[发明专利]一种MIMO-OFDM水声通信系统的多普勒估计方法

说明书

技术领域

本发明属于水声通信技术领域，尤其是一种MIMO-OFDM水声通信系统的多普 勒估计方法。

背景技术

水声通信网络在海洋石油工业的远程控制、海洋环境监测、海洋科学数据收 集、水下通话、海洋资源勘探等方面具有重要的应用价值。它通常由海底传感器、 自主水下航行器和水面站组成。海洋传输信道的特性如可用频带有限、传输时延 长以及环境噪声级高等种种困难严重限制了水声通信网络的服务质量。因此，高 性能、高可靠性水声通信网络的实现具有极大的技术挑战性，其关键是研究基于 海洋信道条件和水声通信网络特点的通信网络技术。基于多输入多输出的正交频 分复用(MIMO-OFDM)技术的水声通信系统以其高数据传输速率和高可靠性成 为水下通信领域的一个研究热点。而水声信道中多径传输造成的频率选择性衰落 和码间干扰以及多普勒效应引起的频移是影响水声通信系统速率和数据传输可 靠性的主要因素。在MIMO-OFDM系统中的多普勒估计方法要比单输入输出的 水声通信系统多普勒估计方法复杂得多。

目前水声通信中的多普勒估计方法多是基于模糊度函数的方法，其具体实现 方法大致分为两类：

第一类方法大都依赖于一个或多个对多普勒扩展不敏感的同步信号(如线性 调频信号LFM、伪随机序列PN等)，设置一组相关器(互相关或自相关)，采用信 号处理中的相关、模糊度函数等有关理论对多普勒扩展进行估计。

第二类方法是根据水声信道的特点，采用最新的信号处理理论，把多普勒估 计与补偿问题转化为其他问题进行研究。主要有：(1)将多普勒估计问题视为水 声信号参数估计问题的一部分；(2)将多普勒估计与补偿视为一个整体，建模为 稀疏信号表示或其他信号处理问题，寻找合适的信号处理算法来进行研究。

这些多普勒因子估计算法均可以扩展到MIMO系统中，但此时需要考虑多 发收信道变化的差异性对多普勒因子估计的影响，同时注意到水声信道的稀疏结 构，即水声MIMO信道中只有少部分能量较强的子信道能够将信号传输到达接 收端被水听器接收处理。针对MIMO-OFDM系统，本发明通过设计出联合导频 的同步码并且充分利用同步码信号的特点，对MIMO-OFDM水声通信系统中多 普勒因子进行精确估计，改进了传统单输入单输出多普勒因子估计方法在多输入 多输出系统应用中的不足，大大提高了估计精度。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种水声MIMO-OFDM多普勒因子精确 估计方法，针对所设计的同步导频的特点，将一种新的信号处理技术引入水声通 信来进行多普勒估计，提出一种能精确估计多普勒因子的方法，解决了传统相关 方法估计结果不准，未考虑MIMO-OFDM通信系统信道传输的稀疏特性的缺点。

技术方案：一种MIMO-OFDM水声通信系统的多普勒估计方法，包括如下 步骤：

S1：对接收端接收到的稀疏信号以抽样间隔进行采样，得到稀疏向量y；

S2：由接收双方都已知的同步导频信号s(t)结合信道特点，选取合适精度， 构造超完备字典；

S3：在一个周期内对所有抽样值累积得：y＝Cx+n，接收向量看作以x元 素为系数的C各列的线性组合；

S4：由超完备字典C、接收稀疏向量y，利用SBL算法，重构信号x；

S5：找到x中非零元素所对应超完备字典C中的相应列，继而找到各径所对 应的等价多普勒因子。

所述步骤S1具体为：考虑一个有N_t个换能器，N_r个水听器的水声 MIMO-OFDM通信系统，假设在第i个换能器和第j个水听器间的MIMO多径信 道中，在一个符号周期内多径衰减是近似保持不变的，并且每一个换能器至水听 器的等效多普勒因子都不同；定义多普勒因子ν_p、时延因子τ_p参数集合：

ν_p∈{ν₁,ν₂,...,ν_l,...,ν_L}τ_p∈{τ₁,τ₂,...,τ_k,...,τ_K}