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內容簡介： 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的研制；从单用户的MIMO-OFDM到多用户MIMO-OFDM水声通信的设计应用；从OFDM的中继传输到OFDM网络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。 關於作者： Shengli Zhou（周胜利）教授，IEEE Fellow。1995年于中国科技大学获得学士学位，2002年于美国明尼苏达州立大学获得博士学位。现任美国康涅狄格州立大学电子计算机工程学院教授，同时担任无线通信研究实验室（WCRL）主任和水下传感器网络实验室（USWN）主任。目前主要研究领域为水声通信和网络、编码理论和应用、传感器网络、无限定位和目标追踪。现任IEEE Journal of Oceanic Engineering 和 IEEE Trans. On Signal Processing的副主编。2007年他获得了美国为科学家和工程学家设立的总统早期职业奖，是康涅狄格州立大学第一位获得该奖的员工。 胡晓毅，厦门大学信息科学与技术学院教授，中国电子学会高级会员。近年来主持或参与多项国家自然科学基金项目，主要研究方向为水声通信网络物理层技术、多载波调制技术、扩频通信。 目錄： 目录 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 2.3OFDM相关的问题21 2.3.1ZP-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 2.5OFDM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 2.6MIMO-OFDM27 2.7文献注记29 第3章多进制LDPC编码的OFDM30 3.1OFDM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 4.1PAPR的比较48 4.2PAPR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 5.1OFDM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 5.4OFDM接收机的分类62 5.4.1ICI-忽略的接收机63 5.4.2ICI-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 5.5.3SISO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 6.2CP-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 6.4.1CP-OFDM的RMSE性能81 6.4.2ZP-OFDM的RMSE性能82 6.4.3CP-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 7.1ICI-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 7.2ICI-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 7.3ICI-感知的稀疏信道感知96 7.3.1问题描述96 7.3.2ICI-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 7.5.1ICI-忽略的稀疏信道感知102 7.5.2ICI-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 8.1ICI-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 8.2ICI-感知的OFDM系统中的块数据检测110 8.2.1MAP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 8.3.1BCJR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 8.4MIMO-OFDM的数据检测118 8.4.1ICI-忽略的MIMO-OFDM118 8.4.2完全ICI的均衡119 8.4.3带状ICI均衡119 8.5MIMO-OFDM数据检测中的MCMC检测法120 8.5.1ICI-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 9.4ICI-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 9.6.1BLER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IBIICI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 