时变信道下的被动时间反转扩频水声通信

本文研究了时变信道条件下采用被动时间反转的直接序列扩频水声通信方案。多通道被动时间反转可通过对信道多径进行时间、空间聚焦实现信道匹配,但低信噪比、时变特性造成的信道特性失配对被动时间反转处理的性能造成严重影响。在垂直阵接收的基础上,本文采用码片级信道估计获取水声信道特性并进行周期性更新,并采用已判决码元产生的扩频码片作为信道估计训练序列,结合应用稀疏信道估计算法抑制零值抽头上的估计噪声,从而可有效改善时变、低信噪比条件下的被动时间反转处理的时、空多径聚焦效果,提高扩频通信性能。通过湖试实验比较了采用稀疏信道估计、传统信道估计算法的时反扩频接收机,以及经典直扩接收机的通信性能,实验结果表明：本文方案可在低信噪比获得较好的性能,并有效抑制时变信道对时反扩频通信性能的影响。     

正交频分复用无源时间反转信道均衡方法研究

针对水声信道多途信号引起的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)水声通信系统符号间干扰的问题,提出了无源时间反转均衡的方法,将发送的探测信号时间反转与OFDM信号做卷积,利用无源时间反转镜的时间聚焦原理减小信道多途带来的符号间干扰,在OFDM符号中不使用导频的情况下实现信道均衡,简化了均衡步骤并提高了OFDM符号频带利用率。分析比较了无源时反均衡方法与最小平方信道均衡在水声多途信道下的误码性能。仿真研究和湖上实验表明,无源时反信道均衡算法可以有效的减小多途信道对OFDM水声通信系统带来的影响。     

一种基于DFT时域插值的OFDM水声信道估计改进方法

信道估计作为OFDM通信系统中的重要部分,其性能关系到整个系统的误比特率。本文提出了一种基于DFT时域插值的信道估计改进方法,用于OFDM水声通信系统。该方法利用噪声门限抑制多径之间的信道估计噪声,计算简单,达到较好的信道估计效果。对该方法进行了理论分析,仿真实验以及海试。在海试中得到传输距离2km,有效数据率2.8kbit/s,证明该方法可以用于中短程浅海水声通信。     

水下数字语音通信系统的研究和实现

将相干水声通信技术和混合码激励线形预测语音编码技术相结合进行了研究,设计并实现了一个可应用于浅海水声信道的实时数字语音通信系统.系统针对语音编码数据的特点,根据语音数据对恢复话音重要程度的不同,采用分层的信道编码以减少总体冗余度提高系统传输效率,采用鲁棒的语音帧同步机制、引入缓存机制保证语音数据流的连续性以提高系统整体性能;采用基于信道估计的内嵌二阶锁相环分数间隔判决反馈均衡器以对抗水声信道多径的影响.对该系统进行的海试在6 km和11 km距离上成功地实现了较高质量(可分辨出不同说话人)的实时水下语音通信,海试结果表明该系统可以应用于半双工实时水下数字语音通信.     

多频带水声信道的时频联合稀疏估计

多频带水声信道多径结构在相邻数据块和不同子频带存在相关性,从分布式压缩感知的角度可对这种时频联合稀疏特性进行利用。但是,在传统联合稀疏模型下水声信道间存在的不同多径时延部分形成差异支撑集,由此引入的干扰导致估计性能下降,提出利用多路径选择机制进行差异支撑集检测;同时,进一步结合频域子频带信道间、时域相邻数据块信道间存在的相关性进行频带-时间域联合稀疏估计.利用数值仿真及海试实验结果进行了性能验证和比较,表明利用时频联合稀疏估计构造的水声通信接收机改善了匹配性能,可获得较为明显的输出信噪比、误比特率等通信性能提升.从而说明:利用多频带水声信道在时域、频域存在的联合相关性可有效提高信道估计性能。      

