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内容简介

本书以高速OFDM水声通信技术为主线，内容涉猎广泛，概念原理阐述清楚，逻辑性强。从OFDM水声通信各关键技术的原理阐述到OFDM水声通信接收机的设计方法以及OFDM 水声MODEM的研制；从单用户的MIMO-OFDM到多用户MIMO-OFDM水声通信的设计应用；从OFDM的中继传输到OFDM网络编码以及水声测距与定位。通过学习本书可以加深对OFDM水声通信相关原理及系统设计的理解。 本书可作为水声通信相关专业本科高年级和研究生的教材或参考书，也可供相关专业工程技术人员学习和参考。

作者简介

Shengli Zhou（周胜利）教授，IEEE Fellow。1995年于中国科技大学获得学士学位，2002年于美国明尼苏达州立大学获得博士学位。现任美国康涅狄格州立大学电子计算机工程学院教授，同时担任无线通信研究实验室（WCRL）主任和水下传感器网络实验室（USWN）主任。目前主要研究领域为水声通信和网络、编码理论和应用、传感器网络、无限定位和目标追踪。现任IEEE Journal of Oceanic Engineering 和 IEEE Trans. On Signal Processing的副主编。2007年他获得了美国为科学家和工程学家设立的“总统早期职业奖”，是康涅狄格州立大学位获得该奖的员工。

胡晓毅，厦门大学信息科学与技术学院教授，中国电子学会高级会员。近年来主持或参与多项国家自然科学基金项目，主要研究方向为水声通信网络物理层技术、多载波调制技术、扩频通信。

