摘要
带内全双工水声(In-BandFull-DuplexUnderWaterAcoustic，IBFD-UWA)通信技术可实现同时发射和接收相同频带内的通信信号，理论上其频率利用效率可达到传统半双工水声通信下的两倍，在水声信道可用频谱资源严重受限的背景下具有着重要的研究意义与应用价值，而IBFD-UWA通信在实现过程中面临的最主要挑战即是对本地自干扰信号的抵消。本文针对IBFD-UWA通信机在实际工程应用中自干扰信号成分及信道结构研究不清晰、模拟域自干扰抵消性能受硬件设备参数影响、时变自干扰传播信道条件下的信道估计与数字域自干扰抵消性能受限的问题展开了研究。以无线电全双工通信技术为基础，构建了适用于IBFD-UWA通信系统的干扰信道估计与抵消理论研究框架，并基于此架构进行了初步的探索性研究，具体包括传播域自干扰信道建模技术、数字辅助模拟自干扰抵消技术、时变浅海信道下的数字自干扰信道估计与抵消技术。 针对现有传播域自干扰信道建模过程缺少对环路自干扰(Self-LoopInterference，SLI)分量传播信道的研究以及实测多径自干扰(Self-MultipathInterference，SMI)信道复杂等问题，分别对SLI及SMI开展相应的传播域自干扰信道建模方法。本文提出了基于有限元分析的SLI传播过程仿真方法，并根据仿真结果得到SLI传播信道冲激响应。通过射线声学理论对SMI信道进行了建模，并结合风成海面起伏特性及统计信道模型，建立了风成海面时变多径自干扰传播信道模型。通过理论仿真与湖试数据处理结果对所提出的SLI及SMI信道建模方法性能进行验证，研究结果表明自干扰传播信道具备明显的分簇化特征，同时也为后续研究模拟域、数字域自干扰抵消过程中的信道假设提供了更符合浅海工程应用情况的依据。基于仿真与实验结果，提出了几种可在工程应用中降低IBFD-UWA通信系统SLI强度的建议。 针对模拟域自干扰抵消性能受硬件参数（如:模数转换器有效量化位数、功率放大器非线性失真）影响的问题，按照自干扰抵消需求分析、硬件参数影响因素分析及解决方案这一路线展开研究。首先结合被动声呐方程、声传播理论给出了一定海洋环境条件、不同通信距离下的总体自干扰抵消需求。结合近端接收端模数转换器(Analog-to-DigitalConverter,ADC)量化位数影响，给出了不同通信距离下的模拟域自干扰抵消需求理论值，完成了模拟域自干扰抵消基本方案性能的理论与仿真分析，并给出了模拟域自干扰抵消性能受限的原因。根据自干扰传播信道特征实测结果，引入了数字辅助模拟自干扰抵消(DigitallyAssistedAnalogSelf-InterferenceCancellation，DAA-SIC)技术，以解决基于有限抽头数量的模拟域干扰抵消方案无法满足IBFD-UWA通信系统模拟域自干扰抵消需求的问题。对基于功率放大器(PowerAmplifier,PA)输出信号副本的PA-DAA-SIC方案以及基于Volterra级数的记忆多项式(MemoryPolynomial，MP)模型对功放输出重构的Mp-DAA-SIC方案性能进行了理论与仿真分析，得出了上述两方案在实际应用中的干扰抵消性能分别受限于辅助链路有效量化位数及发射机噪声的结论。基于上述结论分别提出了基于数字预失真(DigitalPre-Distortion，DPD)处理的DPD-MP＼PA-DAA-SIC方案及基于功放噪声数字域获取(PowerAmplifierNoiseDigitaldomainAcquisition，PANDA)的PANDA-DAA-SIC方案。通过数值仿真与实测硬件参数下的电路仿真对上述两种新型DAA-SIC方案性能进行验证，结果表明所述DPD-MP-DAA-SIC方案具备较好的抵抗辅助链路有效量化位数波动的能力，综合发射机噪声及辅助链路有效量化位数影响，所述PANDA-DAA-SIC方案具备上述各影响因素下最优的模拟域自干扰抵消性能。 针对时变自干扰传播信道条件下的信道估计精度与数字域自干扰抵消性能受限的问题，分别从时变信道跟踪、时变信道影响下自适应滤波器性能改进的角度，提出了两种时变自干扰信道估计与抵消技术。首先以递归最小二乘(RecursiveLeastSquares，RLS)自适应滤波器为主体，对时变自干扰信道估计性能进行了研究与分析;而后以时变自干扰信道建模结果为基础，结合实际工程应用中IBFD-UWA通信节点布置场景，对时变自干扰传播信道特性进行了分析，得出其具有局部稳定特征。基于该特征提出了一种以卡尔曼滤波器及RLS滤波器为核心的分簇路径特征变化驱动的信道跟踪技术，通过对各分簇最强抽头的信道时延及幅度进行跟踪以实现对时变自干扰信道结构的更新，进而使得自适应滤波器获得更快的收敛速度。另以变遗忘因子(VariableForgettingFactor,VFF)角度出发，基于IBFD-UWA通信系统中自干扰信号与期望信号交叠特征以及RLS滤波器先验估计误差成分分析，提出一种适用于IBFD-UWA通信系统的三段式遗忘因子的改进型VFF-RLS滤波器(ImprovedVFF-RLS，后简称IVFF-RLS)。通过M估计理论对RLS迭代过程中的瞬时先验估计误差进行稳定化处理，利用稳定化先验估计误差判断信号重叠状态，并在此基础上结合先验期望信号能量强度控制遗忘因子的变化。最后，以信道估计精度、干扰抵消性能及误码率为指标对常规RLS，VFF-RLS及IVFF-RLS进行了仿真对比分析，通过外场实测数据进一步证明了IVFF-RLS的在误码率指标下具备上述三种方案中的最佳性能。
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