基于虚拟接收机的水声信道盲均衡理论与算法研究

Study on the single carrier blind equalization theory and algorithm of underwater acoustic channel has important significance for underwater acoustic communication. This Project proposed a method called virtual receiver technology for blind equalization of underwater acoustic channel. The statistical characteristics between the send signal and received signal, the actual unknown channel and the virtual channel from signal source to virtual receiver is studied. For the channel parameters between the receiver and virtual receiver can computer according to the Ray-model, then the internal connection among the signal source and the receiver and the virtual receiver can be obtained, based on which how to place the virtual receiver has the theoretical basis, also the blind equalization with the virtual receiver can find the theoretical basis. Furthermore we study the blind channel estimation and blind equalization algorithm for virtual receiver, and neural network is adopted to implement the information fusion for actual and virtual received signal. For nonlinear channel, GA and PSO algorithm is adopted to improve the performance of blind equalization. This project would obtain the general method for the layout of virtual receiver and the corresponding effective algorithm, which would set the foundation for practical application of blind equalization in underwater acoustic communication, including underwater communication network.

研究单载波水声信道盲均衡理论和算法对水声通信实现高速率和高质量的通信具有重要意义。本项目提出了一种虚拟接收机的技术手段，通过在信源与接收机之间布设虚拟接收机，挖掘发送信号与接收信号的统计特征来建立适用于水声信道的盲均衡准则，推进水声信道盲均衡理论的研究。实际通信信道、虚拟接收机与信源间的虚拟信道以及实际接收机与虚拟接收机之间的信道存在信息关联，在接收机与虚拟接收机位置已知的情况下可以利用射线模型计算其信道参数，利用信号统计特性变化规律，即可估计虚拟信道以及实际通信信道特征。进一步研究虚拟接收机的布放相对位置以及布放个数，利用虚拟接收机得到多通道输出并采用神经网络进行信息融合处理。对于非线性信道，利用遗传算法和粒子群算法实现虚拟接收机布放方案以及盲均衡算法的优化。项目通过研究最终给出虚拟接收机布设的通用方法以及相应的有效盲均衡算法，为盲均衡技术在水声通信包括水下通信网的实际应用奠定基础。

盲均衡技术不依赖训练序列即可以实现对信道特性的补偿和跟踪，单载波水声信道盲均衡理论和算法的研究对推动盲均衡技术在水声通信中的应用具有实际意义。面向未来海洋资源开发与海洋国土防御需求，高速率和高质量的水声通信技术成为重要的发展方向。项目根据水声通信特点，结合虚拟接收机技术对水声信道盲均衡理论和算法进行了研究，取得的研究成果主要包括：（1）提出了能量匹配准则新的盲均衡代价函数，丰富和发展了常数模盲均衡的理论内容。在常数模代价函数中引入能量匹配因子并使其随迭代过程自适应更新，可显著提高算法的收敛性能。（2）在简化常数模代价函数的基础上，设计了可变遗忘因子递归最小二乘盲均衡算法。算法中遗忘因子利用均衡器输出信号误差控制，在增加有限计算复杂度的基础上极大提高了算法均衡性能。（3）水声通信盲均衡中虚拟接收机的理论分析与方案设计。在水声通信传输信号统计特征分析的基础上，得出了虚拟接收机接收信号不改变传输信号高阶统计特征的结论，并根据接收机的相对位置，对虚拟接收机的布放方案进行了研究和设计，实际接收机与虚拟接收机之间的虚拟信道可以利用声射线模型进行计算，也可随机生成，从而为接收信号的高质量恢复提供冗余信息，为提高虚拟接收机信息的可靠性，提出了遗传算法优化的虚拟接收机布放方案。（4）基于虚拟接收机的融合盲均衡算法研究。利用虚拟接收观测信号，提出了星座图匹配融合策略、加权融合策略和神经网络融合策略，对三种融合策略进行了比较和分析。除上述研究成果外，项目组紧密跟踪国内外盲均衡技术研究发展的相关报道，并在研究过程中对分数间隔盲均衡器、传统梯度下降常数模盲均衡算法以及递归最小二乘常数模盲均衡算法进行了深入分析，提出了相应的改进算法，特别是针对脉冲噪声干扰条件下的稀疏水声信道盲均衡进行了研究，并取得了一定进展。项目研究成果对水声信道盲均衡的理论和算法的进一步深入研究以及加速盲均衡技术在水声通信中的推广应用具有实际参考价值。