（通信与信息系统专业论文）水声通信网中的mccdma技术研究.pdf

摘要 近年来，随着世界各国海洋开发步伐的加快以及水声通信技术、水声m o d e m 技术的不断发展，世界各国对海洋信息获取、环境监测、海岸防御等要求急速增 长，使得水声通信网一经提出就被广为接受，并成为了世界范围内的研究热点。 水声通信网是种分层网络，目前对水声通信网的研究主要集中在物理层、数据 链路层和网络层。由于水声信道带宽、速率、功率等资源受限，因此，如何共享 有限的资源，对水声网络的研究和设计具有重要意义。 本文主要针对水声网络物理层的多址接入技术展开工作。在调研、分析和 对比的基础上，选定m c c d m a 技术作为本论文所研究的水声网络物理层多址接入 方式，并对m c c d m a 技术应用于水声网络时所遇到的一些主要困难和关键技术进 行了初步探讨和研究，具体包括以下四个方面： 一、m c - c d m a 系统扩频码的选取方案。主要从相关性的角度出发，研究用于 水声通信网m c - c d m a 技术的几种扩频码，并给出其生成方法和相关性能仿真对 比。 二、m c c d m a 系统的水声信道估计。水声信道的特性决定了水声网络的设计 及其性能。本文在m c c d m a 系统中采取基于导频的l s 信道估计，达到了较为理 想的估计性能。 三、对m c c d m a 下行多用户通信进行了单用户检测技术的研究，对e g c 、m r c 和o r c 这三种分集合并技术作为本网络的单用户检测技术时的系统性能进行了 仿真和对比分析。 四、将多用户检测技术引入水声通信网m c c d m a 系统，解决m c c d m a 系统 上行通信的多址干扰问题，以提高网络容量和多址接入性能。 同时，本文还在理论研究和仿真分析的基础上进行了一定的水池实验测试， 得出了一些有用的结论，为浅海水声网络的设计铺垫了一定的有用基础。 关键字：水声通信网：m c - c d m a a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e si na c o u s t i cc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n da c o u s t i cm o d e m t e c h n o l o g yt h a te n a b l e dh i g h r a t e ，r e a l t i m er e l i a b l ep o i n t - t o - p o i n tc o m m u n i c a t i o n s b e t w e e nu n d e r w a t e rn o d e ss u c ha so c e a nb o t t o ms e n s o r sa n da u t o n o m o u su n d e r w a t e r v e h i c l e s ( a u v s ) ，c u r r e n tr e s e a r c hf o c u s e so nc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nv a r i o u sr e m o t e u n d e r w a t e rn o d e sw i t h i nan e t w o r ks t r u c t u r et om e e tt h ee m e r g i n gd e m a n df o r w o r l d w i d ea p p l i c a t i o n s ，s u c ha se n v i r o n m e n t a ld a t ac o l l e c t i o n ，o f f s h o r ee x p l o r a t i o n ， p o l l u t i o nm o n i t o r i n g ，n a v i g a t i o ns u p p o r t ，a n dm i l i t a r ys u r v e i l l a n c e t h ed e s i g no f a n u n d e r w a t e ra c o u s t i c ( u w a ) n e t w o r ki sc o m m o n l yc a r r i e do u ti nt h ef o r mo fal a y e r e d a r c h i t e c t u r e ，a n dr e c e n tr e s e a r c hf o c u s e so nt h ef i r s tt h r e el a y e r s ，i e t h ep h y s i c a l l a y e r , t h ed a t al i n kl a y e r , a n dt h en e t w o r kl a y e r h o w e v e r ，t h eq u a l i t yo fs u c h n e t w o r k si sm a i n l yl i m i t e