基于OPNET的水声网络信道仿真研究

水声网络是实现海洋监测、数据采集以及战略通信等的重要手段,但其受水声信道特性制约严重。为此,从介绍水声信道的特性出发,采用Thorp经验公式模拟海水吸收特性,在此基础上对路径损耗进行仿真解算,并改进Wenz噪声模型使之更好地接近水声信道的特性。进而,通过改进OPNET平台内置的传播时延阶段、接收机功率阶段、背景噪声阶段设计水声信道OPNET模型,使其适合水声信道,基本实现对真实信道的近似模拟。最后,设计OPNET移动网络模型,将模拟的水声信道加进移动网络进行仿真,分析水声信道特性对网络性能的影响。     

冲突避免的水声网络拓扑发现协议

当水声网络的所有节点完成在目标区域的部署后,每个节点除了自己的节点ID已知外,对新网络的信息一无所知,而这些信息是网络顺利运行的必要前提。因此,一个能够完成网络中所有节点和链路发现的网络拓扑发现协议是非常必要和重要的。水声拓扑发现协议完成的效率,往往依赖于信道接入策略的选择,但它不能完全使用已有的水声多路访问控制(multiple access control, MAC)协议,因为在网络建立的初始阶段拓扑未知,已有传统水声MAC协议不能完成拓扑发现,所以需要根据这一阶段的特殊状态来设计拓扑发现协议。基于此问题,提出了一种高效的冲突避免的水声网络拓扑发现(简称为CFVE)协议,该协议利用网络中节点ID的唯一性,在其特定时隙接入信道,节点无冲突地发现控制分组的交换,最终实现网络中所有链路和节点的发现。仿真结果表明, CFVE协议可以以较低的发现时延和能耗完成全网拓扑的发现,是一种适合于多跳水声网络的拓扑发现协议。     

基于强化学习的频谱决策与传输算法

在认知无线电(CR)通信中,各信道可能具有不同的带宽、干扰强度和主用户冲突概率,如何据自身业务特性选择最佳信道和传输策略是系统设计的关键问题之一.提出一种基于Q学习的在线学习算法,用于解决多用户多信道CR系统中的信道选择与自适应传输问题.在不知道信道状态信息和主用户业务特性情况下,通过在线学习,获得各种环境下的最佳频谱选择与自适应传输策略.为验证所提方法的有效性,采用随机频谱选择算法和最小干扰频谱选择算法与所提方法进行比较.仿真结果表明,提出的方法通过在线学习实现了认知无线电的自适应控制,能够有效增加认知无线电的通信性能.     

基于不完美CSI的水声自适应功率分配算法

水声信道面临带宽资源有限、环境复杂的问题，为提高水下通信速率，基于水声传感器网络的海洋应用提出自适应通信的需求。传统基于简单信噪比指标的自适应资源分配算法无法准确表述衰落信道的统计特征，利用强化学习和卷积神经网络预测信道的方法虽然可以提高一定信道状态信息(channel state information, CSI)的准确性，但这种方法需要长期的观测和大量的训练样本，不符合水声环境的实际情况。对比，构建了一种中继放大转发协作正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)通信的模型，解决了由于节点漂浮导致直接通信传输效率变低的问题，并提出一种在时延反馈CSI中基于OFDM的自适应功率比特分配算法，利用条件概率表征不完美的CSI,调整自适应通信参数，进行遍历容量最大化建模。仿真结果表明，该算法实现功率和比特的联合自适应分配，平均传输速率指标优于直接反馈CSI的功率分配算法，虽然略低于采用马尔可夫链预测信道的方法，但结合算法复杂度来看，所提算法更简单，更适合能量有限的水声传感器网络。     

海洋信道仿真软件HJRAY及其在水声通信中的应用

海洋声信道特性十分复杂，对水声通信信号传输构成严重影响，包括能量衰减、多途扩展以及多普勒频移等。为了具体模拟海洋信道对其中传输的声信号的影响，培出了一个新的海洋信道仿真软件-HJRAY.HJRAY通过对海洋环境中各种物理特性的模拟以及对声线轨迹常微分方程组的解算，合成海洋信道的时变冲激响应，获取通信链路接收水听器端信号，为仿真评估现实信道条件下水声通信系统性能提供基础。结合一个具体的直接序列扩频方案，验证了HJRAY在水声通信仿真中的有效性。     

