无线/水声通信浮标技术研究及其实现

本文研究并设计实现了一种用于浅海水声信道多速率通信的无线/水声通信(racom)浮标,介绍了其水声通信和无线通信技术方案和工程设计与实现。本文设计的浮标综合了水声通信、DSP信号处理和无线电通信等技术,也可以用作水声通信/传感网络中的无线/水声通信(racom)网关节点。海上试验验证了本浮标总体设计方案的可行性。海上试验中,浮标无线通信距离达到15.2 km,误码率不大于10 6;除2 kbps速率外,浮标各种速率的水声通信数据传输误码率都小于1%,最大通信作用距离达到9.6 km;同时,试验也验证了浮标与水下运动平台之间的通信功能。     

变步长似p范数约束稀疏水声信道估计方法

针对范数约束类归一化最小均方(NLMS)算法在正交频分复用(OFDM)稀疏水声信道估计中误码率较高的问题,提出一种改进的变步长似p范数约束信道估计方法。采用改进双Logistic函数构造步长,并将误差信号自相关函数引入其中,实时调整步长和零吸引项,使得收敛速度和估计精度能够很好地折中。算法仿真结果表明,在浅海多径稀疏水声信道下,相比于传统方法,所提出的信道估计获得的最高性能提升为收敛速度提高72.3%,稳态误差降低95.9%。湖上试验数据处理结果显示,相比于传统信道估计方法,所提出的方法能使通信误码率降低2~3个数量级,实现零误码水声通信。      

水声通信网络快速重构路由协议技术的研究

本文针对水声通信特点,在按需距离矢量(AODV)路由协议的基础上,提出了一种旨在缩短路由重构时间的按需距离矢量(RB-AODV)路由协议。该协议解决了水声通信网络中,由中间节点的移动而引起的路由失效问题。通过检测到移动节点的中间节点进行本地路由修复重构的过程,避免了由源节点重新启动路由发现过程,从而大大节省了信道带宽。仿真结果表明,该RB-AODV路由协议可以降低丢包率、增大网络吞吐量,缩短路由重构时间并提高信道利用率。     

水声通信网竞争式介质访问控制协议的研究

水声通信网介质访问控制(Media access control,MAC)协议决定了节点共享水声信道资源的方式,它直接影响到水声信道的利用率和网络的整体性能。本文简要介绍了Aloha、MACA-U和UW-CSMA/CA三种竞争式MAC协议的基本原理,并基于NS2仿真平台,在集中式单跳网络和分布式多跳网络两种拓扑结构中对Aloha、MACA-U和UW-CS/MACA三种竞争式MAC协议的吞吐量、平均端对端时延、冲突率和协议开销等性能进行对比,并分析数据包长度对三种协议性能的影响,为实用MAC协议的设计提供了有效的参考数据和策略。     

水声通信网络定向搜索AODV协议研究

水声通信网络是水声研究的一个热点问题。由于水下声网络带宽窄、传播延迟大、能量受限等特点,无线电网络中一些成熟的路由协议,如DSDV、AODV等的应用受到了很大的限制。本文结合按需距离矢量(AODV)路由协议和地理位置协议,提出了一种适用于水下网络的路由协议——定向搜索AODV(DSAODV)路由协议。DSAODV协议利用地理位置信息约束路由请求分组(RREQ)寻找路由的范围,降低了路由寻径的开销,减少了网络拥塞。仿真结果表明,DSAODV协议在吞吐量、协议开销等方面都优于AODV协议。     

循环移位扩频水声通信

针对常规直接序列扩频水声通信数据传输速率低及M元扩频水声通信接收机复杂度高的问题，基于扩频序列优良的相关特性，提出循环移位扩频水声通信方法.在发射端，根据输入信息对基本波形进行循环移位编码；在接收端，利用快速相关技术进行时延估计及译码.进行了中远程湖上实验研究，在15 km距离，2 kHz带宽内，总数据传输速率可达438 bit/s, 误码率为10^-2—10^-5.实验结果表明该方法具有带宽利用率高、复杂度低的特点，适用于中远程及多用户水声通信. 关键词： 水声通信 扩频 循环移位 时延估计     

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.     

