Underwater Acoustic Communication Based on Multicarrier Modulation.pdf

1、水聲（UWA）通信是一個(gè)受到各類研究人員的廣泛關(guān)注的學(xué)科，越來(lái)越多應(yīng)用在沿海監(jiān)控系統(tǒng)，環(huán)境研究，自治水下機(jī)器人（AUV）操作，深?？碧剑占茖W(xué)數(shù)據(jù)等軍事和商業(yè)領(lǐng)域。建立一個(gè)結(jié)構(gòu)靈活簡(jiǎn)單，能夠應(yīng)對(duì)各類復(fù)雜多變的海況且實(shí)時(shí)、高效、穩(wěn)定的水下通信系統(tǒng)是水聲通信研究的主要目標(biāo)。然而，水聲信道所具有的緩慢的時(shí)變性、較窄的相干帶寬、較高的背景噪聲以及對(duì)非一致多普勒變化敏感的信號(hào)使水聲通信成為無(wú)線通信中最具挑戰(zhàn)性的研究方向。
　　隨著自適應(yīng)判

2、決反饋均衡等信道均衡技術(shù)在水聲通信領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，通信速率更高的相移鍵控調(diào)制一度成為了水聲通信的應(yīng)用首選。然而隨著通信速率的提高，相干水聲通信符號(hào)持續(xù)時(shí)間縮短，導(dǎo)致均衡器的復(fù)雜度急劇升高，阻礙了其在高速水聲通信領(lǐng)域應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。因此，本文中采用了具有更高頻譜效率、更簡(jiǎn)單均衡方法的正交多載波（OFDM）技術(shù)作為高速水聲通信的研究方向。OFDM技術(shù)選擇性衰落的頻域信道均分成若干個(gè)平坦衰落的子信道，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)均衡器結(jié)構(gòu)；通過(guò)增加保

3、護(hù)間隔以減輕由無(wú)線信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展所引起的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)的影響。
　　本文的主要工作主要有三個(gè)方面。
　　1.基于 OFDM技術(shù)的高速水聲通信設(shè)計(jì)。OFDM技術(shù)的主要缺點(diǎn)之一就是其對(duì)多普勒頻偏較為敏感。受低聲速和低載波頻率的影響，通信載體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和風(fēng)浪引起的海洋界面起伏都會(huì)給 OFDM信號(hào)帶來(lái)較大的多普勒頻偏，導(dǎo)致各個(gè)子載波間的正交性不能保持，致使 OFDM信號(hào)失真。實(shí)時(shí)有效的多普勒跟蹤和補(bǔ)償算法是避免由于運(yùn)動(dòng)所引起的

4、信號(hào)失真問(wèn)題的主要手段。本文設(shè)計(jì)了反轉(zhuǎn)單頻的多普勒跟蹤算法，該算法可以在一個(gè) OFDM符號(hào)內(nèi)跟蹤信道的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而解決多普勒擴(kuò)展的補(bǔ)償問(wèn)題。撫仙湖自發(fā)多普勒補(bǔ)償通信實(shí)驗(yàn)和蓮花湖移動(dòng)（接收船與發(fā)送船相對(duì)徑向速度達(dá)4節(jié)）通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該算法的有效性。2.分析了氣候變化對(duì)水聲通信的影響。本文根據(jù)阿拉伯海北部海溫暖地區(qū)全年的氣候變化趨勢(shì)給出了相應(yīng)的水聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以提升通信質(zhì)量。本文采用 Bellhop仿真軟件根據(jù)阿拉伯海北部海溫暖地區(qū)

5、實(shí)測(cè)的不用季節(jié)（3月、6月、9月和12月）的海水鹽度、水溫梯度、聲速梯度等條件產(chǎn)生相應(yīng)的靜態(tài)多徑時(shí)延信道模型。同時(shí)，在仿真過(guò)程中考慮了多普勒對(duì)通信系統(tǒng)的影響，通過(guò)計(jì)算給出了傳輸?shù)腛FDM符號(hào)在相對(duì)運(yùn)動(dòng)15節(jié)時(shí)的時(shí)域擴(kuò)展結(jié)果。本文中所采用的海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全部來(lái)源于開(kāi)源浮標(biāo)ARGOS ID2901374以及Global ARGOS海洋圖集（全球衛(wèi)星跟蹤和環(huán)境監(jiān)測(cè)）。
　　3.設(shè)計(jì)了基于 OFDM的移動(dòng)水聲通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合考慮了由于通

6、信載體相互運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的多普勒影響和由于風(fēng)浪造成的不同多徑信號(hào)樣本的多普勒區(qū)別，對(duì)信道進(jìn)行了動(dòng)態(tài)建模。
　　4.最后，本文考慮到海洋動(dòng)力學(xué)中的所有主要方面，闡述了一個(gè)由于海面風(fēng)浪擴(kuò)展及發(fā)射平臺(tái)和接收平臺(tái)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的時(shí)變聲波傳播。在實(shí)際設(shè)計(jì)通信信道之前，要對(duì)相應(yīng)的通信方案進(jìn)行仿真，而仿真工作中最重要、最基本的要求就是動(dòng)態(tài)信道建模。為了對(duì)多普勒畸變進(jìn)行建模及相應(yīng)的補(bǔ)償，必須正確追蹤在動(dòng)態(tài)信道條件下傳播的聲波。本文對(duì)單輸入多輸出的

7、SIMO-OFDM系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)信道建模。本文對(duì)動(dòng)態(tài)多途信道建模，該信道具有11個(gè)水聽(tīng)器陣列，建模工作基于 BELLHOP射線追蹤模型和時(shí)變聲傳播模型（TV-APM），信道模型的條件參數(shù)來(lái)自于阿拉伯海北部地區(qū)。需要設(shè)置的條件參數(shù)是對(duì)選定區(qū)域的定義，包括表面、水深和聲速剖面，從而產(chǎn)生運(yùn)行 Bellhop.exe所需要的環(huán)境文件（.env）。其他條件參數(shù)包括風(fēng)速及其角度，聲源速度，接收陣列速度，海底地貌，聲速剖面，w.r.t.聲源和接收陣列