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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FSK12

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-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 编码调制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 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-OFDM68

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-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：MACE10146

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：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 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：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：AUTEC 10176

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-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 分布式的MIMO-OFDM194

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MACE 10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MACE 10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 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：MACE10220

15.7 文献注记221

第16章 中继信道的OFDM222

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：SPACE08244

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