯的非對稱空時碼構(gòu)造算法。 （1）分析并推導(dǎo)了標(biāo)準(zhǔn)最小行列式與編碼增益的緊界，通過證明當(dāng)N t×Nr且Nr=Nt n, n≥2的非對稱系統(tǒng)下非對稱MIMO系統(tǒng)達到分集與復(fù)用增益最大化時，成對錯誤碼字矩陣的標(biāo)準(zhǔn)最小行列式必須滿足的約束條件，提出了非對稱NVD-MDT空時編碼優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則。 （2）針對4×2陣列，構(gòu)造出基于4階漢密爾頓嵌入型-MDT空時碼和基于非對稱-MDT重心打孔空時碼的設(shè)計方法和設(shè)計步驟。 （3）深入分析6×3與6×2陣列的空時碼特征，分別提出了基于6×3塊正交的MDT空時碼和基于6×2重心打孔-MDT空時碼的設(shè)計方法并給出了具體步驟。 研究結(jié)果表明，基于深海斜坡信道仿真參數(shù)，論文提出的非對稱空時碼構(gòu)造方案，碼字結(jié)構(gòu)、編碼率、維度速率方面具有很高的靈活性；通過對比傳統(tǒng)空時碼在非對稱系統(tǒng)的性能，論文所提空時碼譯碼復(fù)雜度更低、系統(tǒng)設(shè)計開銷更小。 4：論文針對淺海水聲信道稀疏特性地分析，提出基于有限反饋系統(tǒng)的稀疏量化差分預(yù)編碼設(shè)計方案。同時，提出基于自適應(yīng)級聯(lián)稀疏反饋編碼設(shè)計方案。 （1）著重分析了淺海水聲信道的稀疏特性，基于壓縮感知的信號稀疏表示與估計理論，提出了一種基于稀疏量化差分的快速搜索預(yù)編碼設(shè)計方案。 （2）針對淺海有限反饋稀疏量化預(yù)編碼級聯(lián)空時編碼的方法，提出一種基于淺海稀疏信道特性的級聯(lián)自適應(yīng)反饋編碼設(shè)計方案。該方法僅需要6bit反饋量就能夠獲得額外的陣列增益，甚至能達到直接反饋系統(tǒng)的傳輸性能。 研究表明，論文提出的稀疏量化預(yù)編碼方案相比于傳統(tǒng)預(yù)編碼方案，由于使用分層雙向搜索，因此獲得最優(yōu)碼字的速度更快、實時性更好、抗信道衰落性能更強。根據(jù)4×4與8×8陣列下自適應(yīng)空時碼設(shè)計實例與仿真結(jié)果，驗證了改進空時碼方法的有效性與應(yīng)用價值。 最后，論文在歸納文章所做理論工作與創(chuàng)新點的基礎(chǔ)上，總結(jié)了基于不同傳輸場景下改進空時碼的設(shè)計優(yōu)勢，給出了實際工程中相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則。同時，對論文進一步研究工作提出了展望。
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【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN919.3

【參考文獻】

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1 WANG HaiQuan;ZHAO ZhiJin;;A MIMO system with finite-bit feedback based on fixed constellations[J];Science China(Information Sciences);2013年06期

2 魏寧;李少謙;岳鋼;;LTE-A中協(xié)同多點傳輸?shù)穆?lián)合處理預(yù)編碼方法[J];中興通訊技術(shù);2010年01期

本文編號：1438829