面向OFDM-MFSK水声通信的差错控制方法

多进制频移键控正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing multiple frequency shift keying, OFDM-MFSK)调制能抵抗水声信道中的多径衰落和多普勒效应, 且无需复杂的信道估计与均衡, 适合低成本的水声通信机设计。针对OFDM-MFSK水声通信系统, 提出了一种差错控制编码方法, 具体思想为在使用OFDM-MFSK传输原数据的同时调制子载波的相位以传输另一路编码, 接收端结合两种解调方式, 利用编码的差错图样与校验码实现数据的纠错。相比于其他前向纠错编码, 此种差错控制方法的码长短、编解码复杂度低, 结合OFDM-MFSK调制, 能在保证通信可靠性和实时性的同时降低水声通信系统的实现成本, 适用于低速率水声通信系统的设计。     

正交频分复用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,提出了一种正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)技术和循环移位键控(cyclic shift keying, CSK)技术相结合的调制方式,该调制能很大程度地提高系统的带宽使用率。从理论上对该方法在高斯白噪声信道条件下的误码率进行了分析。同时,采用Chu序列作为扩频序列,通过理论推导得出其峰均功率比(peak to average power ratio,PAPR)的上限为3dB。利用实际湖试测量得到的多径信道模型,与DSSS-OFDM方法进行了误码率性能的分析比较。结果表明,新提出的方法具有很好的抗多径性能,且具有带宽利用率高、复杂度低的特点,适用于中、远程及多用户水声通信。     

水声网络链路层协议的仿真研究

链路层协议的设计是水声网络的关键技术之一。它通过控制数据收发,实现网络数据包的可靠、有效传输,进而为网络层提供服务。针对水声通信系统低速率、高延时和低可靠性等特点,利用网络仿真软件OPNET对采用ALOHA协议和MACAW协议的网络进行了完整建模,给出了对等式网络和主从式网络下两种协议在吞吐量、丢包率、平均时延和能耗四个方面的仿真结果。通过对仿真结果的分析,为实用协议的设计提供了有效的参考数据和策略。     

OFDM水声通信中基于压缩传感的稀疏信道估计

针对正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)水声通信中常规的最小均方（least square, LS）信道估计方法需要大量训练导频且得不到较高估计精度的问题,提出了一种基于压缩传感原理的OFDM稀疏水声信道估计方法。该方法首先以正交短时傅里叶基构成的训练波形为OFDM的导频来“感知”信道,然后利用压缩传感技术的稀疏重构算法来对信道进行重构。〖JP2〗基于实测水声信道的仿真结果表明,在相同估计精度前提下,基于压缩传感的信道估计方法较常规的LS算法所需训练导频数得到大幅度减小,传输效率得以提高,且对噪声的鲁棒性增强,较好地适应了双扩展稀疏水声信道,尤其适用于动平台OFDM水声通信系统。     

水声通信中基于信道估计的稀疏均衡算法研究

为实现相位相干水声通信系统的实时处理,降低由信道大时延多径结构所导致的接收算法复杂度与稳定性问题,提出了一种基于信道估计的多通道稀疏均衡算法.该算法针对水声信道的稀疏特性,采用稀疏算法减小均衡器的阶数,降低了系统复杂度;并且将变步长LMS算法与基于信道估计的完全反馈均衡器相结合,提高了均衡器性能;同时采用多通道可变步长算法,各个通道的步长可以独立的自适应调节,增加了均衡器的稳定性与灵活性.在实际湖试信道条件下的性能仿真表明:在10kin的距离上,与传统四通道DFE-LMS算法相比,此算法在降低稳态误差的同时,参与迭代计算的抽头数减少了78%,从而计算量大为减小,同时系统性能也得到了改善.     

