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內容簡介

本書以高速OFDM水聲通信技術為主綫，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水聲通信的設計應用；從OFDM的中繼傳輸到OFDM網絡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係統設計的理解。 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。

作者簡介

Shengli Zhou（周勝利）教授，IEEE Fellow。1995年於中國科技大學獲得學士學位，2002年於美國明尼蘇達州立大學獲得博士學位。現任美國康涅狄格州立大學電子計算機工程學院教授，同時擔任無綫通信研究實驗室（WCRL）主任和水下傳感器網絡實驗室（USWN）主任。目前主要研究領域為水聲通信和網絡、編碼理論和應用、傳感器網絡、無限定位和目標追蹤。現任IEEE Journal of Oceanic Engineering 和 IEEE Trans. On Signal Processing的副主編。2007年他獲得瞭美國為科學傢和工程學傢設立的“總統早期職業奬”，是康涅狄格州立大學**位獲得該奬的員工。
鬍曉毅，廈門大學信息科學與技術學院教授，中國電子學會高級會員。近年來主持或參與多項國傢自然科學基金項目，主要研究方嚮為水聲通信網絡物理層技術、多載波調製技術、擴頻通信。

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 水下係統和網絡 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 環境噪聲和外部乾擾 8
1．3 通帶信道的輸入和輸齣關係 9
1．3．1 各徑自有多普勒擴展的綫性時變信道 9
1．3．2 具有共同多普勒擴展的綫性時變信道 10
1．3．3 綫性時不變信道 11
1．3．4 幅度和時延變化的綫性時變信道 11
1．3．5 依頻率衰減的綫性時變信道 11
1．4 水聲通信中的調製技術 12
1．4．1 跳頻 FSK 12
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 多輸入多輸齣技術 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OFDM 17
2．1．1 發射信號 17
2．1．2 接收機處理 19
2．2 循環前綴的OFDM 20
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-OFDM 21
2．3．2 峰值平均功率比 22
2．3．3 功率譜和帶寬 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 離散傅裏葉變換的實現 23
2．5 OFDM的挑戰和補救方法 24
2．5．1 分集閤並和信道編碼的益處 25
2．6 MIMO-OFDM 27
2．7 文獻注記 29
第3章 多進製LDPC編碼的OFDM 30
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OFDM 32
3．2 多進製LDPC碼 33
3．2．1 多進製的規則循環碼 34
3．2．2 多進製非規則LDPC碼 35
3．3 編碼 36
3．4 譯碼 37
3．4．1 初始化 38
3．4．2 變量節點到校驗節點更新 39
3．4．3 校驗節點到變量節點更新 39
3．4．4 初始判決和譯碼輸齣 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 準循環的多進製LDPC碼 43
3．6 編碼的OFDM的仿真結果 45
3．7 文獻注記 47
第4章 PAPR控製 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 載波峰值抑製 52
4．3 文獻注記 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 頻域過采樣 59
5．3 頻域的輸入/輸齣關係 59
5．3．1 單輸入單輸齣信道 59
5．3．2 單輸入多輸齣信道 61
5．3．3 多輸入多輸齣信道 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-OFDM 68
5．6．1 接收機預處理 68
5．6．2 頻域的輸入/輸齣關係 68
5．7 文獻注記 69
第6章 檢測，同步和多普勒擴展估計 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多普勒擴展估計 74
6．2 CP-OFDM的檢測、同步和多普勒擴展的估計 76
6．2．1 具有自重復的CP-OFDM前導碼 76
6．2．2 基於自相關的檢測、同步和多普勒擴展估計 77
6．2．3 實現 78
6．3 一個ZP-OFDM塊的同步和多普勒擴展估計 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 多普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 實用係統的設計實例 84
6．6 殘餘多普勒頻移估計 85
6．6．1 重采樣後的係統模型 85
6．6．2 殘餘多普勒頻移補償的影響 86
6．6．3 兩種殘餘多普勒頻移估計方法 88
6．6．4 仿真結果 88
6．7 文獻注記 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/輸齣關係 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 字典分辨率與信道稀疏性 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 計算復雜度 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 文獻注記 106
第8章 數據檢測 107
8．1 ICI-忽略的OFDM係統的逐符號檢測 108
8．1．1 單輸入單輸齣信道 108
8．1．2 單輸入多輸齣信道 109
8．2 ICI-感知的OFDM係統中的塊數據檢測 110
8．2．1 MAP均衡 111
8．2．2 具有先驗信息的綫性MMSE均衡器 111
8．2．3 擴展到單輸入多輸齣信道 113
8．3 帶狀ICI的OFDM係統的數據檢測 114
8．3．1 BCJR算法及Log-MAP算法實現 114
8．3．2 因子圖算法和高斯消息傳遞 116
8．3．3 相關高斯消息的計算 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-OFDM 118
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 文獻注記 122
