水声通信技术综述

受制于严重的衰减,电磁波在水中的传播距离非常有限,因此以声波为载体的水声通信是在水下实现无线信息传输的主要方式。水声通信无论是在军事方面还是在民用方面都有重要的作用,随着人类加快开发海洋的步伐,对水声通信技术的需求也变得越来越迫切。文章对水声通信技术进行了综合介绍。首先介绍了水声通信的概念和意义,着重分析了水声信道的特点以及水声通信面临的困难,然后对目前应用较多的几种典型水声通信技术进行了介绍,最后对水声通信技术的发展方向进行了展望。     

激光通信

研究了星间激光通信中不同波长光放大器的应用方案,提出并分析了对应的应用技术难点。对激光在大气中传输特性的研究,有助于了解激光通过大气信道传输时所产生变化的特征、规律和在空一地激光通信系统设计中寻找到合理的解决方案并很好地修正、补偿其对通信链路的影响。对激光在大气信道中的基本     

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。     

大气信道对空-地光通信的影响分析

大气随机信道对激光传输性能的影响是制约空-地激光通信的重要因素之一，因此开展对大气信道的研究对实现空-地激光通信具有非常重要的意义。对激光在大气中传输特性的研究，有助于了解激光通过大气信道传输时所产生变化的特征、规律和在空-地激光通信系统设计中寻找到合理的解决方案并很好地修正、补偿其对通信链路的影响。本文对激光在大气信道中的基本传输特性及大气随机信道对激光通信的影响进行了研究，同时提出了一些相应的解决途径。     

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。     

海洋气泡对水下量子通信性能的影响

随着水下无线通信的发展,关于海洋环境量子通信的研究也逐渐成为热点。其中,研究海洋气泡对光量子在水下传输的影响具有重要意义。为了研究海洋气泡对水下量子通信信道性能的影响,根据海洋气泡的粒径分布模型,研究了气泡的散射特性,并根据气泡的消光系数,分析了不同条件参数对链路衰减、纠缠度、信道容量以及信道误码率的影响,并进行了仿真实验。结果表明：气泡浓度和传输距离的增大,使链路衰减和误码率增加,对于幅值阻尼信道、退极化信道和比特翻转信道,其信道容量均有所减小;随着气泡半径的增大、深度的减小,信道纠缠度降低。由此可见,海洋气泡对量子通信性能的影响不可忽略,在实际应用中为了保障水下量子通信的传输效率,应适当调节水下量子通信相关参数,减小海洋气泡环境对通信系统的影响。     

海面冰层对声波的反射和散射特性

北极海面冰层复杂多变,其对声波的反射和散射严重影响冰下水声信道的传输特性,建立海面冰层的声波反射和散射模型对冰下水声通信研究具有重要意义.假设海面冰层为多层固体弹性介质且冰-水界面粗糙,满足微扰边界条件,导出声波从海水介质入射到海面冰层时相干反射系数满足的线性方程组.对相干反射系数随声波频率、掠射角、冰层厚度的变化进行数值分析.进一步引入根据散射声场功率谱密度计算散射系数的方法,改变掠射角,对冰层厚度、散射掠角对散射系数的影响进行研究.     

自适应功率分配可见光MIMO信道容量研究

可见光通信（VLC）系统通常采用多阵列光源布局方式来兼顾照明与通信双重功能，因此需要使用多输入多输出（MIMO）技术进行多天线协同传输来实现高速率通信。然而传统MIMO系统中采用平均功率分配来实现空间复用，无法充分体现MIMO多天线协调传输的优势。根据每组收发天线信道状态的差异，设计了一种低计算复杂度的快速迭代注水算法，可实现依据信道特征自适应的分配信息，从而提高系统的信道容量。仿真结果表明:在相同信噪比情况下注水算法自适应功率分配系统比等功率分配系统的信道容量提高了1.25 bit/Hz左右。     

