基于Chirp载波准正交性的水声多址接入方法研究

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不同于陆上无线网络的信道特性,水声信道是一个强多径干扰、窄带、时变且噪声干扰严重的信道。由于水声信道的独特特性,导致陆上多数成熟的节点多址接入技术在水下信道中不能简单适用,只能作为一种参考和借鉴。基于这个基础上,本文研究了传统多址接入方法、基于chirp率准正交性的多址接入方法及基于chirp率的码分多址接入方法三方面的内容。首先,本文分析、重现了经典的多址方案在水下通信的性能,重点讨论了正交频分多址,码分多址的优劣。针对水声信道特性对单频信号造成干扰的问题,将chirp信号引入,作为载波。chirp信号是一种本身可以抗多径及抗多普勒特性的脉冲压缩信号,因而逐渐广泛应用于水声通信领域。基于此,本文研究了三种基于chirp率准正交性的多址接入方法。首先分析了不同中心频率chirp载波接入,通过选取特定的频率间隔保证chirp载波间保持近似正交状态,进而使多址干扰达到最小。其次,分析单chirp率的多址干扰抑制,验证了在用户数不大的情况下,该多址接入足以满足不同小区用户分离的应用场景。最后,分析组合chirp率的多址干扰抑制,结果表明,不显著牺牲系统误码率的前提下,该方式能够容纳更多的用户。基于以上研究基础,通过借鉴现有无线通信领域热点SCMA多址接入中的思路,提出以PN序列选择用户信息形成正交的码本,再调制至一组准正交的chirp子载波上,实现不同簇间、簇内节点通信的三种码分多址接入方案。首先,介绍了基于多载波chirp的码分多址方案,通过合理设置子载波中心频率和chirp带宽可以消除用户间的干扰,实现更高的传输速率。其次,介绍了基于单chirp率的码分多址接入方案,通过与斜率交叠相结合的多址方式,利用PN间及子载波间的双重正交,实现比传统单频FH-CDMA相比更好的抗多径衰落性能。最后,介绍了基于组合chirp率的码分多址方案,得到比FH-CDMA无论在高斯还是瑞利衰落信道上都更好的抗噪效果。通过Bellhop信道模型、五缘湾海域信道模型下,对比这三种多址接入方案。结果表明在相同通信速率的前提下,基于单chirp率的码分多址方案都得到相对最优最稳定的误码性能。在实现节点高效传输的同时,有效避免用户及信道间的多址干扰,最大化频带利用率。
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