第9章 逐塊處理的OFDM接收機 123
9．1 非迭代ICI-忽略的接收機 124
9．1．1 非迭代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 非迭代ICI-感知的接收機 127
9．2．1 非迭代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 迭代接收機處理 129
9．3．1 迭代的ICI-忽略的接收機 129
9．3．2 迭代的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 漸進的接收機與迭代的ICI-感知的接收機對比 136
9．7 討論 136
9．8 文獻注記 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：MACE10 146
10．4．1 總體的重采樣後的BLER性能 146
10．4．2 精確重采樣後的BLER性能 148
10．5 實驗結果：SPACE08 149
10．6 討論 151
10．7 文獻注記 151
第11章 深海水平信道的OFDM通信 152
11．1 深海水平通信的係統模型 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 基於因子圖的聯閤IBI/ICI均衡 156
11．3．1 概率問題的提齣 156
11．3．2 基於因子圖的均衡 157
11．4 迭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 擴展到水下廣播網絡 164
11．7．1 水下廣播網絡 164
11．7．2 半仿真實驗結果：MACE10 165
11．8 文獻注記 167
第12章 參數化的外部乾擾抵消的OFDM接收機 168
12．1 乾擾的參數化 168
12．2 乾擾抵消的迭代OFDM接收機 169
12．2．1 初始化 171
12．2．2 乾擾檢測與估計 171
12．2．3 信道估計、均衡和信道譯碼 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下所提齣的接收機的性能 175
12．3．4 乾擾檢測與估計 175
12．4 實驗結果：AUTEC10 176
12．5 半仿真結果：SPACE08 178
12．6 討論 179
12．7 文獻注記 179
第13章 集中式的MIMO-OFDM 180
13．1 ICI-忽略的MIMO-OFDM係統模型 181
13．2 ICI-忽略的MIMO-OFDM接收機 181
13．2．1 非迭代的ICI-忽略的MIMO-OFDM接收機 181
13．2．2 迭代的ICI-忽略的MIMO-OFDM接收機 181
13．3 仿真結果：ICI-忽略的MIMO-OFDM 183
13．4 SPACE08實驗結果：ICI-忽略的MIMO-OFDM 184
13．5 ICI-感知的MIMO-OFDM係統模型 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 聯閤ICI/CCI 均衡器 188
13．7 仿真結果：ICI-漸進的MIMO-OFDM 188
13．8 SPACE08實驗：ICI-漸進的MIMO-OFDM 189
13．9 MACE10實驗：ICI-漸進的MIMO-OFDM 191
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 文獻注記 192
第14章 分布式的MIMO-OFDM 194
14．1 係統模型 195
14．2 多個重采樣的前端處理 195
14．3 基於多用戶檢測的迭代接收機 196
14．3．1 頻域過采樣的預處理 197
14．3．2 聯閤信道估計 198
14．3．3 多用戶數據檢測和信道譯碼 198
14．4 基於單用戶檢測(SUD)的迭代接收機 199
14．4．1 單用戶譯碼 199
14．4．2 MUI的建立 200
14．5 用MACE10數據仿真兩個用戶係統 201
14．5．1 有/無頻域過采樣的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-OFDM 205
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 文獻注記 206
第15章 異步多用戶OFDM 207
15．1 異步多用戶OFDM的係統模型 208
15．2 重疊截斷和乾擾聚閤 209
15．2．1 重疊截斷 209
15．2．2 乾擾聚閤 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 塊間乾擾的相減 211
15．3．3 時域到頻域轉換 212
15．3．4 迭代的多用戶接收和殘餘乾擾抵消 213
15．3．5 乾擾重建 214
15．4 實驗網絡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係統 217
15．5．2 時不變信道下的多用戶係統 218
15．6 半仿真結果：MACE10 220
15．7 文獻注記 221
第16章 中繼信道的OFDM 222
16．1 單中繼網絡中的動態編碼協作 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 遊泳池實驗 229
16．3．4 海洋實驗 230
16．4 綫路網絡上的動態塊循環 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 文獻注記 235
第17章 OFDM調製的物理層網絡編碼 236
17．1 OFDM調製的PLNC係統模型 237
17．2 三種迭代的OFDM接收機 238
17．2．1 檢測和譯碼分彆迭代 238
17．2．2 迭代的異或PLNC檢測和譯碼 239
17．2．3 迭代的通用PLNC檢測和譯碼 240
17．3 時不變信道下的中斷概率界 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：SPACE08 244
17．6 文獻注記 246
第18章 OFDM調製解調器的研製 247
18．1 聲調製解調器的部件 247
18．2 空氣中的OFDM聲調製解調器 248
18．3 實驗室用OFDM調製解調器 248
18．4 AquaSeNT OFDM調製解調器 249
18．5 文獻注記 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GPS 252
19．2．1 係統概述 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 文獻注記 267
附錄A 壓縮感知 268
附錄B 實驗描述 273
參考文獻 277
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