正交M元码元移位键控扩频水声通信

M元和码元移位键控(CSK)扩频在水声通信中被广泛采用来克服扩频增益对通信速率的限制。为了获得更高的通信速率,文章基于Gold序列较大的码本数量、良好的自相关和互相关特性,提出正交双通道的M元和CSK相结合的水声通信方法。通过公式推导描述了正交M元CSK的调制和解调流程及影响其性能的因素。并且,通过与双通道M元CSK的仿真比较,得到正交M元CSK的误码率曲线。最后,通过实验验证了仿真的有效性。并实现了10 kbits数据量下1096.8 bps通信速率的无误码传输。通过推导、仿真和实验,可以得到这样的结论:正交M元CSK提供了优良的通信性能。     

基于改进卡尔曼滤波的水声通信盲自适应多用户检测算法

针对水声通信网络中遇到的多用户检测中目标用户的多址干扰等检测问题,提出了基于改进Kalman算法的盲自适应多用户检测算法,解决了多用户检测中的多址干扰对水声通信信道用户变动时的干扰抑制问题。仿真分析分别针对同步多用户、异步多用户通信过程,对比了传统Kalman算法及改进的Kalman算法的性能差异,通过仿真对比表明,改进后的Kalman检算法不需要训练序列即可以实现同步和异步通信状态下的多水声目标用户的盲自适应检测,改进后的算法目标检测的信干比比传统算法最大可提高6dB。新算法对于水下多用户检测、区分,准确、稳定的实现基于CDMA协议的快速水声通信具有重要意义。     

定向传输水声通信网络介质访问控制协议

针对水声通信网络吞吐量低、通信隐蔽性差、隐藏终端等问题,提出一种定向传输水声通信网络介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议。协议中各节点采用定向模式传输数据,不需要邻节点位置等先验信息。通过发送节点顺序连续发送传输请求(Request To Send,RTS)信号、维护邻节点相对位置信息表及定向虚拟载波监测等技术实现网络高效无碰撞运行。本协议可有效解决水声通信网络中存在的由非对称增益导致的隐藏终端问题,增加网络覆盖范围,提高通信隐蔽性。仿真结果表明,所提MAC协议能够显著提高水声通信网络吞吐量性能。      

隐蔽通信中基于水声信道的密钥生成技术*

水声传感器网络实现了高度智能化、自主性强、分布式、全天候的水下信息采集、传输、处理及融合，是水下目标的监测、定位、跟踪与分类等应用的最佳选择之一。针对隐蔽传输中的加密，提出了基于水声信道响应特征产生密钥的方法，通过利用水声信道的短时相关性，通信双方实时的产生加密密钥，以保证信息的保密性能。通过将信息隐藏技术和密钥生成技术相结合，确保水声信息的隐蔽传输。仿真与试验结果表明，基于提出的密钥生成方法能够生成匹配密钥，为水声隐蔽通信提供加密支持。     

近程高速水声毫米波通信仿真与试验验证*

水声信道的严重双扩特性极大地限制了水声高速通信的稳健性。针对近程高速水声通信技术的需求,该文基于水声毫米波频段,提出了一种基于超奈奎斯特发射技术及高阶调制技术的单载波的水声毫米波通信技术。而超奈奎斯特发射技术以及高阶调制给接收机带来了极大的挑战:一是超奈奎斯特发射技术引入了严重的符号间干扰,二是高阶调制系统的符号检测对信道估计的精度要求很高。针对以上问题,该文提出了一种基于迭代信道估计技术的迭代软反馈DFE接收机技术。仿真实验表明:采用128QAM高阶调制时,在较为严重的多途衰落信道条件下,采用所提出的接收机可以在15 dB时实现无误码传输。信道水池试验证明:当通信带宽为300 kHz,通信符号率为300k符号/秒且采用64QAM调制时,在发射平台慢速运动的条件下可以实现900 kbps的净数据率,其相应的频谱利用率高达6 Bits/s/Hz。     