db yc h a r a c t e r i s t i c so ft h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e l ，s u c h a sl o wa v a i l a b l eb a n d w i d t h ，h i g h l yv a r y i n gm u l t i p a t h ，l a r g ep r o p a g a t i o nd e l a y sa n d l i m i t e de n e r g ys u p p l y w i t h i ns u c ha ne n v i r o n m e n t ，d e s i g n i n ga nu w an e t w o r kt h a t m a x i m i z e st h r o u g h p u ta n dr e l i a b i l i t yb e c o m e saw o r l d w i d ea n dv e r yd i f f i c u l tt a s k i n p a r t i c u l a r , m a n a g i n gc h a n n e la c c e s si sd i f f i c u l t ，a sm a n yn o d e sh a v et os h a r et h es a m e l i m i t e ds o u r c e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h em u l t i p l ea c c e s sm e t h o d so ft h eu w an e t w o r k s p h y s i c a ll a y e r w ec h o o s et h em u l t i c a r r i e rc d m a ( m c c d m a ) t e c h n o l o g ya so u r m u l t i p l ea c c e s ss t r a t e g y , a n d ，a ss o m ed i f f i c u l t i e sa n dk e yt e c h n o l o g i e sw em a yf a c e w h e nw ea p p l ym c c d m at oo u rn e t w o r k ，t h ep a p e ri sm a i n l yt od os o m er e s e a r c h a b o u tt h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t s ： s p r e a d i n gc o d e ss e l e c t i o nf o rt h em c c d m as y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fag o o ds p r e a d i n gc o d ei ns p e c t r u ms p r e a d i n gs y s t e m si st oh a v el o w c r o s sc o r r e l a t i o na n dh i g ha u t o c o r r e l a t i o nw h i l eb e i n gc a p a b l eo f s u p p o r t i n ga sm a n yu s e r sa st h e yc a n i nt h i sp a p e r , w er e s e a r c ht h e c o r r e l a t i o np e r f o r m a n c eo fw a l s hc o d e ，p s e u d on o i s es e q u e n c e ，a n dt h e i i c a r r i e ri n t e r f e r o m e t yc o d e ( c ic o d e ) ，t h ed o u b l eo r t h o g o n a lc o d e ( d o c o d e ) ，w h i c ha r en e wf a m i l ys p r e a d i n gs e q u e c e sw i t hm a n y a d v a n c e s 2 w ea d d r e s sc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do np i l o ts i g n a lt om c c d m as y s t e m 3 4 i no u ru w a n e t w o r k u s i n gt h et i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n s t r u c t u r eo fm c c d m a ，w ep r e s e n tt