[发明专利]一种移动水声通信的多普勒因子估计及补偿方法

说明书

一种移动水声通信的多普勒因子估计及补偿方法，涉及水声通信。1)大尺度多普勒估计及补偿；2)残余多普勒估计及补偿；3)多普勒相位旋转补偿。为了准确且高效地估计移动水声通信环境下的多普勒因子，从而克服与陆上无线电信道相比更为明显的多普勒效应，消除其对水声OFDM通信系统带来的不良影响，需要一种兼顾准确性和计算复杂度的移动水声通信的多普勒因子估计及补偿方法。在移动水声通信中，尤其应用于移动水声OFDM系统的多普勒因子估计和补偿方法，估计在频域进行，针对水声信道的特点，在传统多普勒估计及补偿的基础之上，更加适用于快速变化的移动水声信道。其估计精度高，同时又适当地降低计算复杂度，实用性优良。

技术领域

本发明涉及水声通信领域，尤其是涉及一种移动水声通信的多普勒因子估计及补偿方法。

背景技术

水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)作为海洋探测和水声通信的重要 载体，已成为各国海洋工程领域的研究热点。UUV具有智能型、隐蔽性、机动性、经济性等 特点，并且重量轻、尺寸小，使用方便，具有广阔的经济和工业价值^[1]。利用UUV进行高速 运动过程中的移动水声通信，已成为涵盖海洋技术与信息技术的世界各国急需的高新技术之 一。

不同于陆地上的无线电通信，声波在水下的传播速度远小于电磁波的传播速度，故与陆 空无线通信比较而言，水声信道中存在更为明显的多普勒效应。由于水声信道的可用带宽窄， 水声通信本质上是一个宽带通信系统，因此，水声信道中的多普勒效应将会引起接收信号在 频域上的频率偏移和频谱扩展，在时域上则表现为接收时域波形的压缩或扩展。对于水下无 人航行器，其运动速度一般为1.5～15m/s,此时的多普勒扩展因子可达10^-3量级，在无线电通 信系统中唯一能够与之相比的是低轨卫星系统过顶时产生的多普勒效应。为了减小多普勒效 应对水声信号接收和处理的不良影响，有必要对接收到的水声信号进行有效的多普勒扩展因 子估计和补偿，从而能够恢复出原始信号波形。

正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)具有良好的抗频 率选择性衰落和高的带宽利用率，可以用于多径效应严重的水下高速声通信。然而，OFDM 水声通信系统的接收性能对符号同步偏差和频率偏差敏感。相较于陆上无线电信道，在水声 通信中，由于通常工作频率较低，且水声声速(约1500m/s)远低于无线电传输速率，当水 下运动目标之间即使存在很小的相对运动，都会引起较大的多普勒扩展，将在OFDM水声通 信系统接收端引起严重的子载波间干扰(Inter-Carrier Interference,ICI)，导致解调器性能恶 化，甚至不能正确解调。因此，OFDM移动水声通信技术的关键就是如何有效地降低多普勒 扩展引起的子载波间干扰。

当前，水声通信中主要采取以下三类方法来降低多普勒扩展引起的子载波间干扰^[2]：

1.均衡的方法。该类方法主要使用时域或频域均衡，通过采用一定的均衡算法来对抗多 普勒扩展，降低子载波间干扰。这类方法对于符号间干扰比较有效，但是对于子载波间干扰， 仅适合小多普勒频移下的高速水声通信或非相干水声通信，对于高速OFDM水声通信，计算 复杂度较高。

2.基于发送端处理的方法。这类方法通过设计发送端数据结构、改变子载波映射方式等 消除子载波间干扰，采用这些方法，通信系统的频带利用率比一般的OFDM要低，除导频及 训练序列外，需要占用额外的带宽。

3.基于估计与补偿的方法。这类方法通过降低多普勒扩展对信号的影响来消除子载波间 干扰，也是目前应用最为广泛的方法。它的思想是：首先估计多普勒因子，然后根据此多普 勒因子对接收信号进行重采样，最后再进行解调。相较于前面两类方法，这类方法效果较好。