內容簡介
本書以高速OFDM水聲通信技術為主線，內容涉獵廣泛，概念原理闡述清楚，邏輯性強。從OFDM水聲通信各關鍵技術的原理闡述到OFDM水聲通信接收機的設計方法以及OFDM 水聲MODEM的研製；從單用戶的MIMO-OFDM到多用戶MIMO-OFDM水聲通信的設計套用；從OFDM的中繼傳輸到OFDM網路編碼以及水聲測距與定位。通過學習本書可以加深對OFDM水聲通信相關原理及系統設計的理解。 本書可作為水聲通信相關專業本科高年級和研究生的教材或參考書，也可供相關專業工程技術人員學習和參考。
目錄
第1章 引言1
1.1 研究背景1
1.1.1 水聲的早期探索1
1.1.2 水聲通信媒介1
1.1.3 水下系統和網路2
1.2 水聲(UWA)信道的特點2
1.2.1 聲速2
1.2.2 傳播損失4
1.2.3 時變多徑6
1.2.4 聲傳播模型7
1.2.5 環境噪聲和外部干擾8
1.3 通帶信道的輸入和輸出關係9
1.3.1 各逕自有都卜勒擴展的線性時變信道9
1.3.2 具有共同都卜勒擴展的線性時變信道10
1.3.3 線性時不變信道11
1.3.4 幅度和時延變化的線性時變信道11
1.3.5 依頻率衰減的線性時變信道11
1.4 水聲通信中的調製技術12
1.4.1 跳頻 FSK12
1.4.2 直接序列擴展頻譜12
1.4.3 單載波調製13
1.4.4 掃頻(S2C)載波調製13
1.4.5 多載波調製14
1.4.6 多輸入多輸出技術14
1.4.7 水聲通信的近期發展15
1.5 本書的組織結構15
第2章 OFDM基本知識17
2.1 零後綴的OFDM17
2.1.1 發射信號17
2.1.2 接收機處理19
2.2 循環前綴的OFDM20
2.2.1 發射信號20
2.2.2 接收機處理21
2.3 OFDM相關的問題21
2.3.1 ZP-OFDM與CP-OFDM21
2.3.2 峰值平均功率比22
2.3.3 功率譜和頻寬22
2.3.4 子載波分配22
2.3.5 總的數據速率23
2.3.6 設計指南23
2.4 離散傅立葉變換的實現23
2.5 OFDM的挑戰和補救方法24
2.5.1 分集合併和信道編碼的益處25
2.6 MIMO-OFDM27
2.7 文獻註記29
第3章 多進制LDPC編碼的OFDM30
3.1 OFDM的信道編碼30
3.1.1 信道編碼30
3.1.2 編碼調製31
3.1.3 編碼的OFDM32
3.2 多進制LDPC碼33
3.2.1 多進制的規則循環碼34
3.2.2 多進制非規則LDPC碼35
3.3 編碼36
3.4 解碼37
3.4.1 初始化38
3.4.2 變數節點到校驗節點更新39
3.4.3 校驗節點到變數節點更新39
3.4.4 初始判決和解碼輸出40
3.5 碼設計41
3.5.1 規則循環碼的設計41
3.5.2 非規則LDPC碼的設計42
3.5.3 準循環的多進制LDPC碼43
3.6 編碼的OFDM的仿真結果45
3.7 文獻註記47
第4章 PAPR控制48
4.1 PAPR的比較48
4.2 PAPR的減小50
4.2.1 限幅50
4.2.2 選擇性映射51
4.2.3 載波峰值抑制52