h el se s t i m a t o r si nt h ef r e q u e n c y d o m a i no ft h es y s t e m t h es i m u l a t i o na n dp o o l t e s t i n gi n d i c a t e st h a tt h i s c h a n n e le s t i m a t i o nc a l le n s u r eo u rm c c d m aw o r k i n gu n d e ra n a c c e p t a b l eb e r i nt h i sp a p e r , w ea d d r e s sd i f f e r e n td e t e c t i o ns t r a t e g i e sw h i l em c - c d m a u s e r sw o r ko nd o w n l i n ka n du p l i n k , s e p a r a t e l y a sf o rt h ed o w n l i n k c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nm u l t i p l eu s e r s ，w es u r v e yd i f f e r e n tc o m b i n i n g m e t h o d s ，i n c l u d i n ge g c ，m r c ，o r c ，a n ds oo n a n dt h ep a p e rs h o w sa v e r yw e l lp e r f o r m a n c et h ec o m b i n i n gm e t h o d sh a v ei no u ru w a n e t w o r k s f i n a l l y i nt h eu p l i n k ，w i t ht h ei n c r e a s eo fm u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ，a n dt h e l o s so fs y n c h r o n i c i t yb e t w e e nu s e r s ，w ep r o p o s es e v e r a lm u l t i u s e r d e t e c t i o n ( m u d ) t e c h n o l o g i e st o m c - c d m as y s t e m s t h er e s e a r c h e d m u d si n t h i s p a p e r c o v e r sd e c ，p i c ，a n dd e c p i c e g c ， d e c - p i c - o r c ，d e c p i c m r c f u r t h e r m o r e ，w ea n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fo u rr e s e a r c hn o to n l yi ns i m u l a t i o n ， b u ta l s oi np o o l t e s t i n g t h ec o n c l u s i o no ft h i sp a p e rw i l lg i v e s o m eh e l p st ot h e d e s i g no fo u ru w an e t w o r k ，w h i c hi st h ep a p e r sf u t u r ew o r k k e y w o r d s ：u n d e r w a t e ra c o u s t i cn e t w o r k ；m c c d m a i i i 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文 中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和 责任。 声明人c ：协玄效 加年上月7 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 2 、不保密( 0 作者签名：徼未。数日期：加脚r 月习日 导师签名：饵互日期：伽驴年f 月匆日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 早在第二次世界大战之后，水声通信就已出现。水声通信最初主要是应用于 军事领域，最近十几年来，随着人类对海洋资源的不断开发和利用，如近年来环 境系统的污染监测、海上石油工业的遥控以及不回收仪器设备而直接获取海底工 作站记录的科学数据等等，使得水下信息通信技术的商用前景越来越广阔，相应 地，也促进了水下通信技术的发展。现在水声通信已广泛应用于潜艇之间的通信、 水面舰艇与潜艇的通信、海上遥控和遥测、遥感、水下测量设备记录数据回送、 水下图像传输、语音传输和水声局域互联网( a l a n ) 等多个方面。