带内全双工水声通信系统理论与技术

前言近年来，水声通信技术已经被广泛应用于海洋环境观测等方面，但可预见，在未来发展趋势下，以半双工体制为主的水声通信网络，将会无法满足日益增长的水下信息交互需求。带内全双工水声(inband fullduplex underwater acoustic, IBFDUWA)通信技术可以在相同的通频带内，同时发射和接收通信信号，理论上可将现有的频谱效率提高一倍，在水声信道可用频谱资源严重受限、水下信息交互需求激增的背景下具有极高的研究意义与应用价值。因此，IBFDUWA通信技术已逐渐成为目前水声通信领域的研究热点之一。带内全双工水声通信系统需要在强自干扰信号下，实现对弱期望信号的正确解调，因此，如何对这种强自干扰进行抑制和抵消，是IBFD通信实现过程中需要解决的*关键问题。目前，此部分的研究主要集中在无线电通信领域，IBFDUWA通信技术尚处于初始研究阶段，但已有部分学者对无线通信研究结果在水声通信中的适用性展开了研究并取得了一定成果。该部分成果主要集中于数字域自干扰抵消与模拟域自干扰抵消方面，尚未构成完善的理论体系且停留于理论仿真及各域性能的独立实验验证。本书内容基于作者多年来在全双工水声通信领域的研究成果与工作积累，针对IBFDUWA通信机在实际应用条件下自干扰信号成分及信道结构研究不清晰、模拟干扰抵消性能受硬件设备参数影响、时变自干扰传播信道条件下的信道估计与数字域自干扰抵消性能受限的问题展开了深入讨论。以无线电全双工通信技术为基础，构建了适用于IBFDUWA通信系统的干扰信道估计与抵消理论研究框架，并基于此架构进行了初步的探索性研究，具体包括传播域自干扰信道建模技术、数字辅助模拟域自干扰抵消技术、时变信道下数字域自干扰信道估计与自干扰抵消技术，为实现带内全双工水声通信提供了理论依据与技术支持。全书共7章：第1章针对水声通信技术、水声通信机及带内全双工通信技术进行了研究现状概述，并对整体研究趋势进行了分析；第2章以新的角度对传播域自干扰信号成分及传播信道进行了分析、建模，并结合外场实验对模型进行了验证；第3章介绍了带内全双工水声通信系统模拟域自干扰抵消基本方案性能分析及各类影响因素分析；第4章介绍了多种数字辅助模拟域自干扰抵消方案，对第3章所述影响因素对自干扰抵消方案的影响进行了仿真与分析；第5章对时变自干扰传播信道特性进行了讨论与分析，并从信道跟踪角度分析了所述方案性能；第6章对变遗忘因子自适应滤波器在带内全双工水声通信系统数字域自干扰抵消过程中的效果进行了分析，并通过误码率证实了在带内全双工水声通信系统中模拟域与数字域间自干扰抵消量也存在矛盾性；第7章结合上述章节对目前实现带内全双工水声通信系统面临的难点问题进行了总结，给出了带内全双工水声通信技术研究框架，并对研究过程中产生的新思路及遇到的新问题进行了论述，*后对未来研究方向进行了展望。由于作者水平有限，且带内全双工水声通信技术研究尚处于初步发展阶段，书中难免有错误之处，恳请读者批评指正。

本书针对IBFD-UWA通信机在实际应用条件下自干扰信号成分及信道结构研究不清晰、模拟干扰抵消性能受硬件设备参数影响、时变自干扰传播信道条件下的信道估计与数字干扰抵消性能受限的问题展开了研究。以无线电全双工通信技术为基础，构建了适用于IBFD-UWA通信系统的干扰信道估计与抵消理论研究框架，并基于此架构进行了初步的探索性研究，具体包括传播域自干扰信道建模技术、数字辅助模拟域干扰抵消技术、时变信道下的数字自干扰信道估计与干扰抵消技术，为实现带内全双工水声通信提供了理论依据与技术支持。

哈尔滨工程大学水声工程学院博士毕业生，现就职于中国船舶集团有限公司，第七一〇研究所，从事水声通信技术研究方面工作，具体涉及：带内全双工水声通信、移动稳健水声通信、水声通信机设计与开发。

