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的研製；从单用户的MIMO-OFDM到多用户MIMO-OFDM水声通信的设计套用；从OFDM的中继传输到OFDM网路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。

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 水下系统和网路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係9

1.3.1 各逕自有都卜勒扩展的线性时变信道9

1.3.2 具有共同都卜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 水声通信中的调製技术12

1.4.1 跳频 FSK12

1.4.2 直接序列扩展频谱12

1.4.3 单载波调製13

1.4.4 扫频(S2C)载波调製13

1.4.5 多载波调製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OFDM17

2.1.1 发射信号17

2.1.2 接收机处理19

2.2 循环前缀的OFDM20

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-OFDM21

2.3.2 峰值平均功率比22

2.3.3 功率谱和频宽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 离散傅立叶变换的实现23

2.5 OFDM的挑战和补救方法24

2.5.1 分集合併和信道编码的益处25

2.6 MIMO-OFDM27

2.7 文献注记29

第3章 多进制LDPC编码的OFDM30

3.1 OFDM的信道编码30

3.1.1 信道编码30

3.1.2 编码调製31

3.1.3 编码的OFDM32

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 解码37

3.4.1 初始化38

3.4.2 变数节点到校验节点更新39

3.4.3 校验节点到变数节点更新39

3.4.4 初始判决和解码输出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 準循环的多进制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 频域过採样59

5.3 频域的输入/输出关係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-OFDM68

5.6.1 接收机预处理68

5.6.2 频域的输入/输出关係68

5.7 文献注记69

第6章 检测，同步和都卜勒扩展估计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都卜勒扩展估计74

6.2 CP-OFDM的检测、同步和都卜勒扩展的估计76

6.2.1 具有自重複的CP-OFDM前导码76

6.2.2 基于自相关的检测、同步和都卜勒扩展估计77

6.2.3 实现78

6.3 一个ZP-OFDM块的同步和都卜勒扩展估计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 都卜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 残余都卜勒频移估计85

6.6.1 重採样后的系统模型85

6.6.2 残余都卜勒频移补偿的影响86

6.6.3 两种残余都卜勒频移估计方法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/输出关係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 字典解析度与信道稀疏性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 匹配追蹤99

7.4.2 ?1範数最小化99

7.4.3 通过FFT实现矩阵矢量乘法101

7.4.4 计算複杂度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 因子图算法和高斯讯息传递116

8.3.3 相关高斯讯息的计算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-OFDM118

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 非叠代ICI-忽略的接收机124

9.1.1 非叠代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 非叠代ICI-感知的接收机127

9.2.1 非叠代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 叠代接收机处理129

9.3.1 叠代的ICI-忽略的接收机129

9.3.2 叠代的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 渐进的接收机与叠代的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：MACE10146

10.4.1 总体的重採样后的BLER性能146

10.4.2 精确重採样后的BLER性能148

10.5 实验结果：SPACE08149

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 机率问题的提出156

11.3.2 基于因子图的均衡157

11.4 叠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 扩展到水下广播网路164

11.7.1 水下广播网路164

11.7.2 半仿真实验结果：MACE10165

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 干扰抵消的叠代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、均衡和信道解码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：AUTEC10176

12.5 半仿真结果：SPACE08178

12.6 讨论179

12.7 文献注记179

第13章 集中式的MIMO-OFDM180

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 非叠代的ICI-忽略的MIMO-OFDM接收机181

13.2.2 叠代的ICI-忽略的MIMO-OFDM接收机181

13.3 仿真结果：ICI-忽略的MIMO-OFDM183

13.4 SPACE08实验结果：ICI-忽略的MIMO-OFDM184

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-OFDM188

13.8 SPACE08实验：ICI-渐进的MIMO-OFDM189

13.9 MACE10实验：ICI-渐进的MIMO-OFDM191

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 分散式的MIMO-OFDM194

14.1 系统模型195

14.2 多个重採样的前端处理195

14.3 基于多用户检测的叠代接收机196

14.3.1 频域过採样的预处理197

14.3.2 联合信道估计198

14.3.3 多用户数据检测和信道解码198

14.4 基于单用户检测(SUD)的叠代接收机199

14.4.1 单用户解码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/无频域过採样的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-OFDM205

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OFDM207

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 叠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 实验网路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：MACE10220

15.7 文献注记221

第16章 中继信道的OFDM222

16.1 单中继网路中的动态编码协作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 线路网路上的动态块循环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调製的物理层网路编码236

17.1 OFDM调製的PLNC系统模型237

17.2 三种叠代的OFDM接收机238

17.2.1 检测和解码分别叠代238

17.2.2 叠代的异或PLNC检测和解码239

17.2.3 叠代的通用PLNC检测和解码240

17.3 时不变信道下的中断机率界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：SPACE08244

17.6 文献注记246

第18章 OFDM数据机的研製247

18.1 声数据机的部件247

18.2 空气中的OFDM声数据机248

18.3 实验室用OFDM数据机248

18.4 AquaSeNT OFDM数据机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GPS252
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 跟蹤算法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