4.3 文獻註記53
第5章 接收機綜述和預處理54
5.1 OFDM接收機綜述54
5.2 接收機預處理55
5.2.1 接收機的預處理55
5.2.2 數字實現56
5.2.3 頻域過採樣59
5.3 頻域的輸入/輸出關係59
5.3.1 單輸入單輸出信道59
5.3.2 單輸入多輸出信道61
5.3.3 多輸入多輸出信道61
5.3.4 信道矩陣結構62
5.4 OFDM接收機的分類62
5.4.1 ICI-忽略的接收機63
5.4.2 ICI-感知的接收機64
5.4.3 逐塊處理65
5.4.4 塊間處理65
5.4.5 討論65
5.5 仿真信道的接收機性能界65
5.5.1 仿真水聲信道66
5.5.2 時變信道下的ICI影響66
5.5.3 SISO信道的中斷性能67
5.6 擴展到CP-OFDM68
5.6.1 接收機預處理68
5.6.2 頻域的輸入/輸出關係68
5.7 文獻註記69
第6章 檢測，同步和都卜勒擴展估計70
6.1 基於互相關的方法71
6.1.1 基於互相關的檢測71
6.1.2 基於互相關的同步和都卜勒擴展估計74
6.2 CP-OFDM的檢測、同步和都卜勒擴展的估計76
6.2.1 具有自重複的CP-OFDM前導碼76
6.2.2 基於自相關的檢測、同步和都卜勒擴展估計77
6.2.3 實現78
6.3 一個ZP-OFDM塊的同步和都卜勒擴展估計79
6.3.1 基於空子載波的盲估計80
6.3.2 導頻輔助的估計80
6.3.3 基於判決輔助的估計80
6.4 都卜勒擴展估計的仿真結果81
6.4.1 CP-OFDM的RMSE性能81
6.4.2 ZP-OFDM的RMSE性能82
6.4.3 CP-OFDM和ZP-OFDM的盲估計方法的比較83
6.5 實用系統的設計實例84
6.6 殘餘都卜勒頻移估計85
6.6.1 重採樣後的系統模型85
6.6.2 殘餘都卜勒頻移補償的影響86
6.6.3 兩種殘餘都卜勒頻移估計方法88
6.6.4 仿真結果88
6.7 文獻註記90
第7章 信道和噪聲方差估計91
7.1 ICI-忽略的信道估計問題描述91
7.1.1 輸入/輸出關係91
7.1.2 基於字典的描述92
7.2 ICI-忽略的稀疏信道感知93
7.2.1 字典解析度與信道稀疏性94
7.2.2 稀疏因子95
7.2.3 導頻數目與路徑數目95
7.3 ICI-感知的稀疏信道感知96
7.3.1 問題描述96
7.3.2 ICI-感知的信道感知97
7.3.3 導頻子載波的分布98
7.3.4 數據符號的影響98
7.4 稀疏恢復算法99
7.4.1 匹配追蹤99
7.4.2 ?1範數最小化99
7.4.3 通過FFT實現矩陣矢量乘法101
7.4.4 計算複雜度102
7.5 擴展到多輸入信道102
7.5.1 ICI-忽略的稀疏信道感知102
7.5.2 ICI-感知的稀疏信道感知103
7.6 噪聲方差估計104
7.7 噪聲預白化105
7.7.1 噪聲譜估計105
7.7.2 頻域白化106
7.8 文獻註記106
第8章 數據檢測107
8.1 ICI-忽略的OFDM系統的逐符號檢測108
8.1.1 單輸入單輸出信道108
.
