OFDM提高水下长距离电流通信性能的方法研究

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基于感应耦合传输技术的定点观测平台是海洋长期原位实时观测中最重要、最可靠、最稳定的手段,随着海洋生物信息监测技术的发展,对采集数据的传输性能提出了更高的要求,其中,海水信道对电信号传输的影响至关重要。电流在海水中传输具有折射与反射概率低,路径损耗小,传输速度快,电噪声水平低等优点。但海水介质的内源物理特性和水域空间无限大的特性,使水下电流传输产生多径效应和频率选择性衰落等问题,限制了电流信号长距离传输的速率和可靠性。而OFDM技术具有抵抗海水信道的多径和频率选择衰落,提高带宽利用率和信道容量等优点。
  本文从信道建模、算法设计、算法优化以及峰均比抑制四个方面入手,分析了水下长距离电流通信系统的性能。首先对海水电导率的垂直分布特性以及频率特性进行分析。基于电导率特性,应用COMSOL建立不同深度的电信号传输物理模型。仿真结果表明水下长距离电流信号的传输具有多径效应和频率选择性衰落的问题,并根据仿真结果建立了10径传输数学模型。其次,采用OFDM技术克服信号传输存在的多径效应和频率选择性衰落的问题。本文从300m、1000m和2000m三个深度对基于OFDM算法的水下长距离电流通信系统进行了仿真和分析,分别确定了2MHz、1MHz和700kHz的传输带宽。OFDM算法结合信道估计与补偿、基于注水原理的比特分配为系统确定了最佳传输方案,可有效抵抗多径效应和频率选择性衰落,提高系统性能。仿真结果表明,不同深度的误码率均可降低至10-4以下,信道容量与单载波系统相比最大可增加2.57bps/Hz。最后,采用迭代限幅滤波法抑制信号过高的峰均比。从抑制峰均比的效果和对系统可靠性的影响两个方面进行仿真,结果表明限幅率是4dB和迭代4次的迭代限幅滤波法可将峰均比降低至6.6dB以下,并且误码率可维持在10-4的水平。本文研究结果为提高水下长距离电流传输性能提供了理论依据,具有实际研究意义。
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