章节目录

第1章 引言 1

1．1 研究背景 1

1．1．1 水声的早期探索 1

1．1．2 水声通信媒介 1

1．1．3 水下系统和网络 2

1．2 水声(UWA)信道的特点 2

1．2．1 声速 2

1．2．2 传播损失 4

1．2．3 时变多径 6

1．2．4 声传播模型 7

1．2．5 环境噪声和外部干扰 8

1．3 通带信道的输入和输出关系 9

1．3．1 各径自有多普勒扩展的线性时变信道 9

1．3．2 具有共同多普勒扩展的线性时变信道 10

1．3．3 线性时不变信道 11

1．3．4 幅度和时延变化的线性时变信道 11

1．3．5 依频率衰减的线性时变信道 11

1．4 水声通信中的调制技术 12

1．4．1 跳频 FSK 12

1．4．2 直接序列扩展频谱 12

1．4．3 单载波调制 13

1．4．4 扫频(S2C)载波调制 13

1．4．5 多载波调制 14

1．4．6 多输入多输出技术 14

1．4．7 水声通信的近期发展 15

1．5 本书的组织结构 15

第2章 OFDM基本知识 17

2．1 零后缀的OFDM 17

2．1．1 发射信号 17

2．1．2 接收机处理 19

2．2 循环前缀的OFDM 20

2．2．1 发射信号 20

2．2．2 接收机处理 21

2．3 OFDM相关的问题 21

2．3．1 ZP-OFDM与CP-OFDM 21

2．3．2 峰值平均功率比 22

2．3．3 功率谱和带宽 22

2．3．4 子载波分配 22

2．3．5 总的数据速率 23

2．3．6 设计指南 23

2．4 离散傅里叶变换的实现 23

2．5 OFDM的挑战和补救方法 24

2．5．1 分集合并和信道编码的益处 25

2．6 MIMO-OFDM 27

2．7 文献注记 29

第3章 多进制LDPC编码的OFDM 30

3．1 OFDM的信道编码 30

3．1．1 信道编码 30

3．1．2 编码调制 31

3．1．3 编码的OFDM 32

3．2 多进制LDPC码 33

3．2．1 多进制的规则循环码 34

3．2．2 多进制非规则LDPC码 35

3．3 编码 36

3．4 译码 37

3．4．1 初始化 38

3．4．2 变量节点到校验节点更新 39

3．4．3 校验节点到变量节点更新 39

3．4．4 初始判决和译码输出 40

3．5 码设计 41

3．5．1 规则循环码的设计 41

3．5．2 非规则LDPC码的设计 42

3．5．3 准循环的多进制LDPC码 43

3．6 编码的OFDM的仿真结果 45

3．7 文献注记 47

第4章 PAPR控制 48

4．1 PAPR的比较 48

4．2 PAPR的减小 50

4．2．1 限幅 50

4．2．2 选择性映射 51

4．2．3 载波峰值抑制 52

4．3 文献注记 53

第5章 接收机综述和预处理 54

5．1 OFDM接收机综述 54

5．2 接收机预处理 55

5．2．1 接收机的预处理 55

5．2．2 数字实现 56

5．2．3 频域过采样 59

5．3 频域的输入/输出关系 59

5．3．1 单输入单输出信道 59

5．3．2 单输入多输出信道 61

5．3．3 多输入多输出信道 61

5．3．4 信道矩阵结构 62

5．4 OFDM接收机的分类 62

5．4．1 ICI-忽略的接收机 63

5．4．2 ICI-感知的接收机 64

5．4．3 逐块处理 65

5．4．4 块间处理 65

5．4．5 讨论 65

5．5 仿真信道的接收机性能界 65

5．5．1 仿真水声信道 66

5．5．2 时变信道下的ICI影响 66

5．5．3 SISO信道的中断性能 67

5．6 扩展到CP-OFDM 68

5．6．1 接收机预处理 68

5．6．2 频域的输入/输出关系 68

5．7 文献注记 69

第6章 检测，同步和多普勒扩展估计 70

6．1 基于互相关的方法 71

6．1．1 基于互相关的检测 71

6．1．2 基于互相关的同步和多普勒扩展估计 74

6．2 CP-OFDM的检测、同步和多普勒扩展的估计 76

6．2．1 具有自重复的CP-OFDM前导码 76

6．2．2 基于自相关的检测、同步和多普勒扩展估计 77

6．2．3 实现 78

6．3 一个ZP-OFDM块的同步和多普勒扩展估计 79

6．3．1 基于空子载波的盲估计 80

6．3．2 导频辅助的估计 80

6．3．3 基于判决辅助的估计 80

6．4 多普勒扩展估计的仿真结果 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的盲估计方法的比较 83