基于复包络的目标回波信号高效仿真方法

目标回波信号是水声探测系统主要的信息来源。在水声对抗仿真系统中，目标回波信号的仿真逼真性和数据量又是制约仿真实时性的关键问题。因此，在仿真中有必要建立一种高效的目标回波仿真模型，既要真实仿真出实际系统中目标回波信号的特征，又要满足仿真实时性的要求。针对这一问题，提出了一种基于复包络的目标回波信号高效仿真方法，它以窄带信号的复包络为基础，综合了实际系统中多普勒频移和频率补偿的影响，更加符合实际目标回波的特征，且实时性好。该方法具有采样频率低，仿真数据量小的优点，能够满足仿真系统逼真性和实时性的要求，并已用于研制成功的水声对抗试验仿真系统，证明了该方法的正确性和有效性。     

Self-adjusting decision feedback equalizer for variational underwater acoustic channel environments

Aimed at the abominable influences to blind equaliza-tion algorithms caused by complex time-space variability existing in underwater acoustic channels, a new self-adjusting decision feedback equalization （DFE） algorithm adapting to different under-water acoustic channel environments is proposed by changing its central tap position. Besides, this new algorithm behaves faster convergence speed based on the analysis of equalizers’ working rules, which is more suitable to implement communications in dif-ferent unknown channels. Corresponding results and conclusions are validated by simulations and spot experiments.     

连续爆炸式水声干扰弹对抗仿真系统开发研究

以水下武器对抗作战为背景,设计开发了一种以连续爆炸式水声干扰弹为基础、基于声信号仿真的水声对抗仿真系统。在详细讨论了系统的模块组成及其相应仿真功能的基础上,构建出基于分布交互式体系结构的水声对抗仿真系统,特别给出了连续爆炸式水声干扰弹的声学模型与仿真模型,介绍了系统实现上的关键技术,最后以对抗某型鱼雷为例进行了仿真实验,证实了系统设计方案的可行性和有效性。仿真实例表明,该系统具有很好的实验研究功能。     

基于倒三谱初始化的Bussgang类盲均衡算法研究

水声通信信道带宽非常有限。与自适应均衡算法相比,盲均衡算法不需要训练序列而节省了带宽,特别适合于高速水声通信和多点通信。Bussgang 类盲均衡算法计算简单,但收敛速度慢,且对权向量的初始化很敏感。不恰当的初始化会造成算法收敛到局域极小值。多谱类盲均衡算法收敛速度快,且是全局最优的,但计算量大,不利于硬件实现。本文利用倒三谱,根据倒三谱累积量方程,由一般数据计算得到倒谱参数,从而直接估计出均衡器参数,对Bussgang类算法进行初始化,大大加快了算法的收敛速度,保证了算法收敛到最优。通过对浅海信道均衡的计算机仿真,证明了该方法的有效性。     

水声目标辐射噪声的建模与仿真技术研究

海洋环境与目标特征的复杂性深刻影响着声纳设备的使用性能,仿真是掌握声纳设备在多变的海洋环境能够达到的实际性能的重要手段。针对声纳设备使用性能分析的仿真包括海洋环境仿真、目标特性仿真和声纳装备仿真,其中目标辐射噪声信号的建模仿真是整个仿真过程中的重要组成部分。介绍的对目标辐射噪声信号的仿真建模方法可用于分析和研究声纳的被动探测能力,对声纳设备的操作使用与发展研究具有重要意义。     

水声信道非线性均衡的研究

对浅海信道传输的声信号进行深入分析,在对判决反馈均衡(DFE)算法进行分析的基础上,对稀疏权DFE均衡器信道估计的均方误差(MSE)、信道的稀疏估计等进行了分析研究,并对信道进行了稀疏化估计,对全阶均衡器和稀疏权均衡器进行了仿真,证明对非线性均衡器结构进行稀疏化是可行的,降低了算法复杂性,并使由此造成的性能下降限定在一定的范围内。     

声自导鱼雷反水声对抗仿真研究

通过分析声自导鱼雷反水声对抗的目标和手段,以声诱饵为对抗对象,对三种智能型声自导鱼雷的反水声对抗能力进行了仿真研究。根据合理的评估准则,对仿真结果进行的分析表明,现有水声对抗器材对于智能型声自导鱼雷的防御效果有限。提出了水声对抗器材改进的思路,指出实施网络化水声对抗是一种可行的方案。     

船舶辐射噪声盲分离技术仿真研究

基于盲分离的思想，船舶辐射噪声可通过盲源分离技术重构出相应的原始辐射信号。仿真实验研究了两种情况的源分离：从单船舶辐射噪声信号谐波成分的分离；多船舶辐射混合信号中分离出每条船只对应的原始辐射信号。采用理论模型产生的模拟数据与实际录音数据进行的实验，得到了满意的结果。文中采用神经网络自适应在线学习算法，算法稳定性好、收敛速度快，在极低的信噪比下仍具有很好的分离效果。