基于FBMC/OQAM的海上无线通信技术

前    言
传统的海上通信技术手段支持的业务种类少，数据传输率低，能提供的服务也有限。随着经济和海运事业的发展，未来海上无线通信将向着更高的传输速率、更好的业务质量和更高的频谱资源利用等方向发展。海量海上信息数据的采集、传输和处理对海上传输技术提出了更高的要求。
基于滤波器组的多载波偏移正交幅度调制（Filter Bank Multi-Carrier with Offset Quadrature Amplitude Modulation, FBMC/OQAM）技术具有比正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术更高的频谱利用率、更强的抗符号间干扰和更低的带外频谱泄露等优点，已成为新一代移动通信无线传输技术的研究热点。由于海洋具有独特的电磁特征和地理特性，无线电波传播环境与陆地不同，传统陆地通信理论必须针对海上通信环境进行拓展。因此，针对海洋环境的特殊性及未来海上通信的发展特点，本书论述了基于海上信道环境的无线传输技术。本书从分析海上电波的传播特点入手，通过研究海上多径信道的建模方法，针对基于FBMC/OQAM的海上无线传输中的几个关键技术问题进行了探讨。
本书内容分为4个部分共5章。部分（第1、2章）主要是全书相关内容的背景介绍。第1章介绍了海上通信的国内外相关研究现状和FBMC/OQAM技术的演进历史。围绕海上FBMC/OQAM通信系统面临的关键科学问题，引申出本书的相关内容。第2章主要介绍了FBMC/OQAM系统模型并研究了FBMC/OQAM系统中常用的滤波器，仿真分析了它们的性能。同时，对基于循环前缀的OFDM系统和FBMC/OQAM系统进行了仿真对比分析，验证了FBMC/OQAM系统在误码性能和频带利用率等方面更具优势。
第二部分（第3章）主要介绍了海上无线信道建模方法。介绍了基于无线电波在海上环境的传播特点，从路径损耗和多径衰落两方面对海上信道建模的方法展开研究。提出了一种基于国际电信联盟标准修正的海上无线电波路径损耗预测方法，该方法通过对收发天线的高度、传输频率和对流层散射的修正来预测海上无线电波传播时的路径损耗值。通过与实测数据的评估，证明了该方法的有效性。提出了一种基于随机射线的方法来分析海上多径传播特性，该方法通过对小型船队建模，把海上无线信道中的多径传播轨迹看作随机过程的样本，计算分析出海上多径时延和均方根时延扩展这两个重要的信道参数。
第三部分（第4章）针对FBMC/OQAM系统的峰值平均功率比（Peak-to- Average Power Ratio，PAPR）问题，提出了两种适用于海上FBMC/OQAM系统的PAPR抑制方法。一种是基于传统的部分传输序列（Partial Transmit Sequence, PTS）和预留子载波（Tone Reservation，TR）的联合方法，该方法首先对数据块信号进行PTS处理来获得峰值的传输序列，然后再通过TR方法进行限幅和削峰处理，仿真结果表明该方法可以有效地抑制海上FBMC/OQAM信号的PAPR。另一种是考虑数据块重叠的联合优化方法，该方法依据重叠因子把数据块信号分成多个部分，每部分的数据块在考虑前面叠加的数据块的影响下来选取传输序列，然后再通过对各部分数据块进行限幅和削峰处理达到抑制PAPR的效果。理论分析和仿真结果证明了该方法比传统联合算法具有更优的PAPR抑制性能。
第四部分（第5章）在分析、研究信道估计方法的基础上，研究了海上FBMC/OQAM系统的信道估计问题。在分析两种经典的基于导频的FBMC/OQAM系统信道估计方法的基础上，结合导频的干扰近似和干扰消除两方面提出了一种新导频结构的信道估计方法，并在海上多径信道中进行了仿真分析，结果表明，该方法可以获得比传统导频更优的信道估计性能。同时，利用无线信道具有稀疏性这一特点，提出了一种基于压缩感知稀疏自适应的FBMC/OQAM系统信道估计方法，该方法可以准确地估计出海上信道的多径分量，而且相比传统的小二乘法（Least Squares，LS）能显著提高信道估计性能。另外，该方法在不需要信道稀疏性已知的前提下可获得跟现阶段的压缩采样匹配追踪（Compressive Sampling Matching Pursuit，CoSaMP）重构算法相比拟的信道估计性能。后，本书还提出了一种基于子空间的海上FBMC/OQAM系统盲信道估计方法，该方法不需要发送导频序列，而是通过空间上的接收分集技术引入数据冗余进行盲信道估计。仿真结果表明该方法可以有效地估计海上多径信道，并且估计性能优于基于导频的LS方法。
后，本书分析了海上电波传播大尺度衰落特性，研究了海上多径信道建模方法，针对海上FBMC/OQAM系统的PAPR抑制和信道估计两个问题，提出了相应的解决方法和改进算法，为基于FBMC/OQAM的海上无线传输系统的实现提供前期技术支持。
本书是在作者多年从事FBMC/OQAM技术和海洋通信技术研究基础上整理而成的，其出版得到了国家自然科学基金青年基金（61901409）的资助。
由于本人水平有限，书中难免存在疏漏和错误，请读者不吝指正。

