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水声时延多普勒域通信系统关键技术研究

摘要

海洋资源在战略层面具有极其重要的地位，水声通信在海洋资源勘探与开发方面中

发挥着尤为重要的作用。水声通信系统与无线电通信系统相比存在更多挑战，如通信带

宽资源有限、存在较大时延拓展、严重多普勒干扰以及信道具有的快速时变特性等影响

通信性能的因素。为能够在充满挑战的水声信道中的进行稳定可靠的通信，本文将正交

时频空间调制（OrthogonalTimeFrequencySpace,OTFS）技术与水声通信进行结合，该

方案通常用于解决通信系统在高速移动情况下受到多普勒效应影响等问题。与正交频分

复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex-ing,OFDM）技术对比OTFS调制技术在

时延频率双扩信道中有更好的性能优势，并且OTFS还有更低的信号峰均比以及发射机

设计的复杂度。本文对采用OTFS调制技术的水声通信系统在时延多普勒域的关键技-

术进行了研究。

本文首先对水声OTFS和OFDM通信系统的基本原理进行理论研究，分析了时延-

多普勒域中信号及信道的表示形式，以及OTFS调制方式相比于传统OFDM调制所具

有的优势。本文对水声信道的特性进行了分析，便于对水声时变信道进行建模。本文分

析了时延-多普勒域信号和时频域信号之间的联系，通过辛傅里叶变换相互转换，进而

OFDMOTFS

设计研究了基于的的调制的系统方案。

本文针对于OTFS在时延-多普勒域的信号结构进行导频设计以及信道估计和信道

均衡算法的理论研究，在时延-多普勒域进行基于阈值的信道估计方法和基于正交匹配

OrthogonalMatchingPursuit,OMP

追踪（）的稀疏信道估计方法的性能对比分析，并对

线性最小均方误差（LinearMinimumMeanSquareError,LMMSE）均衡算法和消息传递

（MessagePassing,MP）均衡算法进行性能对比分析。

本文从多径效应、多普勒频移、海洋环境噪声等角度对水声时变信道的特征进行分

析，并基于时变声传播模型进行海洋时延-多普勒域的信道建模仿真，在仿真的时延-多

普勒域信道条件下对OTFS和OFDM通信系统的性能进行了对比分析。

-OFDMOTFS

最后，通过对南海海域实测海洋时延多普勒域信道条件下和通信系

统的性能对比分析，验证了OTFS方案在时频双选信道条件下的性能，在实测的低信噪

比情况下，OTFS水声通信系统的性能相比OFDM调制方案在性能上有2-4dB性能提升。

关键词：水声通信；正交时频空；信道估计和均衡；时延-多普勒域

水声时延多普勒域通信系统关键技术研究

ABSTRACT

Marineresourceshaveanextremelyimportantpositionatthestrategiclevel,and

underwateracousticcommunicationplaysaparticularlyimportantroleintheexplorationand

developmentofmarineresources.Comparedwiththeradiocommunicationsystem,the

underwateracousticcommunicationsystemhasmorechallenges,suchaslimited

communicationbandwidthresources,largedelayextension,seriousDopplerinterference,and

fasttime-varyingcharacteristicsofthechannel.Inordertocarryoutsta