AUV水聲通信系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著海洋資源開(kāi)發(fā)與利用的不斷發(fā)展，自治水下機(jī)器人（AUV）作為一種重要的水下無(wú)人潛器，在海底地形探測(cè)、海洋資源勘探等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。利用水聲通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV平臺(tái)的控制以及 AUV數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，水聲通信是AUV進(jìn)行水下作業(yè)的重要技術(shù)保障。水聲信道固有的長(zhǎng)時(shí)延、強(qiáng)多途、高噪聲、可用帶寬受限等特點(diǎn)，加之AUV系統(tǒng)本身的強(qiáng)噪聲起伏、大機(jī)動(dòng)范圍、高可靠性要求等特征，對(duì)AUV水聲通信系統(tǒng)的開(kāi)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(duì)基于拷貝相關(guān)和調(diào)頻斜率估計(jì)的線性調(diào)頻（LFM）同步信號(hào)聯(lián)合檢測(cè)、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(jì)、多元低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC）碼在水聲FH-FSK系統(tǒng)中的應(yīng)用等技術(shù)進(jìn)行了研究。
　　穩(wěn)健的同步檢測(cè)技術(shù)是通信系統(tǒng)進(jìn)行可靠信息傳輸?shù)那疤幔珹UV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(hào)作為同步信號(hào)。本文對(duì)影響AUV水聲通

3、信系統(tǒng)同步性能的噪聲干擾進(jìn)行了分析，大量試驗(yàn)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(huì)引起拷貝相關(guān)檢測(cè)器的虛警，使得解調(diào)器按照錯(cuò)誤的信息位置進(jìn)行解調(diào)，進(jìn)而產(chǎn)生較高的誤碼率而使通信鏈路中斷。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出了一種基于拷貝相關(guān)和調(diào)頻斜率估計(jì)的LFM同步信號(hào)聯(lián)合檢測(cè)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(duì)于LFM信號(hào)參數(shù)的估計(jì)特性，對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)。經(jīng)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法對(duì)于非平穩(wěn)噪聲引起的虛警具有較

4、強(qiáng)的抵抗能力，在滿足一定信噪比條件下，具有較強(qiáng)的同步信號(hào)檢測(cè)性能。
　　水聲信道的多途擴(kuò)展在接收端產(chǎn)生較強(qiáng)的符號(hào)間干擾，并且?guī)?lái)一定的信噪比損失，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(shí)延擴(kuò)展以及帶寬受限的影響，并沒(méi)有完全解決多途干擾的問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)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(shí)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(hào)重構(gòu)算法進(jìn)行水聲信道估計(jì)，并利用估計(jì)信道與接收的FH-FSK信號(hào)進(jìn)行虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡處理。經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在AUV懸停作業(yè)等信道條件相對(duì)穩(wěn)定的情況下，該方法能夠有效壓縮水聲信道的多途擴(kuò)展并實(shí)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(qiáng)的多途擴(kuò)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(duì)水聲FH-FSK通信系統(tǒng)，分析了多途干擾對(duì)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(jì)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(tái)的大范圍機(jī)動(dòng)特性以及母船和AUV平臺(tái)噪聲的強(qiáng)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(duì)于傳輸環(huán)境的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。針對(duì)上述問(wèn)題，本文在水聲FH-FSK系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出并實(shí)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(guò)配置方式?jīng)Q定幀周期內(nèi)的任務(wù)狀態(tài)，并且通過(guò)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(dòng)請(qǐng)求重傳（ARQ）功能，提高了水聲通信系統(tǒng)對(duì)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(shí)現(xiàn)方法與流程，并且通過(guò)湖試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)特性，接收信號(hào)易

8、產(chǎn)生時(shí)間選擇性衰落，在接收端產(chǎn)生成串的突發(fā)錯(cuò)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(duì)此問(wèn)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(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，前者具有更強(qiáng)的抗干擾能力。分析了影響多元LDPC碼性能的主要因素，對(duì)比了基于多元LDPC碼的FH-FSK系統(tǒng)與