水声通信中基于信道辨识的盲turbo均衡方法

水声信道多途效应明显,造成接收信号存在严重的码间干扰(ISI,Intersymbol interference)。基于最小均方误差(MMSE,Minimum mean square error)准则的turbo均衡器级联了均衡和信道译码,能够有效去除ISI,并获得优良的性能。由于水声信道的时变性,传统MMSE-turbo均衡需要周期性的训练序列,以实现连续可靠的通信。训练序列虽然提高了通信的可靠性,但降低了信息的有效传输速率。因此,为提高通信效率,本文提出了一种盲turbo均衡方法,该方法通过引入新的盲信道辨识器来同时获得信道估计响应和已去除部分ISI的初步均衡输出信号,并为turbo均衡提供初始的响应参数和比特软信息。与水声通信中应用较多的盲判决反馈均衡器(DFE,Decision feedback equalizer)相比,海上实验结果证明本文提出的盲turbo均衡方法抗信道多途衰落的能力较强,并且与传统MMSE-turbo均衡相比无需训练序列,因此提高了信息的有效传输速率。     

A Cooperative Quantum Anonymous Transmission with Hybrid Entanglement Swapping

Motivated by hybrid entanglement swapping, a cooperative protocol for quantum anonymous transmission is proposed. In the protocol, three pairs of hybrid-entangled photons are deployed in the small-scale quantum network, where a photon is traveling from one random participant to another. After performing by entanglement swapping among all participants, the anonymous transmission system is established in a cooperative way. Analysis shows that the proposed scheme achieves the secure anonymity for both sender and receiver. In addition, it can transmit quantum message with high efficiency.     

Novel Multiparty Controlled Bidirectional Quantum Secure Direct Communication Based on Continuous-variable States

A novel multiparty controlled bidirectional quantum secure direct communication protocol combining continuous-variable states with qubit block transmission is proposed. Two legitimate communication parties encode their own secret information into entangled optical modes with translation operations, and the secret information of each counterpart can only be recovered under the permission of all controllers. Due to continuous-variable states and block transmission strategy, the proposed protocol is easy to realize with perfect qubit efficiency. Security analyses show that the proposed protocol is free from common attacks, including the man-in-the-middle attack.     

Quantum secure direct communication with cluster states

A quantum secure direct communication protocol with cluster states is proposed.Compared with the deterministic secure quantum communication protocol with the cluster state proposed by Yuan and Song(Int.J.Quant.Inform.,2009,7:689),this protocol can achieve higher intrinsic efficiency by using two-step transmission.The implementation of this protocol is also discussed.     

联合空时编码的水声多用户节点协同并行传输多址接人协议设计

针对水声信道长传播时延特点导致水声通信网吞吐量低的问题,提出了一种多节点协同并行传输的多址接入协议。该协议由接收端发起预约,在距离认知的基础上对预约节点划分协同传输小区,从而构建多用户节点的多输入多输出集中式网络架构;采用空时码对数据包编码,并合理规划数据包的发送时刻,使同一小区的多个用户节点发送的数据包在设定时间偏差范围内同时到达接收端,而不同小区的数据包以包链形式到达,实现多用户节点的无干扰、高效并行传输。仿真实验结果表明,与已有的其它两种协议相比,设计的协议通过空时复用的方法大幅缩短了平均端到端时延,显著提升了归一化网络吞吐量。      

水声通信实验信道仿真研究

水声信道的时变多途特性对其中通信信号传输构成严重影响，为了分析评估现实实验信道条件下水声通信系统的性能，给出了一种基于实验测量的水声信道仿真方法。此方法通过发射线性调频脉冲以检测信道多径结构，同时分别采用自回归模型与多普勒时间压扩来仿真信道中各路径的时变幅度与时变延迟。通过一个具体的直接序列扩频水声通信系统，表明在仿真与实验信道条件下系统性能具有较好的一致性。     

Quantum Secure Direct Communication with Two-Photon Four-Qubit Cluster States

In a quantum secure direct communication protocol, two remote parties can transmit the secret message directly without first generating a key to encrypt them. A quantum secure direct communication protocol using two-photon four-qubit cluster states is presented. The presented scheme can achieve a higher efficiency in transmission and source capacity compared with the proposed quantum secure direct communication protocols with cluster states, and the security of the protocol is also discussed.