基于时间反转扩频的隐蔽水声通信方法

针对低信噪比条件下水下小尺度平台与通信浮标间进行隐蔽水声通信时,强多径干扰导致通信困难的问题,提出了一种基于时间反转技术的直接序列扩频隐蔽通信方法。该方法利用多通道主/被动时间反转的空时聚焦效应,提高了低信噪比条件下直接序列扩频通信的抗多径干扰能力,并且具有良好的低检测概率通信能力。仿真和水池实验结果表明:该方法满足水下小尺度平台处理结构简单、低功耗的要求,实现了水下单阵元平台与通信浮标之间的双向隐蔽通信。     

MFSK浅海远程通信多径抑制的频率分组编码方法

多频移键控调制技术（MFSK）对信道衰落有良好的适应性，是远程水声通信的重要技术。但是，用于浅海远程水声通信时，由于多径传播的影响，导致严重的码间干扰（ISI），使得远程微弱信号的频率估计产生较大偏差，误码率显著增加。本文针对远程水下信道和MFSK调制的特点，提出了一种新的频率分组编码（FGC）方法。该方法改变了传统MFSK的数据帧格式，相邻符号采用不同组的频率进行编码映射，有效抑制了多径干扰。在深入研究新方法统计特性的基础上进行了湖试验证，结果表明，采用FGC新方法的通信系统，多径抑制有效，性能稳健，更适合于80-100km水声远程通信。     

水声多输入多输出信道的分布式压缩感知估计

多输入多输出技术通过采用多个阵元进行多发多收空间复用信道可在极其有限的通信带宽下实现高速水声通信,但由于同时存在通道间干扰和多径干扰,水声MIMO信道估计变得困难。提出利用MIMO水声信道多径稀疏结构存在的相关性,在经典联合稀疏模型的基础上对MIMO观测矩阵进行重组,从而建立基于分布式压缩感知的单载波水声MIMO通信信道联合稀疏模型;同时,针对信道响应中具有相同多径位置的稀疏部分和特有稀疏部分设计区分性正交匹配追踪算法进行联合重构,进一步抑制通道间干扰的影响。最后通过仿真和海上实验进行本方法有效性的验证,实现16 kbps的MIMO水声通信。通过算法推导、仿真和实验可得到结论:利用MIMO水声信道多径相关性进行分布式压缩感知估计可提高估计性能。     

基于循环前缀相关性的水声OFDM信号调制识别

为解决非合作通信系统中水声OFDM信号的类型识别,本文研究水声OFDM通信信号与常见单载波水声数字通信信号(MPSK,MFSK)之间的调制识别问题。考虑到水声信道复杂传播特性对循环前缀相关性的影响,本文通过截取信号前后片段并迭代搜索双相关峰进行无需先验知识的水声OFDM通信信号特征参数提取,在此基础上设计了一种基于模糊系统的水声OFDM通信信号识别器。对不同信道条件下海上实录信号数据的识别实验结果表明了本文方法的有效性。     

无源时间反转镜在水声通信中的应用

提出单阵元无源时间反转镜(PTRM),在对声信道没有任何先验知识的情况下可与信道自动匹配,实现自适应聚焦。并将其应用于Pattern时延差编码(PDS)水声通信体制,构成无源时间反转镜Pattern时延差编码水声通信系统(PTRM- PDS)。通过计算机仿真研究及湖试,验证了PTRM-PDS系统能够抑制声信道多途扩展产生的码间干扰,可在时变、空变的声信道中实现低误码率通信,具有很好的鲁棒性。     

Exploiting joint sparsity for underwater acoustic MIMO communications

MIMO communication has been recognized as a potential solution for high speed underwater acoustic communication, which unfortunately encounters significant difficulties posed by simultaneous presence of multipath and Co-channel interference (CoI). Sparsity contained in the multipath structure of underwater acoustic channels offers an effective way for improving channel estimation quality and thus enhancing the communication performance in the form of time reversal or channel estimation based equalization. However, for MIMO channels with extensive multipath and CoI, the performance gain achieved by classic sparsity exploitation channel estimation methods such as orthogonal matching pursuit (OMP) is still not enough to yield satisfactory performance. Under quasi-stationary assumption, underwater acoustic channels of adjacent data blocks exhibit correlated multipath structure, namely, multipath arrivals with similar time delay but different magnitude, which has not been exploited. In this paper, a joint sparse recovery approach is proposed to exploit the sparse correlation among adjacent data blocks to improve the performance of channel estimation. Under the framework of distributed compressed sensing (DCS), a joint sparse model which treats the multipath arrivals as sparse solutions with common time support is adopted to derive a joint sparse recovery algorithm for efficient channel estimation, the results of which are used to initialize and periodly update a channel estimation based time reversal receiver. Finally, underwater MIMO communication experimental results obtained in a shallow water channel are provided to demonstrate the effectiveness of the proposed method, compared to the same type of receiver that do not exploit the joint sparse.     

