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带内全双工水声通信多域联合自干扰抵消关键技术研究

摘要

带内全双工水声(In-BandFull-DuplexUnderWaterAcoustic,IBFD-UWA)通信技术理

论上可将传统半双工通信体制的频谱利用率提升至两倍，实现双方在同一时间、同一

频段内发送和接收信号，从而提高水下通信的效率和可靠性，并展现出广泛的应用潜

力。然而，实现IBFD-UWA通信技术的主要挑战在于如何有效抵消本地的强自干扰信

号。本文对IBFD-UWA通信系统中的空间域自干扰抵消技术、时变信道下的模拟/数字

域实时自干扰抵消方案、受功放非线性影响的模拟域自干扰抵消技术以及多域联合自

干扰抵消方案等进行了深入研究。基于现有无线电全双工技术，结合水声信道特性和

自干扰特性，构建了适用于IBFD-UWA通信系统的实时自干扰抵消模型，并在上述技

术基础上进行了更深入的探索。

针对目前IBFD-UWA通信系统中空间域自干扰抵消技术的研究不足、近场区域传

统波束形成器性能下降以及远端通信信号的频域畸变问题，本文对波束形成器进行了

优化设计，提出了一种基于凸优化理论的恒定束宽波束形成器设计方法，并与传统波

束形成器，包括：最小方差无畸变响应(Minimumvariancedistortionlessresponse,MVDR)

波束形成器、自适应波束形成器、基于牛顿迭代的恒定束宽波束形成器进行对比。通

过波束响应分析，评估了各种波束形成器的优缺点，并描述了它们的波束响应特性。

利用近场接收信号特征进一步优化波束形成器，有效减少IBFD-UWA通信系统中近端

发射端对近端接收端的影响。通过理论仿真和水池实验验证了所提出的空间域自干扰

抵消技术的性能，研究结果表明，该技术能有效消除近场条件的影响并显著降低干信

比(Interferencetosignalratio,ISR)，并通过容错性分析证明了该波束形成器的实用性。

同时，为后续模拟/数字域自干扰抵消以及多域联合自干扰抵消技术提供了残余自干扰

信号能量和信号构成的合理假设。

对于当前模拟/数字域自干扰抵消技术多数为非实时实现的问题，首先给出了基于

硬件在环仿真平台的实时数字辅助模拟域自干扰抵消方法以及数字域自干扰抵消

(DigitaldomainSelf-interferenceCancellation,DSIC)方法的设计以及平台搭建方案。对于

模拟域自干扰抵消技术，分析了功放元器件带来的非线性失真的影响，以数字辅助模

拟域自干扰抵消技术为基础，给出了两种模拟域自干扰抵消方案，即：基于功放输出

获取的模拟域自干扰抵消以及基于Volterra级数的交叉项记忆多项式(Cross-term

MemoryPolynomial,CMP)模型的功放输出重构的模拟域自干扰抵消。针对时变信道下

哈尔滨工程大学博士学位论文

数字域自干扰抵消性能受到远端通信信号影响的问题，提出了一种改进型变步长最小

均方（ImprovedVariableStepSizeLeastMeanSquare,IVSS-LMS）算法，该算法在VSS-

LMS算法的基础上，设置了基于近似远端通信信号能量的阈值，通过实时对比自干扰

信号能量与远端通信信号能量，利用提出的“三段式”步长变化准则控制步长。电路

仿真以及海试实验验证了上述模拟域自干扰抵消及数字域自干扰抵消方法的有效性，

结果表明，所提出的模拟域自干扰抵消方法在实时应用中能够有效减少功放引起的非

线性失真，且在存在远端通信信号的条件下，提出的数字域自干扰抵消算法均具备更

高的收敛效率以及更好的稳态效果。

针对多域联合自干扰抵消问题，本文首先明确了IBFD-UWA通信系统自干扰抵消

需求，讨论了模拟域自干扰抵消中模数转换器（Analog-to-DigitalConverter,ADC）有

效量化位数对于SIC性能上限的影响，并分析了IBFD-UWA通信系统多域联合自干扰

抵消技术方面所面临的的问题，如各域作用不明确、抵消顺序不清晰以及各域抵消结

果对于整体SIC性能的影响，分别从“空间-数字域联合自干扰抵消（Space-digitalself-

interferencecancellation,SDSIC）”技术、“空间-模拟域联合自干扰抵