                                                       作者
                                                    2019年9月

针对海洋环境的特殊性以及未来海上通信的发展特点，本书开展了基于海上信道环境的无线传输技术研究。全书共5章，主要包括*章 海上无线通信技术概述；第二章 FBMC/OQAM基本原理及仿真分析；第三章 海上无线信道；第四章 海上FBMC/OQAM系统的PAPR抑制研究；第五章 海上FBMC/OQAM系统的信道估计研究等内容。

男，博士，宜春学院物理科学与工程技术学院副教授，主要从事多载波传输关键技术、智能无线通信等方面的研究。在国内外期刊发表学术论文20余篇，其中被SCI、EI收录16篇。在SCI期刊IEEE Access（IF:?3.557）2016年发表的论文已经被IEEE系列国际权威期刊多次引用。获得过2次博士研究生国家奖学金、海南省优秀博士论文奖等奖励。主持了国家自然科学基金青年基金项目、江西省教育厅科技项目，*产学研协同育人项目等，并且作为主要技术骨干参与了国家青年基金项目。

第1章 海上无线通信技术概述 （1） 
1.1 引言 （1） 
1.2 海上无线通信研究现状 （3） 
1.2.1 海上信道研究概况 （3） 
1.2.2 海上无线通信技术研究概况 （5） 
1.3 FBMC/OQAM的演进历史和关键技术 （8） 
1.3.1 FBMC/OQAM的演进历史 （8） 
1.3.2 FBMC/OQAM中的两个关键技术 （11） 
1.4 本书的主要研究内容及章节安排 （16） 
第2章 FBMC/OQAM基本原理及仿真分析 （18） 
2.1 CP-OFDM系统概述 （19） 
2.2 FBMC/OQAM系统 （23） 
2.2.1 FBMC/OQAM系统原理 （23） 
2.2.2 FBMC/OQAM系统的实现 （26） 
2.3 FBMC/OQAM系统中的滤波器及其特性 （29） 
2.3.1 TFL函数与TFL参数 （30） 
2.3.2 EGF滤波器函数 （32） 
2.3.3 IOTA滤波器函数 （36） 
2.4 FBMC/OQAM系统性能分析 （37） 
2.5 本章小结 （39） 
第3章 海上无线信道 （41） 
3.1 无线电波传播介绍 （41） 
3.2 海上无线电波路径损耗分析 （44） 
3.2.1 频率的修正 （45） 
3.2.2 接收天线及天线高度差的修正 （46） 
3.2.3 对流层散射的修正 （48） 
3.2.4 海面路径损耗模型评估 （49） 
3.3 基于随机过程的海上多径信道建模 （56） 
3.3.1 随机射线理论及其概率分布 （56） 
3.3.2 海上无线随机传播的多径统计特性 （61） 
3.3.3 仿真结果及分析 （63） 
3.4 本章小结 （66） 
第4章 海上FBMC/OQAM系统的PAPR抑制研究 （68） 
4.1 FBMC/OQAM信号的PAPR （69） 
4.2 联合PTS和TR方法降低海上FBMC/OQAM系统的PAPR （72） 
4.2.1 传统的PTS和TR方法分析 （72） 
4.2.2 联合方法 （78） 
4.2.3 仿真结果及分析 （79） 
4.3 考虑数据块重叠的联合方法降低海上FBMC/OQAM系统的PAPR （84） 
4.3.1 考虑相邻数据块重叠的联合方法 （84） 
4.3.2 考虑多数据块重叠的联合方法 （87） 
4.3.3 仿真结果及分析 （87） 
4.4 本章小结 （92） 
第5章 海上FBMC/OQAM系统的信道估计研究 （93） 
5.1 系统模型 （94） 
5.2 基于一种新导频结构的信道估计方法 （97） 
5.2.1 干扰近似法（IAM）和干扰消除法（ICM） （97） 
5.2.2 新导频结构 （100） 
5.2.3 仿真结果及分析 （101） 
5.3 基于压缩感知稀疏自适应的信道估计方法 （105） 
5.3.1 FBMC/OQAM的CS信道模型 （106） 
5.3.2 一种改进的稀疏自适应信道估计方法（ARCoSaMP） （107） 
5.3.3 仿真结果及分析 （110） 
5.4 基于子空间的盲信道估计方法 （115） 
5.4.1 盲信道估计方法描述 （116） 
5.4.2 仿真结果及分析 （119） 
5.5 本章小结 （123） 
参考文献 （125）

针对海洋环境的特殊性以及未来海上通信的发展特点，本书开展了基于海上信道环境的无线传输技术研究。全书共5章，主要包括*章 海上无线通信技术概述；第二章 FBMC/OQAM基本原理及仿真分析；第三章 海上无线信道；第四章 海上FBMC/OQAM系统的PAPR抑制研究；第五章 海上FBMC/OQAM系统的信道估计研究等内容。

男，博士，宜春学院物理科学与工程技术学院副教授，主要从事多载波传输关键技术、智能无线通信等方面的研究。在国内外期刊发表学术论文20余篇，其中被SCI、EI收录16篇。在SCI期刊IEEE Access（IF:?3.557）2016年发表的论文已经被IEEE系列国际权威期刊多次引用。获得过2次博士研究生国家奖学金、海南省优秀博士论文奖等奖励。主持了国家自然科学基金青年基金项目、江西省教育厅科技项目，*产学研协同育人项目等，并且作为主要技术骨干参与了国家青年基金项目。