基于多径分集的啁啾扩频正交频分复用水声通信系统

针对传统正交频分复用系统在具有复杂多途和深度频率选择性衰落特点的水声信道中性能下降的问题,提出了啁啾扩频正交频分复用水声通信方案.该方案对原信息码扩频,子载波变为相同调频斜率、不同中心频率、频带相互重叠的正交啁啾信号.经过水声相干多途信道后在接收端解扩,使多个途径信号在频域上拓展,多径信号彼此分离.结合虚拟时间反转镜技术,聚焦多途信道能量,完成信道多径分集接收,不仅可以抑制频率选择性衰落的影响,还充分利用信道多径分集增益提高系统性能.通过仿真研究和湖试验证,表明该方案具有较好的有效性和可靠性.     

参量阵差分Pattern时延差编码冰下水声通信方法（英文）

In order to meet the demands of underwater acoustic communication in under ice environment,a differential Pattern time delay shift coding underwater acoustic communication method based on parametric array is introduced in this paper.The under ice underwater acoustic channel is characterized by heavy multipath transmission.Under this model,a parametric array emission method of Pattern signal is derived and the system performance is analyzed.A broadband low frequency sound waves with narrow beam-pattern,which will reduce the interface reflections and suppress the effects of multipath transmission,can be obtained by the emission method.The Songhua River under ice trial results show that there is an anti-multipath property and a higher data rate in the under-ice acoustic channel in proposed approach.     

混合稀疏水声信道的动态区分性压缩感知估计

由于水声传播过程中同时存在声信号直达、静态或动态边界反射的现象,水声信道会呈现不同动态特性的多径,形成具有混合稀疏的结构,即多径由静态或相对缓变的平稳多径分量和快速时变的动态多径分量混合组成。对于混合稀疏信道,经典的稀疏信道估计算法未考虑混合稀疏性,将导致算法失配、性能下降;以时变稀疏集为模型,动态压缩感知(DCS)结合卡尔曼滤波(KF-CS)可提高对时变多径分量的估计精度,但KF对静态稀疏分量的估计无法充分挖掘其稀疏性。通过将混合稀疏水声信道建模为由静态和时变支撑集所组成的稀疏集,提出一种动态区分性压缩感知(DDCS)方法。该算法首先结合同步正交匹配追踪(SOMP)和正交匹配追踪(OMP)将混合稀疏多径进行区分,分解为静态分量和时变分量;然后,分别用KF-CS和同步正交匹配追踪算法估计时变和静态多径的幅度;最后,将静态分量和时变分量的估计结果整合以得到整个水声信道的冲激响应。通过海试实验把所提DDCS算法与经典信道估计算法、压缩感知算法和DCS算法进行了比较,验证了所提算法的有效性。结果表明,对混合稀疏水声信道进行区分性稀疏估计可改善信道估计性能,进而可通过信道估计均衡器提升水声通信质量。      

Overview of channel models for underwater wireless communication networks

Acoustic communication in Underwater Wireless Communication Networks (UWCNs) has several challenges due to the presence of fading, multipath and refractive properties of the sound channel which necessitate the development of precise underwater channel models. Some existing channel models are simplified and do not consider multipath or multipath fading. In this paper, a detailed survey on ray-theory-based multipath Rayleigh underwater channel models for underwater wireless communication is presented and the research challenges for an efficient communication in this environment are outlined. These channel models are valid for shallow or deep water. They are based on acoustic propagation physics which captures different propagation paths of sound in the underwater and consider all the effects of shadow zones, multipath fading, operating frequency, depth and water temperature. The propagation characteristics are shown through mathematical analysis. Transmission losses between transceivers are investigated through simulations. Further simulations are carried out to study the bit error rate effects and the maximum internode distances for different networks and depths considering a 16-QAM modulation scheme with OFDM as the multicarrier transmission technique. The effect of weather season and the variability of ocean environmental factors such as water temperature on the communication performance are also shown. The mathematical analysis and simulations highlight important considerations for the deployment and operation of UWCNs.     