这些技术的发 展和成熟，使得水声通信已经发展到建立水声网络的阶段【i i 。 近年来，随着世界各国海洋开发步伐的加快以及水声通信技术和水声 m o d e m 技术的不断发展，世界各国对海洋信息获取、环境监测、海岸防御等要 求急速增长，对水下传感器网络、水下监视系统、水声预警网络等等的需求也愈 来愈迫切，使得海洋水声通信网络这一概念一经提出就被广为接受并成为世界范 围内的研究热点【1 。9 j 。 1 2 研究背景和意义 1 2 1 水声通信网发展概况 水声通信网这一概念是由w o o d sh o l eo c e a n o g r a p h i ci n s t i t u t i o n ( w h o i ) 于 1 9 9 4 年提出的【9 】，从1 9 9 4 年到现今的短短十几年时间，水声网络在世界范围内 受到了极大的关注并得到了迅速的发展。 在国外，迄今为止已研究出的、规模最大的水声网络是美国的s e a w e b 网络 1 0 - 1 1 。s e a w e b 网络首先在舷外可部署自治分布系统( d e p l o y a b l ea u t o n o m o u s d i s t r i b u t e ds y s t e m s ，简称d a d s ) 中应用。d a d s 固定部署在水深5 0 m - - 一3 0 0 m 的海底处，传感器节点间距为2 - - 一5 k m ，由潜艇、水面舰艇或飞机布放，也可由 水声通信网中的m c c d m a 技术 水下自治运载器( a u t o n o m o u su n d e r s e av e h i c l e s ，a u v s ) 或无人水下航行器 ( u n m a n n e du n d e r s e av e h i c l e s ，u u v s ) 布放，再利用水声m o d e m 进行通讯。这种 灵活的网络结构允许任意选择节点类型、节点密集程度和覆盖范围，信息速率可 以在8 0 0 b i t s 至3 0 0 b i t s 之间变化，因而可以不断地扩展。美国空海作战系统中 心( s p a w a r ) 和海军研究署已于1 9 9 8 年开始对s e a w e b 网络进行了连续几年 的试验，s e a w e b2 0 0 0 的网络节点已达1 7 爪【8 1 ，而s e b w e b2 0 0 4 年的网络节点已 经高达4 0 爪【1 0 i 。这些试验结果证明，在浅海恶劣环境条件下利用水声网络在广 阔海域进行高质量数据传输是可行的。 美国在m o n t e r e yc a n y o n 建立了深水声通信局域网络，这是第一代的a l a n 网络，其监测范围为5 1 0 公里，水下节点与海面浮标之间利用1 0 3 0 k h z 的垂直 声信道、浮标与岸基通过射频的方式通信。 目前对水声自组网络研究最为前沿的是美国n o r t h e a s t e m 大学的e t h e m m s o z e r , m i l i c as t o j a n o v i c 和j o h ng p r o a k i s ，他们最早提出了水声组网通信的概 念【3 1 ，他们在文献 3 】中借鉴了现有成熟的无线网络技能和关键技术，具体描述了 水声网络的设计原理，探讨其网络的多路访问、媒体接入、自动重传请求以及路 由选择方法，并给出了一个浅海水声网络的设计实例，利用o p n e t 工具测试了 该网络的性能。 欧共体在m a s t ( m a r i n es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o g r a m m e ) 计划的支持下， 发展了一系列化的水声通信网络研究计划：a c m ep r o j e c t ，l o t u sp r o j e c t ，s w a n ( s h a l l o ww a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) p r o j e c t ，r o b l i n k s ( l o n gr a n g e s h a l l o ww a t e rr o b u s ta c o u s t i cc o m m u n i c a t i o nl i n k s ) p r o j e c t 等等。其中，a c m e 计划的目标是适用于浅水通信网络的稳健通信和网络协议，网络中最小节点数3 个，水深6 1 0 米，节点距离2 0 0 2 0 0 0 米，比特率最高为l k b i t s 。l o t u s 计划适 于超浅信道中的长距离通信，其点对点通信距离可达10 公里，载波频率8 k h z ， 通信速率最高4 k b i t s ，该系统针对超浅水域中存在强烈、时变的混响干扰以及多 用户同时发射会造成严重的串扰等严重问题进行技术攻关，采用三维水听器阵进 行空间分集并对每一个信源进行匹配，该系统目前己进行过两次海试f 8 1 。s w a n 计划的目标是建立浅水通信仿真模型，并研究各种无训练m e m u 阵处理方法。 