8.1.2 單輸入多輸出信道109
8.2 ICI-感知的OFDM系統中的塊數據檢測110
8.2.1 MAP均衡111
8.2.2 具有先驗信息的線性MMSE均衡器111
8.2.3 擴展到單輸入多輸出信道113
8.3 帶狀ICI的OFDM系統的數據檢測114
8.3.1 BCJR算法及Log-MAP算法實現114
8.3.2 因子圖算法和高斯訊息傳遞116
8.3.3 相關高斯訊息的計算117
8.3.4 擴展到SIMO信道118
8.4 MIMO-OFDM的數據檢測118
8.4.1 ICI-忽略的MIMO-OFDM118
8.4.2 完全ICI的均衡119
8.4.3 帶狀ICI均衡119
8.5 MIMO-OFDM數據檢測中的MCMC檢測法120
8.5.1 ICI-忽略的MIMO檢測的MCMC檢測法121
8.5.2 帶狀ICI的 MIMO檢測的MCMC檢測法121
8.6 文獻註記122
第9章 逐塊處理的OFDM接收機123
9.1 非疊代ICI-忽略的接收機124
9.1.1 非疊代ICI-忽略的接收機結構124
9.1.2 仿真結果：ICI-忽略的接收機124
9.1.3 實驗結果：ICI-忽略的接收機124
9.2 非疊代ICI-感知的接收機127
9.2.1 非疊代ICI-感知的接收機結構127
9.2.2 仿真結果：ICI-感知的接收機127
9.2.3 實驗結果：ICI-感知的接收機128
9.3 疊代接收機處理129
9.3.1 疊代的ICI-忽略的接收機129
9.3.2 疊代的ICI-感知的接收機129
9.4 ICI-漸進的接收機130
9.5 仿真結果：ICI-漸進的接收機131
9.6 實驗結果：ICI-漸進的接收機134
9.6.1 BLER性能134
9.6.2 環境影響135
9.6.3 漸進的接收機與疊代的ICI-感知的接收機對比136
9.7 討論136
9.8 文獻註記137
第10章 分簇的信道自適應OFDM接收機138
10.1 信道時變特性的說明138
10.2 基於簇的塊間信道變化的建模139
10.3 基於簇自適應的塊間接收機140
10.3.1 簇偏移的估計和補償141
10.3.2 基於簇自適應的稀疏信道估計143
10.3.3 信道再估計和簇的變化更新145
10.4 實驗結果：MACE10146
10.4.1 總體的重採樣後的BLER性能146
10.4.2 精確重採樣後的BLER性能148
10.5 實驗結果：SPACE08149
10.6 討論151
10.7 文獻註記151
第11章 深海水平信道的OFDM通信152
11.1 深海水平通信的系統模型153
11.1.1 發射信號153
11.1.2 成簇多徑信道的建模153
11.1.3 接收信號154
11.2 基於判決反饋的接收機設計155
11.3 基於因子圖的聯合IBI/ICI均衡156
11.3.1 機率問題的提出156
11.3.2 基於因子圖的均衡157
11.4 疊代的塊間接收機處理158
11.5 仿真結果160
11.6 AUTEC環境下的實驗結果162
11.7 擴展到水下廣播網路164
11.7.1 水下廣播網路164
11.7.2 半仿真實驗結果：MACE10165
11.8 文獻註記167
第12章 參數化的外部干擾抵消的OFDM接收機168
12.1 干擾的參數化168
12.2 干擾抵消的疊代OFDM接收機169
12.2.1 初始化171
12.2.2 干擾檢測與估計171
12.2.3 信道估計、均衡和信道解碼172
12.2.4 噪聲方差估計173
12.3 仿真結果173
12.3.1 時不變信道173
12.3.2 時變信道174
12.3.3 不同SIR下所提出的接收機的性能175
12.3.4 干擾檢測與估計175
12.4 實驗結果：AUTEC10176
12.5 半仿真結果：SPACE08178
12.6 討論179
12.7 文獻註記179
第13章 集中式的MIMO-OFDM180
13.1 ICI-忽略的MIMO-OFDM系統模型181
13.2 ICI-忽略的MIMO-OFDM接收機181
13.2.1 非疊代的ICI-忽略的MIMO-OFDM接收機181
13.2.2 疊代的ICI-忽略的MIMO-OFDM接收機181
13.3 仿真結果：ICI-忽略的MIMO-OFDM183
13.4 SPACE08實驗結果：ICI-忽略的MIMO-OFDM184
13.5 ICI-感知的MIMO-OFDM系統模型185
13.6 ICI-漸進的MIMO-OFDM接收機186
13.6.1 接收機概述186