第1章绪论/1

1.1水声通信技术研究现状简述/2

1.2水声通信调制解调器及其网络化应用/6

1.3全双工通信技术优势与研究现状分析/12

1.4带内全双工通信系统自干扰抵消与抑制关键技术分述/16

1.4.1传播域自干扰信道建模技术研究现状/17

1.4.2模拟域自干扰抵消技术研究现状/18

1.4.3数字域自干扰抑制技术研究现状/20

1.4.4空间域自干扰抑制技术研究现状/22

1.5带内全双工通信系统整体研究趋势分析/23

1.6本书主要内容和结构/26

参考文献/28

第2章传播域自干扰信道建模与特性分析/41

2.1自干扰信号传播过程分析/41

2.2带内全双工水声通信环路自干扰信道建模/42

2.2.1带内全双工通信节点简化模型/42

2.2.2简化模型仿真误差控制与参数配置/44

2.3带内全双工水声通信多径自干扰信道建模/47

2.3.1多径自干扰信道基本模型/47

2.3.2时变多径自干扰信道建模/51

2.4传播域自干扰信道仿真结果分析/53

2.4.1环路自干扰信号传播过程与构成分析/53

2.4.2环路自干扰信道特性分析/55

2.4.3静态多径自干扰信道仿真与特性分析/58

2.4.4时变多径自干扰信道仿真/60

2.5外场验证实验结果分析/62

2.5.1实测环路自干扰信号特性分析/63

2.5.2实测环路自干扰信道特性分析/65

2.5.3实测多径自干扰信道特性分析/67

2.5.4IBFDUWA通信节点设计策略/67

2.6设计策略/69

2.7内容与结论/69

2.8内容凝练/70

参考文献/70

第3章模拟域自干扰抵消方案及影响因素分析/72

3.1模拟域自干扰抵消基本方案性能分析/72

3.1.1自干扰抵消需求分析/73

3.1.2模数转换位数对模拟域自干扰抵消需求影响分析/75

3.1.3常规模拟域自干扰抵消方案性能理论分析/78

3.1.4常规模拟域自干扰抵消方案性能仿真分析/80

3.2自干扰非线性分量特征及预失真补偿技术/83

3.2.1功率放大器非线性失真特性分析/83

3.2.2基于MP模型的非线性失真影响分析/86

3.2.3功放输出重构与数字预失真补偿技术/87

3.3主要内容与结论/95

3.4内容凝练/95

参考文献/95

第4章基于输出重构的数字辅助模拟域自干扰抵消技术/98

4.1数字辅助模拟域自干扰抵消技术分类/98

4.2基于PADAASIC的系统结构与基本原理/99

4.3基于MPDAASIC的系统结构与基本原理/101

4.4基于DPDMP/ PADAASIC的系统结构与基本原理/103

4.5DAASIC方法仿真性能分析/105

4.5.1自干扰抵消性能理论仿真与分析/105

4.5.2PADAASIC仿真结果与性能分析/105

4.5.3MPDAASIC仿真结果与性能分析/107

4.5.4DPDMP/PADAASIC仿真结果与性能分析/110

4.6实测硬件参数下的方案性能分析/112

4.6.1硬件参数测量实验与电路仿真参数设置/112

4.6.2电路仿真结果与性能分析/113

4.7主要内容与结论/121

4.8内容凝练/121

参考文献/121

第5章时变信道下数字域自干扰抵消关键技术研究/123

5.1时变自干扰传播信道特征分析/124

5.1.1时变自干扰传播信道系统函数分析/124

5.1.2时变自干扰传播信道局部稳定性/127

5.2时变自干扰传播信道估计与自干扰抵消技术/130

5.2.1Kalman滤波器基本原理/131

5.2.2分簇路径特征变化驱动的信道结构跟踪技术/133

5.3算法仿真及性能分析/137

5.3.1仿真场景与参数设置/137

5.3.2仿真数据处理结果与性能分析/138

5.4主要内容与结论/141

5.5内容凝练/142