r o b l i n k s 目标是研究并试验浅水中( 2 0 一3 0 米) 长距离( 大于1 0 公罩) 稳健通信 2 第一章绪论 ( 大于l k b i t s ) 的方案，其技术路线是开发新的最佳相关信号处理概念和算法，引 入连续信道辨识技术，提高通信系统对环境变化的稳健性，并对算法进行海试验 证。 相比较而言，国内对水声通信网技术的研究还处于起步阶段，目前尚未有取 得试验成果的报道。 1 2 2 水声通信网面临的主要挑战 海洋声信道极其恶劣的传输条件，声波不利的介质特性以及传感器等水下设 备有限的节点电池能量是目前水声通信网设计面临的主要挑战f 3 i 。 海洋水声信道的传输条件是十分恶劣的，特别是浅海水声信道【1 3 i 。水声通信 主要受传播损失、噪声、多径、多普勒扩散以及长时延的影响，所有这些因素决 定了水声信道的时一空一频变特性，同时使得水声信道的可用带宽非常有限。水 声信道的带宽依赖于系统的覆盖范围和频率，覆盖范围为几千公里的系统带宽只 有几千赫兹，当覆盖范围达到一千公里时，系统带宽甚至小于一千赫兹【7 】。在这 种有限的带宽内，声信号受水声信道时变多途的影响，强环境噪声的干扰，可能 会导致严重的码间干扰( i s i ) 、大的多普勒频移扩展及长的传输时延，这些特性 制约了可靠通信的距离和带宽。水声信道的传播速度比无线信道低5 个数量级， 如果不考虑传播速度的话，通信问大的传播时延( 0 6 7 s k m t 7 】) 会大大降低系统 的通信量。同时，由于水下传感器、航行器等海底设备采用电池做电源，对水声 网络来说，电源的有效性和良好的功率控制也是一个值得考虑的问题。 水声信道的特性和陆上无线信道有着很大的区别，现有无线通信组网中的成 熟技术在设计水声网络时可以借鉴，却不能生搬硬套，要在水下实现高可靠性、 高速率的无线通信网络，必须结合水下无线通信的特点，在各种要求之间，如在 网络时延、网络容量、吞吐量、能耗等之间，寻求最佳折衷。因此，组建成熟的 水下无线通信网水声通信网，面临着一系列的技术挑战，是一项极具艰巨性 的工作。 1 2 3 水声通信网分层结构 水声通信网是一种分层结构 3 , 1 0 , 1 2 i ，与国际标准化组织( i s o ) 计算机网络系 水声通信网中的m c c d m a 技术 统i s o 参考模型基本相似，其前三层分别是物理层、数据链路层和网络层，如图 1 1 所示。 节点a节点b节点c 每层都假设底层是理想状态 图1 1水声通信网分层结构 路径选择 ( 端对端吞吐量，延时) 自动检测重发( a r g ) 媒体控制链接( m a c ) ( 吞吐量，丢包率) 调制检测 ( 比特率误比特率) 物理层为网络的最低层，负责各用户( 节点) 数据的接入、水声信号的检测、 调制和解调，其主要任务是透明地传送二进制的比特流，即在发送端将信息转换 成能在水声信道中传输的信号，在接收端，检测被噪声及其它信道失真污染的信 号，并把信号转换成原始的逻辑信号。由于水声信道是一个极其复杂的时间一空 间一频率变化、强多途、长时延、有限频带和高噪声的信道，因此，由多径衰落、 多普勒频移、码间串扰以及多用户间干扰造成的影响必然使得水声通信网链路上 的容量很低；同时由于水声通信网中的海底设备是采用电池供电，使得电源的有 效性以及网络的功率控制显得特别重要。因此，物理层的设计目标是以相对低的 能量消耗，克服水声信道传输损失，获得较大的网络链路容量以及较高的通信质 量。为了达到这个目标，物理层必须采用的关键技术包括调制解调方式、信道编 码、信道估计、多址接入方式、功率控制等等。 数据链路层的主要任务是保证在两个相邻节点间的链路上以帧为单位无差 错地传送数据，它的功能主要有两个：成帧解帧及差错控制。数据链路层的上一 层是网络层，网络层只对分组进行处理而不询问它们正确与否，它的主要功能是 路由选择，设定下一层如何进行理想的数据传输。 4 第一章绪论 本文主要研究水声网络物理层的固定多址接入方式及其关键技术，数据链路 层和网络层超出了本论文的研究范围，这里不做详细论述。 1 2 4 水声通信网物理层多址接入技术 正如大多数信息网络一样，水声通信网的通信也是猝发式的，即网络中各个 用户在信道发送信息的时间通常比没有发送的时间短，因此，水声网络节点间也 应该以有效的多址接入方式分享有限可用的时间和频谱资源。水声通信网物理层 的多址接入技术就是研究如何将有限的水声通信资源在多个用户节点之间进行 有效的切割与分配，在保证多个用户之间通信质量的同时尽可能地降低系统的复 杂度并获得较高的系统容量。 借鉴现有成熟的无线通信网络中的多址接入技术，水声通信网可以有三种主 要的固定多址接入技术：频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址 ( c d m a ) ，其原理示意图分别如图1 2 中( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。在这里，本文结合 浅海声信道及浅海声网络特性，对这三种方法进行对比，并最终选定码分多址中 的最新技术多载波码分多址( m c c d m a ) 作为本文研究的水声网络物理层 的多址接入技术。 