具有非均匀多普勒位移的水下声学OTFS：建模与离线块稀疏信道估计算法

《IEEE Journal of Oceanic Engineering》：Underwater Acoustic OTFS With Nonuniform Doppler Shifts: Modeling and Off-Grid Block-Sparse Channel Estimation Algorithm

水下移动通信中正交时频空间调制面临非均匀多普勒效应挑战，本文提出基于时频二维域的系统模型与闭环式信道估计算法，通过块稀疏正交匹配追踪与最大似然估计结合，显著提升多普勒分辨率，仿真实验验证了算法有效性并证明OTFS相比OFDM更适合水下通信。

　　

摘要：

正交时频空间（OTFS）调制作为一种二维延迟多普勒（DD）域技术，在水下移动通信中展现出巨大的潜力。然而，在宽带水下声学（UWA）信道中，一个关键挑战出现了：每条传播路径都表现出不同的多普勒因子。这些多普勒因子导致信号带宽内的频率依赖性非均匀位移，即使在时域重采样补偿后，这种残余的多普勒效应仍然存在。本研究探讨了非均匀多普勒位移对UWA OTFS系统的影响。我们提出了一种新的、系统化的UWA-OTFS系统DD域输入-输出关系推导方法，该方法考虑了残余多普勒效应。此外，我们还推导出了DD域中多普勒扩散的封闭形式数学模型，并证明了UWA-OTFS的块稀疏特性。基于多普勒扩散模型，我们提出了一种结合离线块稀疏正交匹配追踪与最大似然估计的信道估计算法，以提高多普勒分辨率的准确性。通过全面的数值模拟和实验验证，证明了所提出信道估计算法的有效性。同时，也证明了OTFS在水下移动通信中相对于正交频分复用的优越性。