基于深度神经网络的高环境 适应性水声通信系统研究

深度神经网络中的自动编码器(Autoencoder,AE)通过收发端两个神经网络模块进行全局优化,利用端到端的训练方式以提高通信系统的可靠性.然而,现有对AE的研究未针对信道进行特殊设计,尤其对于时变的水声信道的多径效应,难以进行灵活调整,降低了该方法的实用性.本文提出一种提高水声通信系统信道环境适应性的Attention-Autoencoder网络模型,基于Attention网络可以高效地从大量信息中筛选出关键信息的特点,设计了一种针对水声信道的Attention机制,该机制能够增加网络提取水声信道特征的能力,使系统的适应性大大提高.仿真验证和湖试实验结果表明,基于Attention-Autoencoder网络模型的通信系统与基于文献中AE模型和没有引入神经网络的水声通信系统相比,具有更高的信道环境适应性.     

水声通信网络信道建模与仿真研究进展

水声通信网络在海洋目标定位和导航、资源勘探和开发、环境感知和监测等领域有重要应用,其中水声信道特性研究及其建模与仿真是建立通信网络的基础,而目前水声通信网络中的信道建模与仿真尚未有公认的标准方法.因此,基于对水声信道传播特性的分析,探讨了典型水声信道特性给水声通信网络设计带来的挑战;对比了经验模型、声场模型、基于本征路径的多径信道模型和基于统计特性的时变信道模型等水声信道模型,仿真结果表明:水声信道结构的变化明显影响接收性能;阐述了基于水声信道特性的水声网络仿真工具和方法,分析了其特点;最后进行了总结,并展望了未来水声通信网络信道建模与仿真的发展方向.     

基于截获因子的直序扩频水声通信隐蔽性能分析

研究了对数正态衰落水声信道条件下直接序列扩频通信的隐蔽性能.首先建立水声隐蔽通信系统模型,提出了基于可检测距离的截获因子作为衡量水声通信系统隐蔽性的方法.理论研究了直接序列扩频信号经过对数正态衰落水声信道传输后,截获接收机能量检测工作特性以及通信接收机同步相关检测特性和扩频通信误码性能.仿真分析了不同的信道衰减参数及信号参数、调制方式等对水声通信系统隐蔽性能的影响.仿真结果表明:在对数正态衰落水声信道条件下,直序扩频通信具有低截获通信能力;在一定条件下,降低发射载波频率、增大信号时间带宽积、降低调制阶数和通信速率将有利于提升水声通信隐蔽性;浅海信道比深海信道更利于隐蔽通信,近程水声通信比中远程通信更容易实现隐蔽.     

应用于水声OFDM通信系统的基于维纳滤波的信道估计

为了进一步提高水声OFDM通信系统的性能,本文主要研究了水声OFDM通信系统中基于维纳滤波的信道估计算法.该算法结合了水声信道的特点,采用梳状导频图案,对传统的LS算法进行了改进.在完成计算机仿真的基础上,该算法还在实际的水声信道厦门大学实验水池和厦门港浅海域进行实验.实验结果表明,该信道估计算法具有较好的精确度和稳定性,能够有效提高水声OFDM通信系统的性能.     

浅海水声通信网的FH-CDMA方案研究

首先简要介绍了水声通信网的概念和设计要求，然后对水声通信网的多址技术进行了探讨，提出了一种稳健的、适用于浅海水声通信网的跳频码分多址(FH-CDMA)方案．通过对浅海水声信道进行建模仿真，并在此基础上构建网络仿真系统，分析并比较了FH-CDMA方案在不同传输条件下的水声信道中的性能．仿真实验表明：在浅海信道环境下该方案具有较强的适应性．     

准循环低密度校验码在浅海水声通信系统中的性能

讨论了准循环低密度校验码(QC-LDPC)在浅海水声信道中的实现方案.选取合适的浅海水声信道模型,针对强多径干扰进行了仿真.仿真结果表明,采用和积译码算法的QC-LDPC码编码复杂度较低,但性能接近于随机构造的低密度校验码.受多径效应影响,在浅海水声系统中采用QC-LDPC码时,信道误码率会随着衰落率的减小而略有下降,但仍能保持较好的纠错性能.     

基于多任务损失附加语言模型的语音识别方法

针对Attention过于灵活的对齐方式在复杂环境中适应性差、简单端到端模型对语言特征利用不充分的问题,研究了基于多任务损失附加语言模型的语音识别方法.通过分析语音信号特征,训练中选用包含更多信息的特征.以基于Attention的Conformer端到端模型为基础,采用CTC损失辅助纯Conformer (Attention)的多任务损失训练模型,得到Conformer-CTC语音识别模型.在Conformer-CTC模型基础上,通过分析对比部分语言模型的特点与效果,将Transformer语言模型通过重打分机制附加至上述模型的训练中,最终得到Conformer-CTC-Transformer语音识别模型.在AISHELL-1数据集上对上述模型进行了试验.结果表明：Conformer-CTC模型相对于纯Conformer (Attention)模型在测试集上的字错率(character error rate,CER)降低了0.49%,而Conformer-CTC-Transformer模型相对于Conformer-CTC模型在测试集上的CER又降低了0.79%.CTC损失可以改善Att...     