时时间 频 图1 2 三种多址接入技术原理示意图 ( c ) 码分多址 f d m a 把可用频带分成多个子带，然后把各个子带分配给每个用户，使不 同节点用户以不同频率的信道实现多址接入，如图1 2 ( a ) 所示。由于每个信道每 次只能承载一路业务信息，各个用户独占各自的频带，在信道空闲时也不能被其 它用户共享，加上各用户间保护频带的存在，使得f d m a 频谱利用率低，系统 容量较小，在可用频带极其有限的水声通信网中并不合适 3 , 1 2 j 。另一方面，f d m a 信道的带宽可能小于传输信道的相干带宽，因此f d m a 用户容易碰到信道衰落 水声通信网中的m c c d m a 技术 问题，在水声信道中这种严重衰落一方面会对f d m a 系统造成非常困难的环境， 影响接收信号的检测，另一方面，由于不同子信道所在频段面临的声吸收损失不 同，这使不同用户得到的服务质量不同。同时，由于水声信道带宽在系统覆盖范 围固定不变的情况下是固定的，因此，f d m a 方法在水声网络中适应性不强。 当然，相对于t d m a ，f d m a 也有自己的优势，比如，f d m a 系统中的i s i 小， 几乎无需均衡；用于同步控制等的系统开销小：分配了信道的中心节点和用户节 点间可以同时进行连续的通信等，这使得f d m a 技术在水声多频分层网络中进 行层与层之间的通信时可以成为不错的选择。 t d m a 把时间间隔( 称为帧) 分为时隙，一个时隙分配给一个用户，以不 同的时隙实现多用户的多址接入，如图1 2 ( b ) 所示，各个用户仅在所分配的时隙 工作，因此各个用户可以共享频谱资源，频谱利用率高，系统容量较大。在t d m a 中，时隙和开销位组成帧，相邻时隙分组的碰撞利用保护时间来避免，保护时间 与信道的传输时延成正比，因此，t d m a 比f d m a 需要更多的开销位。t d m a 技术具有简单、有效、技术成熟等特点，在传统无线通信中是一种有效的频带利 用方式，在第二代移动通信系统中得到了广泛应用，如g s m 、n a d c 和p a c s a 等，在不少新建的卫星通信系统中也有被采用。和其它多址接入方案相比，除了 简单、技术成熟外，t d m a 在水声通信中的主要优点是：由于数据只在分配给 用户的时间片内瞬时发送，大部分时间内发射机可以停机，可以减少水下环境中 宝贵的能量消耗；由于t d m a 方案中各子节点所用的调制解调器可采用同样的 硬件结构，在每个发射周期罩分配给不同子节点的时间片可根据使用情况进行调 整，这样，可以根据需要提高用户的数据速率f 1 2 j 。因此，现有的一些水声通信网 的研究把t d m a 方案作为研究对象之一【1 5 , j 6 1 。 t d m a 用于水声通信网的主要障碍在于 3 , 1 2 , 1 3 , 1 6 】：需要严格的同步，而浅海水 声信道中的长延时和节点间的时延起伏使得在水声通信网中实现高精确度的定 时十分困难，在集中式拓扑中创建的通用定时基准就是为了发送周期性探测信号 的；然而，水声通信网络中各个节点的位置分布没有一般的规律，导致各个节点 间的距离差异较大，使得周期性探测信号的形成需要足够长的时隙，因而各个节 点间的信号延时差别较大，这种长传输时延将引起长的空闲时问，造成较低的网 络吞吐量；t d m a 方式对窄带噪声的干扰非常敏感，而水声信道恰恰是一个强 6 第一章绪论 噪声的恶劣信道。因此时分多址在水下声通信网络中的使用也受到极大限制。 c d m a 允许多个用户在整个频带内同时工作，不同用户通过不同的扩频序 列实现多址接入，如图1 2 ( c ) 所示。因其抗多途干扰性能好、系统容量高、保 密性强、信道利用率高等特点，c d m a 从一开始就受到了广泛的关注并在无线 通信网、g p s 、商用移动通信网中得到了广泛的应用，在水声通信网研究中码分 多址也同样是一个研究重点和热点 9 , 1 3 , 1 7 , 1 8 , 1 9 】。 根据扩频原理的不同，c d m a 可以有不同的实现方式，如直接序列扩频系 统( d s c d m a ) 、跳频码分多址系统( f h c d m a ) 、跳时码分多址系统 ( f h c d m a ) 、多载波码分多址系统( m c c d m a ) 等等。c d m a 系统的共同 点之一是扩频，即用于传输信息的信号带宽远大于信息本身的带宽；共同特点之 二就是在扩频的实现上，不论通过什么途径扩频，基本上都是用一组优选的扩频 码进行控制，每个用户被分配一个唯一的扩频序列，通过该扩频序列的不同来识 别用户。因此，c d m a 系统对扩频码的要求比较苛刻，通常，扩频码之间必须 具有良好的相关特性，即正交性要好；扩频码必须足够长，以提高扩频增益，提 高干扰容限；扩频码数量必须足够多，以满足系统容量的要求；必须易于实现， 等等。与f d m a 和t d m a 相比，c d m a 具有许多独特的优点，其中一部分是扩 频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等c d m a 系统中的关 键技术所带来的。 c d m a 系统的性能大多受多址接入干扰( m a i ) 的制约，这种干扰是其他 用户信号对所需用户信号干扰产生的，由于扩频信号的传输特点，这可能在时间 和频率上与所需信号重叠。