基于叠加编码的水声OFDM下行多用户通信研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    61601136
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    19.0万
  • 负责人：
    马璐
  • 依托单位：
    哈尔滨工程大学
  • 学科分类：
    F0107.海上和水下通信
  • 结题年份：
    2019
  • 批准年份：
    2016
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2017-01-01 至2019-12-31

项目摘要

It is a significant challenge to improve data rate of underwater acoustic network with serious frequency bandwidth limitation. Thus it is essential to improve the spectral efficiency of an underwater multiuser communication system at the physical layer under the limited bandwidth. An orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) modulated superposition coding scheme for downlink underwater acoustic communication will be studied in this project. Firstly we propose a multiuser power allocation method where the transmitter splits power between users based on statistical channel state information (CSI) which are stable over a long period of time through feedback, in order to overcome the negative effects of underwater acoustic channels, such as large propagation delay, fast time-varying and imperfect channel estimation. Then a joint optimization algorithm of superimposed constellation design and multiuser power allocation, and an iterative multiuser Turbo receiver is proposed to improve communication reliability. The main points of the research are as follows: 1) statistical channel modeling, channel statistics estimation and time stability analysis of channel statistics for single-input, multiple-output (SIMO) underwater acoustic channel; 2) the ergodic rate region modeling and multiuser power allocation algorithms for superposition coding based on statistical CSI; 3) a joint optimization algorithm of superimposed constellation design and multiuser power allocation at the transmitter, and an iterative multiuser Turbo receiver for the downlink underwater SIMO-OFDM system. The researching results are capable to improve the spectral efficiency of an underwater multiuser communication system and the reliability of data link for the underwater acoustic network.
通信带宽严重受限是提高水下网络数据传输速率的主要瓶颈之一，如何在有限带宽内提高物理层多用户通信频谱利用率是亟待解决的关键问题。本课题拟研究基于叠加编码的水声正交频分复用（OFDM）下行多用户通信方法。为克服水声信道大传播时延、快信道时变以及不完美信道估计等不利因素，拟采用下行用户向发送端反馈更为稳定的信道统计特征来辅助用户间功率分配的方法；并通过叠加星座图和功率分配联合优化及Turbo迭代接收机提高数据传输可靠性。研究内容包括：1）水声单输入多输出（SIMO）信道统计建模及统计参数时间稳定性分析；2）基于水声信道统计特征的叠加编码下行遍历可达速率区域建模和用户间功率分配算法；3）水声SIMO-OFDM下行通信发送端的叠加星座图和功率分配联合优化算法，及接收端的多用户叠加编码Turbo迭代接收算法。本课题的研究成果有望提高水下节点频谱利用率，为建立和完善水声无线网络提供可靠的物理层保障。

结项摘要

本项目是利用水下信息网络基于叠加编码的水声下行多用户通信的相关研究，主要包括三方面的内容：水声信道统计建模及时间稳定性分析、用户间功率分配算法研究和提出叠加编码下行通信方法。.A.首先研究水声SIMO信道的统计建模与统计特征分析，通过采集的海试数据得到水声SIMO信道的经验概率密度函数，然后通过曲线拟合估计Nakagami-m模型下的关键统计参数。通过长时间连续采集的海试数据验证SIMO水声信道统计模型与统计特征的时间稳定性。成功验证了基于反馈水声信道统计特征辅助多用户资源分配的方案的可行性，为基于反馈水声信道统计特征辅助多用户资源分配的方案提供物理前提。.B.利用水声SIMO信道统计的建模基础，对叠加编码遍历可达速率区域进行了建模分析，并在不同的信道统计参数下，研究多种叠加编码的用户间功率分配方法，详细比较在不同的多用户资源分配公平性准则下的功率分配方案差异，为实际的水声叠加编码系统提供功率分配理论值。.C.最后对实际的水声OFDM叠加编码下行通信方法进行研究，比较了不同重构精度下的传统连续干扰消除算法，并在此基础上设计了基于Turbo迭代处理技术的接收机，以此克服水声信道的背景干扰、不完美信道估计等问题，并通过数值仿真和外场实验验证，相比于传统连续干扰消除技术，Turbo接收机成功提高了通信速率以及通信质量。.本课题的研究成果成功将叠加编码技术引入到水声下行多用户通信中，提出适用于水声信道的多用户资源分配方法，即下行用户向发送端反馈更为稳定的信道统计特征来辅助用户间功率分配。基于水声OFDM系统提出叠加星座图联合功率分配联合优化算法，以及多用户叠加编码Turbo迭代接收算法，最终通过外场实验验证多用户OFDM叠加编码技术，实现水声下行通信频谱利用率的提升，为建立和完善水声无线网络提供可靠的物理层保障。

项目成果

期刊论文数量（11）
专著数量（0）
科研奖励数量（2）
会议论文数量（8）
专利数量（9）
Accurate and Efficient Path Delay Estimation in OMP Based Sparse Channel Estimation for OFDM With Equispaced Pilots
等间隔导频 OFDM 基​​于 OMP 的稀疏信道估计中准确高效的路径延迟估计
  • DOI：
    10.1109/lwc.2018.2860996
  • 发表时间：
    2019-02
  • 期刊：
    IEEE Wireless Communications Letters
  • 影响因子：
    6.3
  • 作者：
    Wan L;Qiang XZ;Lu Ma
  • 通讯作者：
    Lu Ma
Cost Function based Soft Feedback Iterative Channel Estimation in OFDM Underwater Acoustic Communication
正交频分复用水声通信中基于代价函数的软反馈迭代信道估计
  • DOI：
    10.36244/icj.2019.1.4
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    Infocommunications Journal
  • 影响因子：
    1.1
  • 作者：
    Gang Qiao;Zeeshan Babar;Lu Ma;Xue Li
  • 通讯作者：
    Xue Li
Adaptive Downlink OFDMA System With Low-Overhead and Limited Feedback in Time-Varying Underwater Acoustic Channel
时变水下声学通道中低开销和有限反馈的自适应下行 OFDMA 系统
  • DOI：
    10.1109/access.2019.2892812
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    IEEE ACCESS
  • 影响因子：
    3.9
  • 作者：
    Gang Qiao;Lei Liu;Lu Ma
  • 通讯作者：
    Lu Ma
A low-complexity orthogonal matching pursuit based channel estimation method for time-varying underwater acoustic OFDM systems
时变水声正交频分复用系统的低复杂度正交匹配追踪信道估计方法
  • DOI：
    10.1016/j.apacoust.2018.12.026
  • 发表时间：
    2019-05-01
  • 期刊：
    APPLIED ACOUSTICS
  • 影响因子：
    3.4
  • 作者：
    Qiao, Gang;Song, Qingjun;Wan, Lei
  • 通讯作者：
    Wan, Lei
Sparse Bayesian Learning for Channel Estimation in Time-Varying Underwater Acoustic OFDM Communication
时变水声 OFDM 通信中信道估计的稀疏贝叶斯学习
  • DOI：
    10.1109/access.2018.2873406
  • 发表时间：
    2018-01-01
  • 期刊：
    IEEE ACCESS
  • 影响因子：
    3.9
  • 作者：
    Qiao, Gang;Song, Qingjun;Gan, Shuwei
  • 通讯作者：
    Gan, Shuwei

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  • 发表时间：
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  • 期刊：
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  • 通讯作者：
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    马璐
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弱信道感知下的水声正交频分复用自适应传输方法研究
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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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