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随着我国经济的高速发展,对海洋空间和海洋资源的开发越来越迫切。水声通信作为目前实现水下中、远程无线信息传输的唯一有效技术手段,在未来海洋工程领域中的战略意义日益凸显。然而,水声信道具有多径扩展长、多普勒效应明显、可用带宽受限、时—空—频变等特性,严重阻碍了水下信息的高效可靠传输。此外,水声通信系统受水下环境限制,能量来源十分受限。本文重点研究了水声通信系统的信道估计、均衡及功率分配技术,并利用湖上试验数据对部分方法进行了性能验证。论文的主要研究成果与创新点如下:1.针对常规时域多通道判决反馈均衡器（McDFE）在长时延水声信道中计算复杂度高的问题,提出了基于子阵列被动时反处理的多通道判决反馈均衡（Sub-PTR-McDFE）方法。Sub-PTR-McDFE方法首先将接收阵列分成多个子阵列,通过对每个子阵列进行被动时反处理来进行信道压缩,降低后续均衡复杂度;然后对多个子阵列的输出信号进行多通道判决反馈均衡,消除被动时反处理后残余的码间干扰,在不损失通信质量的前提下,能有效降低计算复杂度。湖试结果表明:在7.4 km通信距离、8 kbps的通信速率下,采用2个子阵列的Sub-PTR-McDFE方法,其误码率与McDFE方法基本相当,平均误码率为1.6×10-3,但计算量是McDFE方法的1/5。2.为进一步降低Sub-PTR-McDFE方法的误码率,提出了基于子阵列被动时反处理的双向多通道判决反馈均衡（Sub-PTR-BiMcDFE）方法。Sub-PTR-BiMcDFE方法将Sub-PTR-McDFE方法与双向判决反馈均衡技术相结合,利用了前后两个均衡器错误判决相关性低的特性,可进一步降低系统误码率,提高通信质量。湖试结果表明:在7.4km通信距离、8 kbps的通信速率下,采用2个子阵列的Sub-PTR-BiMcDFE方法的误码率显著减小,平均误码率为3.4×10-4,比Sub-PTR-McDFE方法下降了一个数量级,但计算量是McDFE方法的1/2。3.针对单载波频域均衡水声通信系统,提出了基于迭代信道估计的块迭代软判决反馈均衡（ICE-SD-IBDFE）方法。该方法通过对均衡器输出信号进行软判决,将符号软信息反馈,进一步消除码间干扰;同时针对水声信道的时变特性,利用每次均衡结果重新进行信道估计,并对信道估计结果进行加权处理,来消除错误扩展,有效地降低系统误码率。仿真结果表明,该方法在水声信道条件下明显优于已有的频域均衡方法。湖试结果表明:在浅水1.8 km通信距离、4 kbps的通信速率下,与已有的多种水声通信频域均衡处理方法相对比,该均衡方法能够明显降低误码率,提高系统可靠性,单通道无纠错编码的QPSK调制时的误码率可达到10-3。4.针对水声信道的簇稀疏特性,提出了基于马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）方法的联合信道估计与符号检测（JCESD-MCMC）方法。该方法在稀疏贝叶斯学习框架下,首先采用一个修正“spike-and-slab”贝叶斯模型对簇稀疏水声信道建模,无需依赖先验信息;然后,采用MCMC方法进行联合簇稀疏信道估计与符号检测,避免了贝叶斯估计量闭式解的复杂推导,实现了信道估计与符号检测的统一处理;最后,充分利用MCMC方法能与符号先验信息结合的特点,通过MCMC估计器与译码器之间的外信息交互,实现迭代结构的联合稀疏信道估计和符号检测。仿真结果表明:在误码率为10-4情况下,JCESD-MCMC方法所需信噪比较常规的LASSO方法低4 dB,且不需要先验信息,具有良好的鲁棒性。5.针对水下空间调制系统,提出了基于互补码键控（CCK）调制的水声通信空间调制（CCK-SM）方法及相应的基于CCK的块迭代判决反馈均衡（CCK-IBDFE）接收方法。在发射端,CCK-SM利用CCK调制的编码特性,实现空间调制中阵元选择和传输数据之间的编码。在接收端,提出的CCK-IBDFE方法将CCK软解调与块迭代判决反馈均衡器结合起来,实现类似Turbo均衡的迭代接收结构,能够有效地降低系统误码率。仿真结果表明:对于4发4收系统,在误码率为10-5情况下,所提CCK-SM系统所需Eb/N0较常规的空间调制系统低3 dB;对于4发2收系统,常规的空间调制系统已经不能成功解调,而CCK-SM系统在Eb/N0为10 dB时取得10-5的误码率,依然具有良好的性能。6.由于水下系统能量极其受限,为高效利用水下收集的能量,提高通信质量,研究了基于能量收集的水声通信系统功率分配技术,并提出了基于动态规划的功率分配（EH-DPPA）方法。该方法采用一阶马尔科夫过程描述水声信道模型和能量收集过程模型,考虑了水下传感器在数据收集过程中的能量消耗,并分别对信道状态信息反馈有延迟和无延迟的系统进行了研究,通过序列决策的动态规划算法,实现能量的最优分配。在此基础上,为了降低计算复杂度,提出了近视的动态规划功率分配方法（EH-MADPPA）来实现计算复杂度和性能的折中。仿真结果表明,提出的EH-MADPPA方法的数据吞吐率明显优于常用的贪婪方法,EH-MADPPA方法在损失少量吞吐率情形下,能大幅度降低计算复杂度。同时仿真分析了能量收集效率、信道状态和CSI准确度等参数对算法性能的影响。本文研究成果对水声通信系统中的单载波时域和频域均衡技术、稀疏信道估计技术、空间调制技术和功率分配技术的研究具有重要的理论意义和应用价值,对其它无线通信系统的研究也具有借鉴意义。