降雪对地表附近自由空间量子信道的影响及参数仿真

量子通信具有覆盖面广、安全保密的优势,是当前通信领域国内外的研究热点.在自由空间量子通信过程中,光量子信号需要在地表上空一定高度进行传输,因此各种环境因素,例如降雪、沙尘暴、降雨、雾霾、浮尘等,不可避免地会影响量子通信性能.然而,迄今为止,降雪对地表附近自由空间量子信道影响的研究尚未展开.为此,根据降雪的强度,将降雪分为小雪(S1)、中雪(S2)、大雪(S3)和暴雪(S4)四个等级.由于空中正在飘落雪花对光量子信号具有能量吸收作用,称为消光效应,不同强度的降雪,其消光效应对自由空间光量子信号的影响不同.本文首先建立了不同等级降雪对光量子信号消光效应的数学模型;然后建立了因降雪导致的自由空间消光衰减定量关系,信道极限生存函数、不同降雪强度下的信道容量和量子误码率等性能参数受降雪影响的变化情况;最后建立了降雪强度、传输距离与链路衰减、幅值阻尼信道容量、信道生存函数以及信道误码率的数学模型.仿真结果表明,当降雪强度为2.1 mm/d(S1),传输距离为2.2 km时,通信链路衰减为0.0362,信道容量为0.7745,信道生存函数为0.2329,信道误码率为0.0105.当降雪强度为3.8 mm/d(S2)。传输距离为3.5 km时,通信链路衰减为0.1326,信道容量为0.4922,信道生存函数为0.2099,信道误码率为0.019.由此可见,降雪对量子通信性能有不同程度的影响.所以在实际应用中应根据降雪强度大小,自适应调节量子通信相关参数,提高量子通信的可靠性.     

基于码移键控-光码分多址技术的光隐匿通信系统实验

为进一步提高光隐匿通信系统的安全性,提出了基于码移键控-光码分多址(CSK-OCDMA)技术的光隐匿通信方案,搭建了2.5Gb/s的实验系统。实验装置中采用低成本的分布反馈半导体激光器作为隐匿光源,宿主光源采用贴近波分复用(WDM)光网络实际的光波长转换板(OTU)。实验结果表明,隐匿信道可实现背靠背无误码传输,且隐匿信道的引入对宿主信道接收机灵敏度的影响仅为0.1dBm。在保证隐匿信道无误码传输的情况下,宿主与隐匿信号功率差最大可以达24.6dBm。加入前向纠错设备(FEC)后,实现了光隐匿通信系统100km无误码传输。     

基于高阶统计的水声信道盲辨识

本文给出了基于ARMA模型的水下通信系统模型,将一种基于三阶统计的算法应用到水声信道盲辨识领域,在不需要训练序列的条件下估计得到信道传输函数。与基于二阶统计特性方法相比,该算法具有较强的抗噪性,更适合信噪比低于12dB条件下水声信道的辨识。通过对水声信道盲辨识的计算机仿真,验证了该算法具有较高的辨识精度。     

Examination of time-reversal acoustics in shallow water and applications to noncoherent underwater communications

The shallow water acoustic communication channel is characterized by strong signal degradation caused by multipath propagation and high spatial and temporal variability of the channel conditions. At the receiver, multipath propagation causes intersymbol interference and is considered the most important of the channel distortions. This paper examines the application of time-reversal acoustic (TRA) arrays, i.e., phase-conjugated arrays (PCAs), that generate a spatio-temporal focus of acoustic energy at the receiver location, eliminating distortions introduced by channel propagation. This technique is self-adaptive and automatically compensates for environmental effects and array imperfections without the need to explicitly characterize the environment. An attempt is made to characterize the influences of a PCA design on its focusing properties with particular attention given to applications in noncoherent underwater acoustic communication systems. Due to the PCA spatial diversity focusing properties, PC arrays may have an important role in an acoustic local area network. Each array is able to simultaneously transmit different messages that will focus only at the destination receiver node.     

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.     