然而，只要认真设计具有优良的相关特性、大的扩频 增益码和采用多用户检测接收机就可克服m 砧。另一方面，在网络环境中数据 是以猝发式的形式传输的，如果在空闲时停止传输，就可提高系统容量，由于每 一个新接入的用户( 每新接入一个用户，则系统容量提高一个用户) 会提高系统 总的m a i ，因而系统性能会下降，然而c d m a 系统的容量却没有严格的限制【3 i 。 c d m a 系统容易受远近效应的影响，因此必须采用功率控制算法来降低每 一个节点用户的输出功率级。在水声通信网络中，为了减少电池损耗，这种输出 功率的控制恰恰是必须的，据相关文献记载，c d m a 系统的功率要求比t d m a 系统的要低1 3 ，1 2 j 。 7 水声通信网中的m c c d m a 技术 c d m a 系统中，采用多用户检测技术的扩频信号可以解决接收机处的碰撞。 一般地，如果系统采用长度为n 的扩频码，则可以解决最多n 个用户的碰撞， 这样，接收节点可以对n 个用户信息做出响应，网络重发的次数大大减少，既 降低了电池损耗，也提高了网络的通信量。这在水下通信网络中也是极为有利的。 总之，文献【3 】指出，c d m a 和扩频信号传输似乎是浅海水声网络很有应用 前景的多址接入技术。 近年来，随着o f d m ( j 下交频分复用) 技术和多载波技术的提出和迅速发 展，人们将o f d m 应用于水声通信的研究也越来越多，可谓炙手可热。随着 c d m a 技术向高速率发展，以及o f d m 技术的强抗干扰性，人们慢慢将目光投 向了o f d m 与c d m a 相结合的技术方案m c c d m a ( 多载波码分多址) 技 术。m c c d m a 技术是从窄带c d m a 技术发展起来的一种宽带技术，它是将 d s c d m a 信号用于复用，并采用o f d m 原理选择波形，将不同用户信号线性 叠加到一个复用的c d m a 信号上。因此，m c c d m a 技术结合了c d m a 和o f d m 的优点，如容量高、抗干扰能力强、保密性好、频谱效率高、抗多径干扰和频率 选择性衰落等。在频域上，它利用了c d m a 的正交扩频码，实现了多个用户同 时使用同一频率资源，即码分多址；在时域上，经过串并转换它将数据调制到各 个子载波上，进行并行的高速传输。这样，一方面满足多个用户对同一频谱资源的 共享，另一方面，通过降低子信道码速，起到了抗码间干扰的作用，改善了系统的 误码性能，使得m c c d m a 这一技术在水声通信网络中呈现出一定的优势 1 3 , 1 7 1 。 1 2 5m g - c d m a 作为水声通信网多址接入技术存在的关键问题 综观目前的参考文献，结合水声通信的特殊背景，m c c d m a 技术应用于 水声通信网要面对的问题有：多载波信号对同步和频偏的敏感；多载波信号的峰 均比问题；理想扩频序列的寻找和折衷选取问题；水声信道的估计问题；接收端 的分集合并技术：多用户干扰的抵消；功率控制问题；信道编码问题，等等。下 面就主要问题加以阐述。 1 2 5 1m g - c d m a 系统的同步问题 m c c d m a 系统对同步误差非常敏感。 系统收发端机同步通常包括时间同步、频率同步、抽样时钟同步等。时间同 8 第一章绪论 步通常也称为帧同步或码元同步，它的任务就是正确判断接收端m c c d m a 码 元的起始点。很显然，如果起始点不能正确估计，即时间上失步，将导致系统性 能下降；频率同步通常也称载波同步，浅海水声信道是典型的多径信道，由多径 和节点间相对移动引起的多普勒频移会使收发频率发生偏移，同时，由于收发端 r f 元件存在不可避免的偏差范围，也会导致m c c d m a 码元间产生频率偏移， 这样，在m c c d m a 接收机端就必须对频率偏移进行正确的估计和补偿；在 m c c d m a 系统中，发送端由i f f t 产生的信号被转换成模拟信号，接收端下变 频r f 信号抽样成数字信号以进一步作数字信号处理，因此，接收机的抽样时间 必须与发送端精确匹配以避免失真，这就是抽样时钟同步，必须精确估计抽样时 间间隔。帧同步和载波频率同步是通信系统中比较关键的问题，尤其对于多载波 系统，往往比单载波系统更加敏感。在多用户情况下，时偏和频偏会引起码元间 干扰( i s i ) 、子载波间干扰( i c i ) 和多用户间干扰( m a i ) ，使得系统性能下降。 因此，系统同步非常重要。在水声通信m c c d m a 系统中，同步方法可以借鉴 o f d m 中已经存在的方法 2 1 - 2 4 】。 1 2 5 2m c - c d m a 系统扩频序列的选取 m c c d m a 是通过不同的扩频序列来区分用户的，通常的做法是用一扩频 序列与信号相乘，从而达到用户多址接入和扩展或压缩频谱的目的。扩频通信的 抗干扰、抗噪声、信息数据保密、多址通信、捕获与跟踪等性能都与扩频码的设 计有关，扩频序列的性能直接决定着扩频通信的质量，因此，在m c - - c d m a 技 术中，对扩频码的研究变得十分重要。 