AUV水聲通信系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著海洋資源開發(fā)與利用的不斷發(fā)展，自治水下機器人（AUV）作為一種重要的水下無人潛器，在海底地形探測、海洋資源勘探等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。利用水聲通信技術(shù)可以實現(xiàn)對AUV平臺的控制以及 AUV數(shù)據(jù)的實時傳輸，水聲通信是AUV進行水下作業(yè)的重要技術(shù)保障。水聲信道固有的長時延、強多途、高噪聲、可用帶寬受限等特點，加之AUV系統(tǒng)本身的強噪聲起伏、大機動范圍、高可靠性要求等特征，對AUV水聲通信系統(tǒng)的開發(fā)提出了更高的要求。本文以AUV水聲通信系

2、統(tǒng)為研究背景，以高可靠性的跳頻頻移鍵控（FH-FSK）系統(tǒng)為通信體制，對基于拷貝相關(guān)和調(diào)頻斜率估計的線性調(diào)頻（LFM）同步信號聯(lián)合檢測、水聲跳頻通信系統(tǒng)信道均衡技術(shù)、AUV水聲跳頻通信原理與協(xié)議設(shè)計、多元低密度奇偶校驗（LDPC）碼在水聲FH-FSK系統(tǒng)中的應(yīng)用等技術(shù)進行了研究。
　　穩(wěn)健的同步檢測技術(shù)是通信系統(tǒng)進行可靠信息傳輸?shù)那疤?，AUV水聲通信系統(tǒng)采用外同步法，利用自相關(guān)性較好的LFM信號作為同步信號。本文對影響AUV水聲通

3、信系統(tǒng)同步性能的噪聲干擾進行了分析，大量試驗數(shù)據(jù)表明，AUV水聲通信系統(tǒng)背景噪聲起伏較大，非平穩(wěn)噪聲會引起拷貝相關(guān)檢測器的虛警，使得解調(diào)器按照錯誤的信息位置進行解調(diào)，進而產(chǎn)生較高的誤碼率而使通信鏈路中斷。針對此問題，本文提出了一種基于拷貝相關(guān)和調(diào)頻斜率估計的LFM同步信號聯(lián)合檢測方法。利用拷貝相關(guān)器的快速定位特性和分?jǐn)?shù)階傅里葉變換對于LFM信號參數(shù)的估計特性，對同步信號進行聯(lián)合檢測。經(jīng)仿真與實驗驗證，該方法對于非平穩(wěn)噪聲引起的虛警具有較

4、強的抵抗能力，在滿足一定信噪比條件下，具有較強的同步信號檢測性能。
　　水聲信道的多途擴展在接收端產(chǎn)生較強的符號間干擾，并且?guī)硪欢ǖ男旁氡葥p失，雖然采用FH-FSK體制的AUV水聲通信系統(tǒng)具有一定的抗多途干擾能力，但是受水聲信道大時延擴展以及帶寬受限的影響，并沒有完全解決多途干擾的問題。針對此問題，本文基于FH-FSK系統(tǒng)，提出了一種基于壓縮信道感知與時間反轉(zhuǎn)鏡相結(jié)合的信道均衡方法。該均衡方法利用水聲信道的稀疏特性，引入壓縮感知

5、框架下的稀疏信號重構(gòu)算法進行水聲信道估計，并利用估計信道與接收的FH-FSK信號進行虛擬時間反轉(zhuǎn)鏡處理。經(jīng)仿真和實驗驗證，在AUV懸停作業(yè)等信道條件相對穩(wěn)定的情況下，該方法能夠有效壓縮水聲信道的多途擴展并實現(xiàn)能量聚焦，提高水聲跳頻通信系統(tǒng)的抗多途干擾性能。
　　水聲信道復(fù)雜多變，具有較強的多途擴展和嚴(yán)重的帶寬受限特性，而FH-FSK系統(tǒng)是一種在復(fù)雜信道條件下較為穩(wěn)健的通信體制。本文針對水聲FH-FSK通信系統(tǒng)，分析了多途干擾對通信

6、系統(tǒng)性能的影響，研究了抗多途干擾的FH-FSK系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計方法。一方面，由于 AUV任務(wù)使命的特殊性，要求AUV水聲通信系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。另一方面，AUV平臺的大范圍機動特性以及母船和AUV平臺噪聲的強烈起伏，將引起信道結(jié)構(gòu)和輸入信噪比等傳輸環(huán)境的變化。因此，要求AUV水聲通信系統(tǒng)對于傳輸環(huán)境的變化具有較強的適應(yīng)能力。針對上述問題，本文在水聲FH-FSK系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出并實現(xiàn)了一種基于鏈路自適應(yīng)的多速率水聲通信協(xié)議。該協(xié)議

7、按照固定的幀周期協(xié)同工作，由水面單元通過配置方式?jīng)Q定幀周期內(nèi)的任務(wù)狀態(tài)，并且通過配置幀構(gòu)成閉合環(huán)路，可以完成自適應(yīng)傳輸速率調(diào)整和自動請求重傳（ARQ）功能，提高了水聲通信系統(tǒng)對傳輸環(huán)境變化的適應(yīng)能力和系統(tǒng)的可靠性。分析了自適應(yīng)速率調(diào)整的具體方法，給出了該協(xié)議的實現(xiàn)方法與流程，并且通過湖試驗證了該協(xié)議的有效性。
　　水聲信道嚴(yán)重的多途干擾和頻率選擇性衰落，將增加水聲FH-FSK系統(tǒng)的平均誤碼率。此外，由于AUV的運動特性，接收信號易

8、產(chǎn)生時間選擇性衰落，在接收端產(chǎn)生成串的突發(fā)錯誤甚至導(dǎo)致通信的中斷。以上兩方面因素將降低AUV跳頻通信系統(tǒng)的可靠性，針對此問題，本文將多元LDPC碼與FH-FSK系統(tǒng)相結(jié)合，提出了一種基于多元LDPC碼的水聲FH-FSK系統(tǒng)。對比了基于二元LDPC碼的FH-FSK系統(tǒng)與基于卷積碼的FH-FSK系統(tǒng)的抗干擾性能，仿真與實驗結(jié)果表明，前者具有更強的抗干擾能力。分析了影響多元LDPC碼性能的主要因素，對比了基于多元LDPC碼的FH-FSK系統(tǒng)與