11.6AUTEC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：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 13.1ICI-忽略的MIMO-OFDM系统模型181 13.2ICI-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 13.4SPACE08实验结果：ICI-忽略的MIMO-OFDM184 13.5ICI-感知的MIMO-OFDM系统模型185 13.6ICI-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ICICCI 均衡器188 13.7仿真结果：ICI-渐进的MIMO-OFDM188 13.8SPACE08实验：ICI-渐进的MIMO-OFDM189 13.9MACE10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 13.10ICI-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 內容試閱： 译 者 序 水声信道是时变、频变、空变的随机多径信道，水声信道具有窄带宽和高噪声的特性。水声信道被公认为是最困难的无线信道。2001年，美国EDN杂志执行总编辑Bill Schweber曾经在文中表示：如果你认为在无线链路实现速率为数兆比特秒的数据通信难度很大的话，那你试试在多变不利的水声信道中实现2400 bs的传输，许多陆上通信的设计方法在水中是无效的。这足见水声信道的复杂性和水声通信设计的困难性。因此，实现在低信噪比下的高可靠、高速率的水声通信是水声科研工作者追求的长期目标。 从1945年的第一部真正意义上的水声通信系统美国海军的水下电话开始，随着半导体集成技术的发展，水声通信也经历了从模拟通信到数字通信的变化历程。在通信体制上，水声通信从最早的抑制载波的单边带幅度调制体制开始，首先经历了跳频扩频、直接序列扩频、多频移频键控以及Chirp调制等低速率的通信体制。Milica Stojanovic提出的二阶锁相环信道跟踪与自适应反馈均衡技术相结合的单载波通信体制，是水声通信从低速率发展到高速率水声通信的一个里程碑。在此以后，伴随着陆上无线通信技术的发展，针对高速水声通信的相关研究越来越成为水声通信研究工作者追求的目标。目前，高速水声通信的研究主要在以下三个方面：a对单载波体制下的时间反转技术、频域均衡等技术的研究；b对多载波调制下的相关接收处理技术的研究；c在多输入多输出技术架构下，对包括分别与单载波调制和多载波调制相结合的相关接收处理算法的研究。 正交频分复用OFDM技术是一种多载波调制的传输技术，它具有天然的高速率和抗多径干扰的优势，是中近程高速水声通信的主流方案之一。因此，关于OFDM水声通信各种处理算法的研究论文也越来越多。但遗憾的是，很少有系统性介绍水声通信系统设计的书籍，而OFDM高速水声通信系统设计方面的论著在此之前更是没有。 非常有幸，我于2013年以访问学者的身份，来到了美丽的美国康涅狄格大学UCONN水下传感器网络UWSN实验室，跟随周胜利教授进行访问学习。也因此有机会较早地接触到此书的原稿。通过阅读学习原稿，发现周老师拟出版的这本书不仅概念清晰，思路清楚，而且从水声信道开始全面地阐述了水声通信系统的设计方法和水声通信系统的性能评估和分析方法。它是我看到的第一本全面系统阐述水声通信的优秀著作。书中许多巧妙的思路方法都充满着作者对OFDM水声通信的深入研究。某天，与当时在实验室的徐晓卡研究教授和访学博士张育芝聊天谈及此书时，发现我们对此书的理解有许多共鸣之处，都认为特别有必要将此书翻译成中文，方便国内的研究工作者们学习借鉴。尤其是对本科高年级同学和研究生同学，本书更具有参考研究价值。期望此书能对国内水声通信研究工作的普及发展起到一点推动作用。非常遗憾，由于其他两位实验室同事研究工作繁忙，无缘一起完成翻译工作，我在此衷心地感谢他们为促成此事的相互启发性讨论。在此一并感谢本书作者对中文译稿的定稿所做的审校工作。 本书的翻译工作由胡晓毅和任欢完成。其中，任欢完成第8章至第11章的翻译工作。其余章节由胡晓毅完成，并由胡晓毅对全书进行了统稿校对工作。在此书出版的整个过程中，由于某些环节和因素的影响，导致出版周期较长，让我也深深感到这个比较小众的水声通信领域的发展不易，也衷心希望有更多更好的水声通信相关的书籍问世。 由于译者的水平有限，难免有错误和不当之处，欢迎读者对译文提出批评指正。 译 者 2018年１月于厦门大学 前 言 水声信道具有诸如时间变化大、传播路径丰富以及自然的宽带等独特性质，水声信道被认为与无线信道有着很大的不同。虽然有非常多数字和无线通信的教材，但许多教材中都根据无线射频信道进行裁剪，采用简化的信道模型以便于表述。按照教材中标准接收机的设计方法，实践者经常会受挫于真实的水声环境中的接收机性能。本书特别以正交频分复用OFDM的多载波调制技术，致力于呈现并解决水声UWA通信的挑战。 