水声通信信道中的OPNET建模与仿真

针对水声通信网络信道的实现开销大、复杂性高的特点,提出了一种能够仿真分析水声通信网络的有效方法.该方法分别使用OPNET中的Propagation-Delay-Stage,Receiver-Power-Stage和Background-Noise-Stage三个工具来仿真水声信道中的传播延迟、发射机功率和水声噪声(水声噪声包括紊流、船运、风波和热噪声).其中,Propagation-Delay-Stage采用MacKenzie速度模型;Receiver-Power-Stage中有Thorp,Schulkin&Marsh和Francois&Garrison 3种传播损失模型.在该方法中,首先仿真比较了取不同传播损失模型时的水声信道,然后根据仿真结果选择一个合适的水声信道,并采用MACAW协议来仿真水声通信网络.最后,通过仿真实验对整个水声通信网络的吞吐量、误码率、丢包率进行了分析.实验结果表明,采用该方法能够有效地仿真水声通信网络.     

矢量多载波多元差分混沌移位键控在水声信道下的性能研究

水声信道具有严重的时频双选择衰落特性,使得设计性能稳健的水声通信系统极为困难。为了克服水声信道时频双选择衰落带来的信道难以跟踪的挑战,提出一种采用非相干检测的多载波混沌通信系统,该系统基于差分混沌移位键控,将参考信号以及经扩频调制的信息承载信号当作矢量组,对这些矢量组进行离散傅里叶逆变换(inverse discrete Flourier transform, IDFT)完成多载波调制,经串-并转换后输出。在时频双选择性衰落信道下的仿真表明该系统具有良好的抗多普勒频移的特性,此外,在仿真水声信道和实测水声信道下的实验结果表明,该系统在水声信道下能够获得稳健的性能,相对于已有的多载波多元差分混沌调制方案,具有更好的抗时频双选择衰落的性能。     

水下声信道特性仿真实验

本文在水声双扩展信道的仿真方法的基础上进一步对信道全部有效多径的时变幅度以及多昔勒时间压扩因素进行测量仿真,并以一个实际直接序列扩频水声通信系统为例对仿真与实验结果进行比较。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通性能具有较好的一致性。     

基于多径参数模型和混合优化的时变水声信道跟踪

针对海洋水声信道的稀疏特性,将多径水声信道冲激响应建为一个由各多径分量的时延和幅度组成的多径参数模型.该模型中输入信号向量产生的响应与多径时延参数呈非线性关系,与多径幅度参数呈线性关系.基于此特点,针对海洋水声信道的时变特性,分别采用进化算法和LMS自适应算法对模型中的多径时延和幅度参数进行混合寻优,从而解决时变信道条件下模型参数寻优困难的问题.仿真及海试信道跟踪实验结果表明:采用多径参数模型可降低模型寻优对象的维数,减少运算复杂性,提高估计效率;采用混合优化算法可减少多径参数模型的非线性寻优的复杂度,与进化算法相比,该算法具有更优越的时变信道跟踪性能.     

基于Chirp-BOK扩频的水声通信系统

利用线性调频(Chirp)信号在水下通信中具有良好的抗噪声和抗多径特性,提出基于Chirp-BOK(binary orthogonal keying,二进制正交键控调制)扩频的水声通信系统。系统采用二进制正交键控调制以及匹配滤波接收器,利用正向调频信号和反向调频信号,结合BOK调制技术,实现适合水声环境的扩频通信系统。噪声信道和多径信道下的仿真实验结果表明,该系统具有良好的抗噪声和抗多径性能,适用于水声系统的扩频通信。     

浅海水声信道中Turbo码性能研究

针对复杂多变、强多途和大起伏的浅海水声信道,本文建立了包括时变衰落、多途和加性干扰在内的信道仿真模型及Turbo码编/译码结构.通过计算机仿真,研究了浅海水声信道中的Turbo码性能及Turbo码性能随多途效应、衰落率和信道交织器等的变化.结果表明:在水声通信可接受的信噪比范围内(10～20 dB),Turbo码具有良好的性能(误比特率小于10-4);浅海水声信道中,Turbo码性能随多途路径数的增加而下降;Turbo码性能随衰落率的减小而略有下降;浅海水声信道中,信道交织器可改善Turbo码性能,并弥补由于衰落率不同而造成的性能差异.     