13.6.2 稀疏信道估計與噪聲方差估計187
13.6.3 聯合ICI/CCI 均衡器188
13.7 仿真結果：ICI-漸進的MIMO-OFDM188
13.8 SPACE08實驗：ICI-漸進的MIMO-OFDM189
13.9 MACE10實驗：ICI-漸進的MIMO-OFDM191
13.9.1 兩個發射機的BLER性能191
13.9.2 有三個和四個發射機的BLER性能192
13.10 ICI-漸進的MIMO-OFDM的初始化192
13.11 文獻註記192
第14章 分散式的MIMO-OFDM194
14.1 系統模型195
14.2 多個重採樣的前端處理195
14.3 基於多用戶檢測的疊代接收機196
14.3.1 頻域過採樣的預處理197
14.3.2 聯合信道估計198
14.3.3 多用戶數據檢測和信道解碼198
14.4 基於單用戶檢測(SUD)的疊代接收機199
14.4.1 單用戶解碼199
14.4.2 MUI的建立200
14.5 用MACE10數據仿真兩個用戶系統201
14.5.1 有/無頻域過採樣的MUD接收機201
14.5.2 SUD接收機和MUD接收機的性能202
14.6 用MACE10和SPACE08數據仿真MIMO-OFDM205
14.6.1 一個移動單發射機用戶加上一個靜止的兩發射機用戶205
14.6.2 一個移動的單發射機用戶加上一個靜止的三發射機用戶205
14.6.3 兩個移動單發射機用戶加上一個靜止的兩發射機用戶206
14.7 文獻註記206
第15章 異步多用戶OFDM207
15.1 異步多用戶OFDM的系統模型208
15.2 重疊截斷和干擾聚合209
15.2.1 重疊截斷209
15.2.2 干擾聚合210
15.3 異步多用戶OFDM接收機210
15.3.1 整體的接收機結構210
15.3.2 塊間干擾的相減211
15.3.3 時域到頻域轉換212
15.3.4 疊代的多用戶接收和殘餘干擾抵消213
15.3.5 干擾重建214
15.4 實驗網路中的多用戶異步研究214
15.5 仿真結果216
15.5.1 時變信道下的兩個用戶系統217
15.5.2 時不變信道下的多用戶系統218
15.6 半仿真結果：MACE10220
15.7 文獻註記221
第16章 中繼信道的OFDM222
16.1 單中繼網路中的動態編碼協作222
16.1.1 中繼操作223
16.1.2 目的節點的接收機處理224
16.1.3 討論225
16.2 基於可變速率的信道編碼的設計舉例225
16.2.1 碼設計225
16.2.2 仿真結果226
16.3 基於分層刪除和糾錯編碼的設計舉例228
16.3.1 碼設計228
16.3.2 實現228
16.3.3 游泳池實驗229
16.3.4 海洋實驗230
16.4 線路網路上的動態塊循環233
16.4.1 逐跳中繼和Turbo中繼233
16.4.2 動態塊循環傳輸234
16.4.3 討論235
16.5 文獻註記235
第17章 OFDM調製的物理層網路編碼236
17.1 OFDM調製的PLNC系統模型237
17.2 三種疊代的OFDM接收機238
17.2.1 檢測和解碼分別疊代238
17.2.2 疊代的異或PLNC檢測和解碼239
17.2.3 疊代的通用PLNC檢測和解碼240
17.3 時不變信道下的中斷機率界241
17.4 仿真結果241
17.4.1 單徑時不變信道242
17.4.2 多徑時不變信道242
17.4.3 多徑時變信道243
17.5 實驗結果：SPACE08244
17.6 文獻註記246
第18章 OFDM數據機的研製247
18.1 聲數據機的部件247
18.2 空氣中的OFDM聲數據機248
18.3 實驗室用OFDM數據機248
18.4 AquaSeNT OFDM數據機249
18.5 文獻註記250
第19章 水下測距與定位251
19.1 測距251
19.1.1 單程信號251
19.1.2 雙程信號252
19.1.3 高精度測距的挑戰252
19.2 水下GPS252
19.2.1 系統概述252
19.2.2 單程傳播時間估計253
19.2.3 定位254
19.2.4 跟蹤算法255
19.2.5 仿真結果259
19.2.6 湖中外場實驗261
19.3 請求式異步定位261
19.3.1 定位步驟262
19.3.2 發起者的定位算法263
19.3.3 被動節點的定位算法264
19.3.4 湖中實驗的定位性能結果265
19.4 文獻註記267
附錄A 壓縮感知268
附錄B 實驗描述273
參考文獻277