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。     

点对点移动水声通信技术研究

点对点移动水声通信是实现由活动和静止节点共同构成的水声数据通信网的关键技术之一. 对移动水声通信声信道特性进行了分析,指出不同途径到达的声线对应的多普勒频偏不一致,进一步加大了多途扩展产生的码间干扰的复杂性,不利于水声通信. 提出单阵元被动式相位共轭镜信道均衡技术,可实时自动补偿多普勒频偏,并聚焦多途信号. 将单阵元被动式相位共轭应用于Pattern时延差编码移动水声通信系统,进行了移动水声通信试验,湖试结果验证了其消除码间干扰性能及本文水声通信系统的鲁棒性. 关键词： 移动水声通信 被动式相位共轭镜 时变信道 码间干扰     

正交频分复用在水声通信中频率同步的研究

正交频分复用（OFDM）通信系统对频率偏移比较敏感，容易导致系统性能急剧下降。水声通信中存在着严重的多普勒频率偏移，限制了OFDM技术在水下的应用。本文仿真分析了频率偏移对OFDM系统的性能影响，提出了一种适用于水声通信的频率同步方法。本方法不仅可以对固定的频率偏移进行估计，也可以对连续变化的频率偏移进行估计。仿真表明，本方法具有较高的频偏估计精度和大的频偏估计范围。湖试结果也表明，采用这种方法可有效地进行频偏估计。     

基于基追踪去噪的水声正交频分复用稀疏信道估计

针对传统的l₂-范数信道估计精度低的问题, 提出了一种基于基追踪去噪(BPDN)的水声正交频分复用稀疏信道估计方法, 该方法针对水声信道的稀疏特性, 利用少量的观测值即可以很高的精度估计出信道冲激响应. 与贪婪追踪类算法相比, 基于BPDN算法的稀疏信号估计具有全局最优解, 采用l₂-l₁范数准则估计信号, 同时考虑了观测值含噪情况, 通过调整正则化参数控制估计信号稀疏度和残余误差之间的平衡. 仿真分析了导频分布、正则化参数等对BPDN 算法的影响以及BPDN算法与最小平方(LS)、正交匹配追踪(OMP)信道估计算法的性能. 湖试结果表明, 在稀疏信道下, 基于BPDN的信道估计方法明显优于LS和OMP信道估计方法.     

A high-frequency warm shallow water acoustic communications channel model and measurements

Underwater acoustic communication is a core enabling technology with applications in ocean monitoring using remote sensors and autonomous underwater vehicles. One of the more challenging underwater acoustic communication channels is the medium-range very shallow warm-water channel, common in tropical coastal regions. This channel exhibits two key features-extensive time-varying multipath and high levels of non-Gaussian ambient noise due to snapping shrimp-both of which limit the performance of traditional communication techniques. A good understanding of the communications channel is key to the design of communication systems. It aids in the development of signal processing techniques as well as in the testing of the techniques via simulation. In this article, a physics-based channel model for the very shallow warm-water acoustic channel at high frequencies is developed, which are of interest to medium-range communication system developers. The model is based on ray acoustics and includes time-varying statistical effects as well as non-Gaussian ambient noise statistics observed during channel studies. The model is calibrated and its accuracy validated using measurements made at sea.     

水声通信中后验符号概率密度分布及概率成形容量分析

考虑到实际水声信道复杂特性对水声通信的影响,对系统的通信容量进行计算分析,并研究了一种适用于水声信道的容量评估算法。文中通过对不同条件下的均衡器输出的后验符号特性进行统计分析,提出了一种基于后验高斯分布的符号方差分段转移函数模型。在此基础上,采用Maxwell-Boltzmann分布来改变均衡器输出符号的成形分布,即引入概率成形技术对实际的水声通信系统容量进行评估分析。最后通过对水池和湖试多径信道数据的处理,获得了不同调制方式下的通信容量。结果显示,在特定的信噪比区间内,概率成形技术比传统的等概率映射的容量提升最大可达0.5 bits/symbol。