水声OFDM系统多普勒频移和信道的联合估计

水声通信是近年来研究的热点,但由于水声信道本身的问题,如多径延迟、多普勒频移、信号衰减、窄带宽、时变等特点,使得水声通信传输数据速率低,传输误码率(BER)高.正交频分复用(OFDM)在水声通信中具有很大优势,但它对载波频率偏移(CFO)敏感.基于循环前缀正交频分复用(CP-OFDM)的水声通信系统,对多普勒引起的CFO进行补偿,同时利用延迟-多普勒域中的稀疏性对水声双选信道进行压缩感知信道估计.通过计算机仿真和水池实验,验证了这种双选信道估计的有效性和可靠性.     

DCT插值算法在OFDM水声信道估计中的应用

海洋声信道是一种复杂的时-空-频变参信道,信道估计的准确程度直接影响着整个系统的性能。本文首先分析了水下声信道估计的基本方法,介绍了基于DFT的信道估计算法,并重点介绍了离散余弦变换(DCT)的插值算法,最后在仿真得到的水声信道模型下对两种算法性能进行了仿真。基于DCT的信道估计算法在水声信道时延为非整数倍采样间隔时可有效抑制信号的频谱泄露问题,从而改善系统的性能,更加适合于时变的水声信道。仿真结果表明该算法在改善系统性能方面优于基于DFT的信道估计算法。     

π-旋转LDPC码在浅海水声信道中的性能研究

浅海水声信道具有快速时变、严重多径干扰和多普勒频移的特征,为保证水声数据传输的可靠性,需采用纠错能力强、编译码复杂度低的信道编码技术.低密度奇偶校验(low density parity check,LDPC)码凭借其逼近香农限的优势被选为水声信道编码方案,但其构造复杂度有待优化.本文介绍了一种码率为1/2的π-旋转LDPC码的构造方法,研究其在水声信道上的性能,并结合实际水声信道特点选择编译码参数.仿真结果表明:π-旋转LDPC码在浅海水声通信系统中可行有效,与准循环(quasi cydic,QC)LDPC码性能接近,优于随机LDPC码,在码长1 024bit、译码迭代次数为50时基本能满足水声通信误码率10-4的要求.π-旋转LDPC码对数据的存储空间需求相对较小、易于硬件电路实现,在水声通信系统中有广泛的实用前景.     

浅海水声信道自适应均衡算法

浅海水声信道是一个典型的带宽受限、时变衰落信道,存在着时变的多径扩展、频率偏移以及随机相位起伏.在水声相干通信中,自适应均衡是克服多径效应、消除码间干扰的主要手段.针对在实际应用中自适应均衡算法对步长参数选择的敏感性,进行了浅海信道水声相干通信均衡算法研究,结合录制的水声信道数据,通过Matlab软件,从星座图、算法收敛特性以及系统的误码特性这3个方面对几种均衡算法的性能进行了分析比较.结果表明,最小均方(LMS)平行滤波器组算法具有自适应调整步长的性能,且能获得较快的收敛速度和较小的误码率,验证了该算法在水声信道中的实用性.     

单载波高速相干水声通信技术研究

对单输入单输出系统(SISO)和单输入多输出系统(SIMO)单载波高速相干水声通信中时域判决反馈结合二阶数字锁相环路均衡技术进行了研究.采用低信噪比下鲁棒的稀疏水声信道估计算法(DAMP)估计信道,利用信道估计结果设计均衡器前馈、反馈阶数和均衡器初值,提高了系统鲁棒性.在厦门港进行了10km距离高速水声通信实验,结果表明:在厦门港10km距离,接收信噪比均值约为6dB的环境下,4kbit/s通信数据误码率均小于2%,传输图片清晰.结合多通道处理,误码率可降低到10-4数量级以下,提高了系统鲁棒性.     

凸组合实时判决反馈稀疏水声信道盲均衡算法

针对高速水声通信信道稀疏特性,提出了一种凸组合实时判决反馈盲均衡算法。将盲均衡器分为保持均衡器支路和稀疏均衡器支路,以保持均衡器能量和权系数的瞬时梯度为判据,对稀疏均衡器支路对应抽头进行实时稀疏化处理。算法中避免设置稀疏化阈值,对不同稀疏水声信道和通信信号具有通用性,且对于时变稀疏水声信道可以利用保持均衡器支路恢复稀疏均衡器支路置零抽头系数,使算法对信道具有较强跟踪和冷启动能力。典型稀疏水声信道条件下的仿真结果证明,凸组合实时判决反馈稀疏水声信道盲均衡算法性能稳健,与全阶判决反馈盲均衡算法相比,计算简单,收敛速度快,稳态剩余误差小,有利于算法在水声通信系统中的推广应用。     

基于LDPC编码的水声OFDM系统设计

水声信道是目前通信环境中最为恶劣的信道,只有采用强有力的调制编码方式才可能实现高速可靠的通信.笔者提出了一种水声LDPC-OFDM系统设计方案,采用LDPC码进行纠错,并用一个均衡器消除多普勒频移引发的载波间干扰,从而提高通信质量.仿真结果表明该方案能够得到理想的增益.