时间反转镜分类研究及其在水声通信中的应用

时间反转镜可在没有任何先验知识的情况下具有自适应匹配声信道的作用。主动式时间反转镜(ATRM)要求阵元收发合置,且信号需两次经过信道,效率低下,而阵处理则进一步增加了系统的复杂性,难以满足水声通信节点追求结构简单、低功耗的要求。为克服上述弊端,提出应用单阵元被动式时间反转镜(PTRM)和虚拟式时间反转镜(VTRM),并对单阵元时间反转镜的聚焦增益进行了讨论。计算机仿真结果表明,单阵元时间反转镜可聚焦多途信号,实时实现自适应信道均衡,从而抑制码间干扰、提高信噪比。     

FRFT在水声信道时延频移联合估计中的应用

由于水声信道的复杂性和多变性,信号在水声信道传播中将伴随着多径时延与多普勒频移,二者是水声信道估计中两个重要的参数。基于分数阶傅里叶变换(fractional Fourier transform, FRFT)的时延和频移特性,提出一种采用多分量线性调频(linear frequency modulated, LFM)信号的水声信道估计方法,通过分析分数阶傅里叶域上峰值的偏移,联立不同阶次的时延和频移方程,可得到水声信道的时延和频移值。理论推导及仿真结果表明,该方法计算量小,且随着LFM信号分量数和调频率差值的增大,能在一定程度上减小估计的时延误差和频移误差。水池实验中选用具有相反调频率的双LFM信号作为估计信号,估计出多径时延与运动目标的多普勒频移,并给出了水下目标的运动速度。实验结果表明,FRFT估计法简单有效,在水声信道多径时延与多普勒频移估计上具有较好的实际应用价值。     

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。     

8APSK_TCM编码调制方法在水声传输中的应用

论述了应用于水声信道的网格编码调制技术，分析了影响其性能的主要因素为有效编码长度，最小乘积距离；在此基础上，提出了基于水声信道的8APSK_TCM鳊码调制方法，并在给定的水声信道下进行了仿真，仿真结果表明：8APSK_TCM模式相对于标准的TCM模式在信噪比相同的情况下，降低了系统的误码率，改善了水声通信系统的可靠性。     

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。     

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。     

基于反馈信道状态信息的水声自适应OFDMA

在时变水声信道中, 为了提高自适应正交频分多址(orthogonal frequency division multiple access, OFDMA)在时延反馈信道状态信息(channel state information, CSI)条件下的资源分配性能, 提出多节点反馈CSI的时隙复用接入方法, 降低反馈时延; 提出载波时-频相关系数和载波时-频均值两种反馈CSI表征参数, 通过实验数据分析了两种反馈CSI参数及其对水声自适应OFDMA性能的影响; 提出多节点公平的自适应载波、比特、功率联合分配算法, 在最大功率和节点吞吐量约束条件下最小化系统误比特率。仿真和湖上实验数据的结果显示, 所构建的水声自适应OFDMA系统在多种反馈CSI条件下误比特率均低于交织载波分配, 表明其在实际的水声信道应用中具有良好性能。     

水下跳频通信系统的建模与仿真

水声信道是较为复杂的数据通信信道,为了满足水下安全可靠通信和组网的要求,提出了一种基于跳频技术的水下通信系统方案,建立了系统仿真模型和多径Rayleigh衰落水声信道模型。方案中采用了FH/MFSK调制技术,自适应跳频序列控制,信道纠错编码分别采用RS,卷积码,接收机采用空间分集,跳频序列控制的可控滤波器组以及基于周期图谱分析解码,并通过仿真研究比较了这些技术在水下多径信道中对系统性能的影响。结果表明采用该模型的通信系统水下跳频系统的具有很强稳健性,可以在低信噪比下具有良好的误码率性能。     

基于水声信道的Turbo均衡算法仿真研究

论述了应用于水声信道的Turbo均衡技术,针对水声信道多径衰落引起的码间干扰(ISD,提出了一种改进的Max-Log-Map算法,读方法基于马克劳林级数展开公式改进了Max-Log-Map均衡算法递归因子的求解方法,提高了算法性能,并在给定的水声信道下进行了仿真与分析,仿真结果表明:改进均衡算法与Max-Log-Map算法相比,在误码率为10-4时性能有近1dB的编码增益,与Log-Map均衡算法性能相近,有效地提高了水声通信可靠性.     

