最小误码率准则在水下通信中的应用

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水下通信技术在国家海洋军事实力建设与海洋资源探测等领域均扮演着重要角色,在当前世界范围内水下通信技术都是一个热门的研究领域。水下通信的难度堪比深空通信,通信的困难主要由于信道的恶劣条件导致,如水声信道的快速时变、强噪声干扰、强多径效应、带宽有限等。想要达到高速率的水下通信必须克服这些恶劣因素带来的困难。在通信接收机算法中,最小均方误差(Minimum-Mean-Square-Error,MMSE)准则作为一个简单、易用的准则在无线通信领域内广受欢迎。事实上,对于通信系统而言误码率(Symbol-Error-Rate,SER)是一个更直接的衡量指标,基于误码率设计接收算法可以更高效地利用频谱资源,对于带宽受限的水声通信系统,使用最小误码率准则(Least-SER,LSER)无疑可以更好地提升接收机性能。本文对最小误码率准则在水声通信中的应用进行了深入的研究。论文首先对水声通信与接收机中的均衡技术发展进行了综述,并分析了水声信道的特性,给出了时变与非时变的信道模型。在深入研究了传统均衡算法的基础上,本文给出了自适应最小误码率均衡的推导,包括线性结构与判决反馈结构的最小误码率均衡算法。同时本文也深入研究了Turbo均衡技术,并将最小误码率准则与之结合,得到了最小误码率Turbo接收机。在此基础上,针对水声信道的强噪声干扰、严重的多径效应、快速时变等特点,论文引入了空间分集技术、时间反转技术与数字锁相环技术与最小误码率Turbo接收机结合,最终得出了在真实水声信道下能真正运用的接收机算法。本文还对提出的算法进行了全面的仿真与实验分析,仿真与实验结果显示最小误码率Turbo算法在恶劣的信道条件下依然可以使误比特率(Bit-Error-Rate,BER)达到104-以下,且相对于最小均方误差算法,在低信噪比下有大约3dB的性能增益,高信噪比下有10dB的性能增益,验证了最小误码率Turbo接收算法在多径时变水声信道下的有效性,且较之MMSE准则有更好的通信性能。
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