6．5 实用系统的设计实例 84

6．6 残余多普勒频移估计 85

6．6．1 重采样后的系统模型 85

6．6．2 残余多普勒频移补偿的影响 86

6．6．3 两种残余多普勒频移估计方法 88

6．6．4 仿真结果 88

6．7 文献注记 90

第7章 信道和噪声方差估计 91

7．1 ICI-忽略的信道估计问题描述 91

7．1．1 输入/输出关系 91

7．1．2 基于字典的描述 92

7．2 ICI-忽略的稀疏信道感知 93

7．2．1 字典分辨率与信道稀疏性 94

7．2．2 稀疏因子 95

7．2．3 导频数目与路径数目 95

7．3 ICI-感知的稀疏信道感知 96

7．3．1 问题描述 96

7．3．2 ICI-感知的信道感知 97

7．3．3 导频子载波的分布 98

7．3．4 数据符号的影响 98

7．4 稀疏恢复算法 99

7．4．1 匹配追踪 99

7．4．2 ?1范数最小化 99

7．4．3 通过FFT实现矩阵矢量乘法 101

7．4．4 计算复杂度 102

7．5 扩展到多输入信道 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 噪声方差估计 104

7．7 噪声预白化 105

7．7．1 噪声谱估计 105

7．7．2 频域白化 106

7．8 文献注记 106

第8章 数据检测 107

8．1 ICI-忽略的OFDM系统的逐符号检测 108

8．1．1 单输入单输出信道 108

8．1．2 单输入多输出信道 109

8．2 ICI-感知的OFDM系统中的块数据检测 110

8．2．1 MAP均衡 111

8．2．2 具有先验信息的线性MMSE均衡器 111

8．2．3 扩展到单输入多输出信道 113

8．3 带状ICI的OFDM系统的数据检测 114

8．3．1 BCJR算法及Log-MAP算法实现 114

8．3．2 因子图算法和高斯消息传递 116

8．3．3 相关高斯消息的计算 117

8．3．4 扩展到SIMO信道 118

8．4 MIMO-OFDM的数据检测 118

8．4．1 ICI-忽略的MIMO-OFDM 118

8．4．2 完全ICI的均衡 119

8．4．3 带状ICI均衡 119

8．5 MIMO-OFDM数据检测中的MCMC检测法 120

8．5．1 ICI-忽略的MIMO检测的MCMC检测法 121

8．5．2 带状ICI的 MIMO检测的MCMC检测法 121

8．6 文献注记 122

第9章 逐块处理的OFDM接收机 123

9．1 非迭代ICI-忽略的接收机 124

9．1．1 非迭代ICI-忽略的接收机结构 124

9．1．2 仿真结果：ICI-忽略的接收机 124

9．1．3 实验结果：ICI-忽略的接收机 124

9．2 非迭代ICI-感知的接收机 127

9．2．1 非迭代ICI-感知的接收机结构 127

9．2．2 仿真结果：ICI-感知的接收机 127

9．2．3 实验结果：ICI-感知的接收机 128

9．3 迭代接收机处理 129

9．3．1 迭代的ICI-忽略的接收机 129

9．3．2 迭代的ICI-感知的接收机 129

9．4 ICI-渐进的接收机 130

9．5 仿真结果：ICI-渐进的接收机 131

9．6 实验结果：ICI-渐进的接收机 134

9．6．1 BLER性能 134

9．6．2 环境影响 135

9．6．3 渐进的接收机与迭代的ICI-感知的接收机对比 136

9．7 讨论 136

9．8 文献注记 137

第10章 分簇的信道自适应OFDM接收机 138

10．1 信道时变特性的说明 138

10．2 基于簇的块间信道变化的建模 139

10．3 基于簇自适应的块间接收机 140

10．3．1 簇偏移的估计和补偿 141

10．3．2 基于簇自适应的稀疏信道估计 143

10．3．3 信道再估计和簇的变化更新 145

10．4 实验结果：MACE10 146

10．4．1 总体的重采样后的BLER性能 146

10．4．2 精确重采样后的BLER性能 148

10．5 实验结果：SPACE08 149

10．6 讨论 151

10．7 文献注记 151

第11章 深海水平信道的OFDM通信 152

11．1 深海水平通信的系统模型 153

11．1．1 发射信号 153

11．1．2 成簇多径信道的建模 153

11．1．3 接收信号 154

11．2 基于判决反馈的接收机设计 155

11．3 基于因子图的联合IBI/ICI均衡 156

11．3．1 概率问题的提出 156

11．3．2 基于因子图的均衡 157

11．4 迭代的块间接收机处理 158

11．5 仿真结果 160

11．6 AUTEC环境下的实验结果 162

11．7 扩展到水下广播网络 164

11．7．1 水下广播网络 164

11．7．2 半仿真实验结果：MACE10 165

11．8 文献注记 167

第12章 参数化的外部干扰抵消的OFDM接收机 168

12．1 干扰的参数化 168

12．2 干扰抵消的迭代OFDM接收机 169

12．2．1 初始化 171

12．2．2 干扰检测与估计 171

12．2．3 信道估计、均衡和信道译码 172

12．2．4 噪声方差估计 173

12．3 仿真结果 173

12．3．1 时不变信道 173

12．3．2 时变信道 174

12．3．3 不同SIR下所提出的接收机的性能 175

12．3．4 干扰检测与估计 175

12．4 实验结果：AUTEC10 176

12．5 半仿真结果：SPACE08 178

12．6 讨论 179

12．7 文献注记 179

第13章 集中式的MIMO-OFDM 180