水声网络中喷泉码的应用研究现状与发展前景

水声传感器网络能够在一定范围内实现信息的传输和处理,是实现海洋数据收集、污染监测、军事侦察等水下应用的重要途径。然而水声信道固有的时空频变参数以及窄带、高噪、长时延等特征,使得构建鲁棒性水声网络面临巨大挑战。基于数字喷泉码的数据传输模式不需要有序的数据序列,从而简化了网络中数据传输方式,使得喷泉码成为一类适用于水声网络可靠通信的有效编码技术。综述了数字喷泉码的算法原理及研究现状,探讨了数字喷泉码在水声网络中的研究应用,最后对喷泉码在水声网络中的研究方向及发展前景进行展望。     

基于压缩传感的MIMO-OFDM水声通信信道估计算法

充分利用水声信道的稀疏特征,提出一种基于压缩传感理论的多输入多输出正交频分复用(multiple-input multiple-output orthogonal frequency division multiplexing, MIMO-OFDM)水声通信系统信道估计算法。在MIMO-OFDM水声通信系统模型的基础上,考虑Doppler频移的影响设计符合压缩传感理论框架的过完备字典,利用一系列非正交基在过完备字典下描述待重建信号。通过对比分析基追踪降噪、丹茨格选择器以及正交匹配跟踪3种算法的信道估计性能,进一步证明了算法的有效性。仿真实验结果表明,基于压缩传感的稀疏信道估计算法具有优于传统最小二乘算法的信道估计精度,并且在最小二乘矩阵求逆奇异的情况下仍能准确地估计出信道参数;在计及Doppler频移的影响时,直接压缩传感估计优于补偿后的压缩传感估计方法。     

聚焦波束形成声图近场被动定位技术仿真研究

介绍了一种近场高精度被动定位方法——聚焦波束形成声图定位。针对全方位扫描声图定位计算量大的问题,提出了先利用中阵测向再对测得方位附近小角度进行扫描的方法,可有效减少计算量;针对单一频段存在声干涉现象提出了分频段融合的方法,可有效抑制因阵形产生的声干涉,降低声图旁瓣;为了克服多途干涉对声图质量的影响,分别采用了虚拟时间反转镜和虚阵抗多途测量技术,均能很好地抑制多途。以水平线阵为模型的仿真结果表明,聚焦波束形成技术能够实现被动目标的近场高精度定位。     

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。     

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。     

基于分数阶Fourier变换的水声信道参数估计

提出基于分数阶Fourier变换(FRFT)对水声信道参数进行估计。分数阶Fourier变换存在相应的最佳分数阶数使给定的chirp信号能量聚集于一最大值,且具有时移、频移特性,使其可适用于存在多途扩展及多普勒频偏的声信道参数估计。通过计算机仿真验证,当存在较大的多普勒频偏时,拷贝相关器将不适用,而FR-FT具有很好的鲁棒性,可估计存在多普勒频偏的多途声信道参数。     

基于短时傅里叶变换的水声通信自适应OFDM均衡

由于水声环境时变特性,在水声信道中进行正交频分复用(orthogonal frequency division multi plexing,OFDM)信号传输,子载波间的正交性易受到破坏,从而产生载波间干扰,使得水声通信的误码率性能变差。针对这个问题,提出一种适用于水下时变信道的自适应OFDM均衡算法,该算法采用滑动窗口进行子块短时傅里叶变换获得接收信号的二维时频谱,进而对该二维时频谱进行自适应时-频域联合合并均衡。该自适应均衡算法中采用最小均方误差算法跟踪信道时变特性,并通过自适应判决反馈均衡更新二维时频谱的加权合并系数,提高了OFDM系统抗载波间干扰的性能。仿真分析表明,所提出的OFDM均衡算法可在时变信道下,有效降低水声通信的误码率。