参量阵差分Pattern时延差编码冰下水声通信方法

为提高差分Pattern时延差编码水声通信方法的通信速率以及抗多途能力,使其能有效适用于冰下水声环境,提出了基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法,推导了Pattern码的参量发射原理,分析了参量阵发射对该方法性能的影响,利用参量阵发射产生低频宽带窄指向性声柬,减少了声线触碰上下边界的次数,提高了系统抗多途的能力。冰下水域外场试验结果表明:本方法可有效抑制多途效应,同时低频宽带特性提高了系统通信速率。      

浅水时变多途信道特性分析与模型实验研究

时变多途水声信道是影响水声通信性能的一个重要因素,深入了解水声信道挣性并对水声信道进行建模具有重要的研究意义。本文在分析传统时变信道模型基础上,从时域角度出发,提出采用AR (ρ)模型对已有的浅水时变多途信道模型中的小尺度衰落分量进行修正。然后基于莲花湖实测信道数据,分析了时变信道各个路径的幅度、时延、时间相干系数、系统传递函数等特性,并对修正模型进行了验证正。从仿真结果来看,修正模型与试验结果拟合的很好。本文从多个方面对水声信道特性进行了分析,有助于对水声信道的深入了解,同时为水声通信系统性能评估提供了一种仿真信道模型。      

浅海环境中的时间反转多用户水声通信

在无线电通信中,多用户通信可以采用时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)或者码分多址(CDMA)技术来实现,在水声通信中,信道的多途传播特性带来的空间差异,提供了另外的多用户通信手段。时间反转(或相位共轭)技术,能够实现对空间中指定点的聚焦接收和多途压缩,它为空间位置不同的多个用户提供了相互独立的通信通道,能够很好地克服用户之间的同道干扰(CI)。本文在垂直阵接收的基础上,利用时间反转技术来实现不同用户在同一信道中的同时通信,结合带锁相环的自适应判决反馈均衡技术来消除残余的多途码间干扰,并进行了初步的海上试验,实现了两个不同深度上用户的同时通信。     

基于时反镜能量检测法的循环移位扩频水声通信

海面的起伏和多普勒效应使得接收信号的载波相位发生跳变以及水声信道的多途扩展使得接收信号波形发生畸变,这严重影响循环移位扩频系统的性能.本文提出循环移位能量检测器算法,通过检测循环移位匹配滤波器的输出能量对系统进行解码,可有效解决载波相位跳变对循环移位扩频系统的影响;将时间反转镜技术与循环移位能量检测器相结合,进一步提出时反镜能量检测器算法,利用已检测到的符号对信道进行实时估计并进行时反处理,抑制了水声信道多途扩展的影响,保证了循环移位扩频系统可在低信噪比条件下工作.通过大连海上试验以及莲花湖湖上试验验证,在复杂水声信道多途扩展、载波相位跳变和低信噪比条件下实现了低误码水声通信.     

Time reversal acoustic communication receivers: DSP implementation and fast channel estimation

A communication system is implemented on digital signal processors (DSPs) for the underwater acoustic environment. The implemented receiver uses time reversal multi-channel combining followed by a single-channel decision feedback equalizer. Periodic channel estimation is employed to track the channel fluctuations. These techniques are used to mitigate time-varying inter-symbol interference, which is the main challenge in the underwater acoustic channel at operating frequencies greater than 10 kHz. Various optimization tasks are performed to reduce the receiver computational complexity. A fast implementation of the matching pursuit algorithm is tested on the DSP platform. Its performance, in terms of accuracy and run-time, is compared with that of the basic matching pursuit algorithm. Experimental results of the transmission and demodulation of binary phase-shift keying signals at three different symbol rates were obtained in the local Delaware Bay. The low bit error rates demonstrate the effectiveness of our implementation.