在扩频通信中，对扩频序列一般有如下要求【2 5 1 ： a ) 扩频码必须有尖锐的自相关函数，而互相关函数应接近于零； b ) 有足够长的码周期，以确保抗侦破、抗干扰的要求； c ) 有足够多的独立地址数，以实现码分多址的要求； d ) 工程上易于产生，加工，复制和控制； 其中，对扩频序列相关性的要求是最直接和至为关键的，直接关系到 m c c d m a 系统的容量、抗多址干扰能力等重要通信指标。另一方面，通过设计 和选取不同的扩频序列，m c c d m a 系统的包络特性和峰均比也大不一样 2 6 - 3 0 】， 从而影响系统的总体性能。 9 水声通信网中的m c c d m a 技术 1 2 5 3m c - c d m a 系统的信道估计 水声信道估计是m c c d m a 技术应用于水声通信网中面临的重要问题，浅 海水声信道是一个时一空一频变和强多途、高噪声的恶劣信道，只有信道估计的 精确，才能获得好的接收性能。另一方面，m c c d m a 的时频域转换使得现实 的水声信道估计可以在频域进行。水声信道存在多普勒频移和多径效应，会引起 子载波间正交性的消失，引起载波间干扰、码元间干扰以及多用户干扰。已存的 信道估计方法包括引导码元的l s ( l e a s t s q u a r e ，最小二乘) 估计、m m s e ( m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r , 最小均方误差) 估计，自适应方法和子空间估计等 等。在本论文的第四章，将详细探讨m c c d m a 的水声信道估计问题。 m c c d m a 技术的核心是c d m a 和o f d m ，因此它的信道利用情况与 o f d m 有相似的地方。我们在设计m c c d m a 系统时，应该适当选择子载波数 量和子载波间隔、保护时隙长度等系统参数，使得每一个子载波仅经历平坦衰落。 1 2 5 4m c - c d m a 系统的分集合并技术 在无线通信中，分集合并技术是一种有效的提高信息传输可靠性的手段。 m c c d m a 系统中的分集合并技术实质上是一种单用户检测技术，其作用除了 完成系统信号解扩以外，还要尽可能地合并所有子信道上的有用信号分量，进行 信道均衡。在水声通信网中，m c c d m a 为克服水声信道多径传播，主要手段 就是将同一数据信息同时调制在多个子信道上，这种显式的频率分集可以带来足 以克服频率选择性衰落的分集增益。分集合并技术就是要尽可能多地收集散布在 所有这些子信道上的信号能量，以最大限度地获得频率分集增益。 m c c d m a 系统中，分集合并技术在下行信道( 从基站到移动台的信道，在本 文的水声通信网络中，下行信道是指从中心节点到用户节点的信道，上行信道是指 用户节点到中心节点的信道) 可以得到比较满意的误码率性能，这是因为在下行 信道中，多用户信息由中心节点经过相同的信道到达某一用户节点，该用户节点 再从这些信息中检测出属于自己的部分，也就是说，在下行信道各个用户间是同 步的。 文献 3l 】提出了m c c d m a 系统的几种分集合并方案。传统的分集合并技术 如等增益合并( e g c ) 、最大比合并( m r c ) 可用于m c c d m a 系统中，并可以 获得较好的性能【3 2 l 。一些更复杂的分集合并方法可以更有效地利用信道信息，如 1 0 第一章绪论 正交性恢复合并( o r c ) 、最小均方误差合并( m m s e c ) 、控制均衡( c e ) 、次 最小均方误差合并等 3 3 , 3 4 ，3 5 , 3 6 。不同分集合并技术所能获得的分集增益不同，其实 现复杂度和计算量也很不一样。因此，应该折衷选取m c c d m a 系统的分集合 并技术。 1 2 5 5m c - c d m a 系统多用户检测技术 很多文献论述了m c c d m a 比较适用于下行信道通信 2 0 , 3 2 , 3 3 , 3 5 , 3 7 i ，因为在下 行信道，采用单用户检测技术( 即分集合并技术) 就可以获得良好的系统性能， 而在上行信道，由于各个用户节点信息到达中心节点时经历了不同的传输路径， 每个经过频率选择性衰落的信号都经过了不同的信道传输函数，因此，在上行信 道要获得准确的信道估计比下行信道困难得多，同时，上行信道中各个用户之间的 不同步，使得多用户间的正交性丢失，传统单用户检测不能获得良好的性能。因 此，在上行信道需要采用多用户检测技术( m u d ) 。 扩频通信的基本原理是：利用扩频码的正交性，使得同一信道内通信的用户 间彼此互不干扰，当然这是理想情况下的情形。在实际的通信过程中，由于信号同 步的问题、用户间同步的问题、信号传输过程中的畸变等等原因，扩频波形在接 收端不可能完全正交，导致用户之间必然产生干扰，这就是我们通常所说的多址 干扰( m a i ) 。 传统的单用户检测技术将m a i 和多径干扰等都等效为噪声来处理，是一种 消极的处理方式。而实际上，多址干扰在本质上并不是无用的噪声。多用户检测 技术正是用来克服m a i 的一种信号检测技术。它联合考虑了同时占用某个信道 的所有用户或者某些用户的多址信息，通过一定的算法设计来消除或者减弱其它 用户对期望用户的m a i 影响，从而更好地检测出期望用户的有用信息。 文献 3 8 ，3 9 具体分析了m c c d m a 系统与d