参考文献/142

第6章基于变遗忘因子RLS滤波器的数字域自干扰抵消技术/144

6.1自干扰传播信道估计性能分析 /144

6.1.1基于RLS滤波器的信道估计性能分析/145

6.1.2时变自干扰传播信道下RLS稳态性能分析/147

6.2变遗忘因子RLS滤波器/149

6.3算法仿真及性能分析/151

6.3.1仿真场景与参数设置/151

6.3.2仿真数据处理结果与性能分析/152

6.4主要内容与结论/160

6.5内容凝练/161

参考文献/161

第7章带内全双工水声通信技术研究新思路与展望/162

7.1难点分析与总结/164

7.1.1空间域自干扰抑制难点分析/165

7.1.2传播域自干扰信道估计难点分析/165

7.1.3模拟域自干扰抵消难点分析/167

7.1.4数字域自干扰抵消难点分析/169

7.2带内全双工水声通信技术研究新思路/170

7.2.1自干扰成分及信道认知与强度抑制新思路/170

7.2.2基于先验干扰信道信息的干扰抵消新思路/193

7.2.3模拟域自干扰抵消过程中发现的新问题/198

7.2.4带内全双工水声通信体制、帧结构设计思路与建议/199

7.3未来研究方向与预期应用场景/200

参考文献/201

附录英文缩写词、简写对照表(中英)/203 

本书针对IBFD-UWA通信机在实际应用条件下自干扰信号成分及信道结构研究不清晰、模拟干扰抵消性能受硬件设备参数影响、时变自干扰传播信道条件下的信道估计与数字干扰抵消性能受限的问题展开了研究。以无线电全双工通信技术为基础，构建了适用于IBFD-UWA通信系统的干扰信道估计与抵消理论研究框架，并基于此架构进行了初步的探索性研究，具体包括传播域自干扰信道建模技术、数字辅助模拟域干扰抵消技术、时变信道下的数字自干扰信道估计与干扰抵消技术，为实现带内全双工水声通信提供了理论依据与技术支持。

哈尔滨工程大学水声工程学院博士毕业生，现就职于中国船舶集团有限公司，第七一〇研究所，从事水声通信技术研究方面工作，具体涉及：带内全双工水声通信、移动稳健水声通信、水声通信机设计与开发。

序

海洋信息系统建设是推进我国海洋强国战略的重要一环。随着我国海洋强国战略的深入实施，对我国海洋信息技术特别是水下信息传输技术的发展提出了新的要求。与此相关的水下平台集群协同概念的提出，也同样要求进一步提高水下信息传输能力。因此，水下信息传输技术成为我国海洋信息科学领域科研人员研究热点。水声通信作为目前已知的一种可靠远程水下无线信息传输技术，因可以为各类水下信息传输需求提供解决方案，逐渐获得越来越多的关注、研究与应用探索。而目前，各类应用对水声通信技术的需求已从低速率、单一化信息传输业务发展为高速率、多样化的业务。可预见的是，以半双工体制为主的水声通信网络性能将无法满足日益增长的水下信息传输需求。带内全双工水声通信技术可实现同时发射和接收相同频带内的通信信号，理论上其频率利用效率可达到传统半双工水声通信的两倍，在水声信道可用频谱资源严重受限的背景下具有重要的研究意义与应用价值。带内全双工水声通信技术在实现过程中面临的主要挑战即是对本地自干扰信号的抵消，这是一份难度极高的工作。本书建立在作者多年来针对频分全双工水声通信、带内全双工水声通信技术研究及工程实践的基础上，利用自研带内全双工水声通信工程样机，进行了深入探索、研究与实践。针对研究过程中所遇的技术问题提出了相应的解决方案与思路，并给出了系列重要结论与相关技术在工程应用中的建议。因此，本书在国内首次全面、系统地构建适用于带内全双工水声通信系统的自干扰信道估计与抵消理论研究框架，理论与实践并重，将为推动带内全双工水声通信技术后续研究及通信机的多样化应用起到积极的作用。希望本书的出版能够为我国海洋信息科学技术，特别是带内全双工水声通信技术的发展、创新与突破提供一些思路与帮助。也希望可以得到广大读者的批评与建议，为海洋信息技术领域的发展做出自己的贡献！