过去的十年，我们见证了OFDM对高数据率无线电通信的巨大影响和变革。它在许多无线通信标准中更是担当主力的角色。例如，Wi-FiIEEE 802.11 agn，WiMAXIEEE 802.16，数字音频和视频DABDVB，以及第四代蜂窝通信系统。最流行的OFDM起源于它可将时域中的长多径信道转变为频域中的多个并行的单抽头信道，这样就大大简化了接收机的设计。这个特性使得OFDM对水声信道来说，是一个非常有吸引力的选择。然而，虽然从20世纪90年代起，OFDM已经在水声环境中进行了测试试验，但截止到21世纪前10年中期，水声OFDM的可行性尚未用实验数据加以证实。从21世纪前10年后期开始，在水声这个研究群体的努力下，OFDM技术的研究才得到了长足的进步。 本书致力于水声信道中的OFDM技术，不同的章节重点应对不同的挑战。希望读者具有一定的信号处理和通信的背景知识。对于水声研究群体的读者，本书可以加深对特定的水声系统设计方面的理解。对于水声研究群体外的读者，本书则可以帮助他们了解并欣赏不同领域系统设计的区别。 本书的技术内容主要源于美国康涅狄格大学UCONN水下传感器网络UWSN实验室的研究，该研究实验室由崔军红博士和本书的第一作者周胜利共同指导管理。对本书的内容有贡献的实验室过去和现在的人员包括：博士后研究人员Drs. Jie Huang黄杰，Hao Zhou周浩和Xiaoka Xu徐晓卡；毕业的博士生Drs. Baosheng Li李宝升，Christian Berger，Jianzhong Huang黄建忠；在读博士Patrick Carroll，Lei Wan万磊，Yi Huang黄熠；毕业的硕士生Sean Mason，Weian Chen陈伟岸，Wei Zhou周伟；访问学者Yougan Chen陈友淦，Haixin Sun孙海信，Yuzhi Zhang张育芝，Xiaomei Xu许肖梅；作者从与UWSN相关的教师合作中获得了很多益处，特别是Drs. Peter Willett，Junhong Cui崔军红，Zhijie Shi史志杰，James ODonnell和Thomas Torgersen。作者特别感激UCONN的系统团队的同事们，特别是Drs. Yaakov Bar-Shalom、Peter Luh、Krishna Pattipati和Peter Willett，是他们创造了非常优秀的学术研究氛围。 作者要感谢伍兹霍尔海洋研究所WHOI的Mr. Lee Freitag、Dr. James Preisig及其团队，海军水下军事中心NUWC的Dr. Josko Catipovic及其团队，他们提供了多次实验机会。从这些实验获得的数据，特别是SPACE08实验、MACE10实验和AUTEC网络实验，协助我们进行了接收机的研制并加以验证。Dr. T. C. Yang提供的实验机会同样有助于促进我们的研究工作。我们要感谢Dr. Milica Stojanovic在研究初期的启发式讨论，以及Dr. Zhengdao Wang王正道经常性的讨论所提出的宝贵意见。 审阅者的反馈也帮助我们提高了本书的写作质量。我们感谢Drs. Christian Berger，Tolga Duman，Dennis Goeckel，Georgios Giannakis，Geert Leus，Aijun Song宋爱军，Milica Stojanovic，Zhengdao Wang王正道，Peter Willett，Chengshan Xiao肖承山和Ms. Xiaoyi Hu胡晓毅，他们在短时间内审查了不同的章节。感谢来自出版商的Mr. Mark Hammond，Ms. Liz Wingett和Ms. Sandra Grayson在本书项目实施中的足够耐心和支持。 本书得到了海军研究办公室ONR和国家科学基金NSF研究计划的资助。我们感谢计划的管理者：负责管理YIP和PECASE计划的ONR的Dr. Robert Headrick，负责管理NSF不同计划的Dr. Scott Midkiff，Dr. David Du，Dr. Zygmunt Haas和Dr. Zhi Tian田智。ONR的Dr. Keith Davidson 在每年的ONR PI 会议中给予了许多鼓励。康涅狄格大学提供了NSF计划相配套的各种经费支持。第一作者感谢联合技术公司UTC工程革新副教授基金给予的资助20082011和Charles H. Knapp电子工程副教授基金给予的资助20122013。 我们导师的培养奠定了作者从事这项计划研究的基础。Dr. Shengli Zhou 感谢他的博士导师Dr. Georgios B. Giannakis和他的硕士导师Dr. Jinkang Zhu朱近康；Dr. Zhaohui Wang感谢她的硕士导师Dr. Huizhi Cai蔡惠智，感谢他们在研究生期间的指导。 最后但同样重要的，我们要感谢我们的家人在整个项目期间的持续支持和鼓励！ Shengli zhou周胜利 康涅狄格大学 Zhaohui Wang王昭辉 密歇根理工大学

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