水声正交时频空调制系统信道估计与均衡算法研究
摘要
水声通信因水声信道的复杂性面临诸多挑战。为实现可靠的水声通信，需对水声
通信调制方案进行进一步探索。正交时频空(OrthogonalTimeFrequencySpace，OTFS)
调制系统在陆地高速通信中比正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，
OFDM)调制系统有更优异的性能增益，因此近年来被引入水声通信中。本文主要对水
声信道下的OTFS调制系统模型进行了研究分析，并对其信道均衡和估计技术进行了研
究，其主要研究内容为：
首先对水声信道及OTFS的基本原理进行综合分析，建立水声OTFS调制系统的接
收信号模型，并针对经非一致多普勒下水声多径信道的OTFS调制系统进行了非一致多
普勒估计与补偿的研究。
其次研究适用于水声OTFS调制系统的信道均衡算法。因水声OTFS系统的因
OTFS系统调制解调均在时延-多普勒域，而传统的信道均衡方案均在时频域上进行，
需探讨时频域中的经典线性均衡算法在水声OTFS系统的适用性，即迫零（Zeroforcing，
ZF)均衡和最小均方误差(MinimumMeanSquaredError，MMSE)均衡。对非线性均衡算
法中无线通信中的基于OTFS的低复杂度的消息传递(MassagePassion，MP)算法在水声
通信中的应用进行了分析研究。通过仿真分析，可得出基于OTFS的消息传递算法的性
能优于两种经典线性均衡算法的性能。
再对水声OTFS调制系统的时延-多普勒域的信道估计算法进行研究，具体算法包
括基于噪声门限的信道估计算法和基于正交匹配追踪(OrthogonalMatchingPursuit，
OMP)的稀疏信道估计算法，前者是针对OTFS系统接收模型进行分析得出的仅适用于
OTFS系统的信道估计方案，后者是对传统的正交匹配追踪的信道估计算法在时延-多
普勒域的应用与改进。根据仿真分析，正交匹配追踪的稀疏信道估计方案性能更为优
异。
最终对不同信道下水声OTFS系统的信道估计及均衡算法性能进行了综合分析对
比。验证在非一致多普勒下水声信道中OTFS通信系统的可行性，并通过仿真分析水声
OTFS系统相对于OFDM系统的抗多普勒性能的优异性。在实际实验中对水声OTFS系
统性能进行了验证。
关键词：水声通信；OTFS调制；信道估计；信道均衡，消息传递
水声正交时频空调制系统信道估计与均衡算法研究
ABSTRACT
Toachievereliableunderwateracousticcommunicationincomplextime-varying-
frequency-varying-spacechannels,themodulationschemeforunderwateracoustic
communicationneedstobefurtherexplored.OrthogonalTimeFrequencySpace(OTFS)
modulationsystemhasbetterperformancegainthanOrthogonalFrequencyDivision
Multiplexing(OFDM)modulationsysteminterrestrialhigh-speedcommunication,soithas
beenintroducedintounderwateracousticcommunicationinrecentyears.communicationi