13．1 ICI-忽略的MIMO-OFDM系统模型 181

13．2 ICI-忽略的MIMO-OFDM接收机 181

13．2．1 非迭代的ICI-忽略的MIMO-OFDM接收机 181

13．2．2 迭代的ICI-忽略的MIMO-OFDM接收机 181

13．3 仿真结果：ICI-忽略的MIMO-OFDM 183

13．4 SPACE08实验结果：ICI-忽略的MIMO-OFDM 184

13．5 ICI-感知的MIMO-OFDM系统模型 185

13．6 ICI-渐进的MIMO-OFDM接收机 186

13．6．1 接收机概述 186

13．6．2 稀疏信道估计与噪声方差估计 187

13．6．3 联合ICI/CCI 均衡器 188

13．7 仿真结果：ICI-渐进的MIMO-OFDM 188

13．8 SPACE08实验：ICI-渐进的MIMO-OFDM 189

13．9 MACE10实验：ICI-渐进的MIMO-OFDM 191

13．9．1 两个发射机的BLER性能 191

13．9．2 有三个和四个发射机的BLER性能 192

13．10 ICI-渐进的MIMO-OFDM的初始化 192

13．11 文献注记 192

第14章 分布式的MIMO-OFDM 194

14．1 系统模型 195

14．2 多个重采样的前端处理 195

14．3 基于多用户检测的迭代接收机 196

14．3．1 频域过采样的预处理 197

14．3．2 联合信道估计 198

14．3．3 多用户数据检测和信道译码 198

14．4 基于单用户检测(SUD)的迭代接收机 199

14．4．1 单用户译码 199

14．4．2 MUI的建立 200

14．5 用MACE10数据仿真两个用户系统 201

14．5．1 有/无频域过采样的MUD接收机 201

14．5．2 SUD接收机和MUD接收机的性能 202

14．6 用MACE10和SPACE08数据仿真MIMO-OFDM 205

14．6．1 一个移动单发射机用户加上一个静止的两发射机用户 205

14．6．2 一个移动的单发射机用户加上一个静止的三发射机用户 205

14．6．3 两个移动单发射机用户加上一个静止的两发射机用户 206

14．7 文献注记 206

第15章 异步多用户OFDM 207

15．1 异步多用户OFDM的系统模型 208

15．2 重叠截断和干扰聚合 209

15．2．1 重叠截断 209

15．2．2 干扰聚合 210

15．3 异步多用户OFDM接收机 210

15．3．1 整体的接收机结构 210

15．3．2 块间干扰的相减 211

15．3．3 时域到频域转换 212

15．3．4 迭代的多用户接收和残余干扰抵消 213

15．3．5 干扰重建 214

15．4 实验网络中的多用户异步研究 214

15．5 仿真结果 216

15．5．1 时变信道下的两个用户系统 217

15．5．2 时不变信道下的多用户系统 218

15．6 半仿真结果：MACE10 220

15．7 文献注记 221

第16章 中继信道的OFDM 222

16．1 单中继网络中的动态编码协作 222

16．1．1 中继操作 223

16．1．2 目的节点的接收机处理 224

16．1．3 讨论 225

16．2 基于可变速率的信道编码的设计举例 225

16．2．1 码设计 225

16．2．2 仿真结果 226

16．3 基于分层删除和纠错编码的设计举例 228

16．3．1 码设计 228

16．3．2 实现 228

16．3．3 游泳池实验 229

16．3．4 海洋实验 230

16．4 线路网络上的动态块循环 233

16．4．1 逐跳中继和Turbo中继 233

16．4．2 动态块循环传输 234

16．4．3 讨论 235

16．5 文献注记 235

第17章 OFDM调制的物理层网络编码 236

17．1 OFDM调制的PLNC系统模型 237

17．2 三种迭代的OFDM接收机 238

17．2．1 检测和译码分别迭代 238

17．2．2 迭代的异或PLNC检测和译码 239

17．2．3 迭代的通用PLNC检测和译码 240

17．3 时不变信道下的中断概率界 241

17．4 仿真结果 241

17．4．1 单径时不变信道 242

17．4．2 多径时不变信道 242

17．4．3 多径时变信道 243

17．5 实验结果：SPACE08 244

17．6 文献注记 246

第18章 OFDM调制解调器的研制 247

18．1 声调制解调器的部件 247

18．2 空气中的OFDM声调制解调器 248

18．3 实验室用OFDM调制解调器 248

18．4 AquaSeNT OFDM调制解调器 249

18．5 文献注记 250

第19章 水下测距与定位 251

19．1 测距 251

19．1．1 单程信号 251

19．1．2 双程信号 252

19．1．3 高精度测距的挑战 252

19．2 水下GPS 252

19．2．1 系统概述 252

19．2．2 单程传播时间估计 253

19．2．3 定位 254

19．2．4 跟踪算法 255

19．2．5 仿真结果 259

19．2．6 湖中外场实验 261

19．3 请求式异步定位 261

19．3．1 定位步骤 262

19．3．2 发起者的定位算法 263

19．3．3 被动节点的定位算法 264

19．3．4 湖中实验的定位性能结果 265

19．4 文献注记 267

附录A 压缩感知 268

附录B 实验描述 273

参考文献 277

OFDM水声通信是2018年由电子工业出版社出版,作者周胜利。

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