水聲通信系統(tǒng)性能評估方法研究

甘忠良，凌青

?

水聲通信系統(tǒng)性能評估方法研究

甘忠良1,2，凌青1

(1. 海軍裝備研究院，北京 100161；2. 92785部隊，遼寧葫蘆島 125208)

水聲通信系統(tǒng)性能主要受水聲信道和通信體制影響，通常采取海洋水聲試驗的手段進行性能測試，但這需要進行多次不同信道條件下的試驗才能得出正確的評估結(jié)論，難度較大且成本較高。因此，建立準確的水聲通信系統(tǒng)性能評估模型和評估方法，對于通信系統(tǒng)設(shè)計及性能預(yù)測顯得尤為重要。從水聲信道模型開始分析，結(jié)合水聲通信特點，討論了典型水聲通信接收機結(jié)構(gòu)，提出了一種通用水聲通信系統(tǒng)性能評估模型和方法，并針對采用QPSK調(diào)制的通信系統(tǒng)性能進行了評估，結(jié)果與海試數(shù)據(jù)較為接近。

水聲通信；通信系統(tǒng)；信道建模；性能評估

0 引言

近30多年來，水聲通信從非相干到相干、從單載波到多載波、從低速到高速通信快速發(fā)展，正朝著水下通信網(wǎng)絡(luò)的方向穩(wěn)步邁進[1]。然而，由于海洋水聲信道可用帶寬窄、能量傳播損失隨頻率和距離而增加、多途和多普勒影響嚴重，且充滿了隨機起伏的海洋環(huán)境噪聲，導(dǎo)致水聲通信距離受限、通信速率低、可靠性差等問題。而且，同樣的通信系統(tǒng)在不同的的信道條件下，以及不同的通信系統(tǒng)在相同的信道條件下，性能大不相同。

深入分析不難發(fā)現(xiàn)，水聲通信系統(tǒng)性能除受水聲信道條件影響外，還與其所采用的通信體制及通信接收機結(jié)構(gòu)和相關(guān)信號處理技術(shù)有關(guān)。在給定信道條件下，準確預(yù)測或估計一個通信系統(tǒng)性能，不僅能夠?qū)νㄐ畔到y(tǒng)的設(shè)計提供幫助，而且能為選擇通信系統(tǒng)設(shè)備提供參考。因此，建立水聲通信系統(tǒng)性能評估模型，分析不同信道條件和通信體制給水聲通信帶來的影響，預(yù)測通信系統(tǒng)在不同信道條件下的性能非常有必要。

本文在水聲信道模型分析的基礎(chǔ)上，提出了典型水聲通信接收機結(jié)構(gòu)，建立了水聲通信系統(tǒng)性能評估模型和仿真模型，最后在典型信道條件下，對采用正交相移鍵控(Quarter Phase-Shift-Keying, QPSK)體制的通信系統(tǒng)進行性能評估，并與海試數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果較為接近。

1 水聲信道模型分析與仿真

水聲信道是一個非常復(fù)雜的時變、空變和頻變的信道，在物理上可以看成是具有不同時延、不同頻移、不同起始角的無數(shù)條傳播路徑的總和[2]。根據(jù)研究用途和需要，許多學(xué)者和研究人員基于已掌握的海洋聲傳播特點，建立了一系列各具特點的信道模型，概括起來，可以分為以下幾種類型：

一是基于信道是時不變的觀點，按照射線理論，分析信道的宏多途結(jié)構(gòu)，根據(jù)多途時延和衰減建立信道傳輸函數(shù)[3-4]。

二是基于統(tǒng)計的觀點，增加對信道時變特性的描述，即在信道宏多途的基礎(chǔ)上，對多徑傳輸?shù)慕y(tǒng)計特性進行分析，認為每條路徑的傳輸是相對獨立的。根據(jù)統(tǒng)計學(xué)理論，聲信號經(jīng)多條路徑在近距離傳播時，接收信號包絡(luò)服從萊斯分布，相位服從均勻分布。而在一定遠的距離上，由于沒有直達聲信號，信號包絡(luò)則服從瑞利分布[5-6]。

三是通過描述海洋邊界變化和海洋起伏，進一步增強海洋的時變性描述[7]?；蜥槍κ瞻l(fā)端位置的時變性，將收發(fā)端附近感興趣的區(qū)域網(wǎng)格化，通過插值的方法來分析收發(fā)水聽器在不同位置處的本征路徑特點來更加真實地描述信道的時變性[8]。

由于水聲性道特性隨著時間、季節(jié)、地域而變化，建立的信道模型一般很難完全表征海洋的特點，也沒有必要。這是因為，信道模型越具體，其針對性越強，適用范圍就會受到限制。本文重點是研究信道對通信的影響，信道的普適性比強相關(guān)性顯得更為重要。因此，我們選擇具有代表性的相干多途信道和瑞利時變信道作為研究分析的對象。關(guān)于信道模型的深入研究請參閱文獻[3]和[9]。

1.1 相干多途信道模型

從多數(shù)應(yīng)用場合來看，實驗證明水聲信道可以看作是緩慢時變的相干多途信道，即信道的介質(zhì)和邊界條件時不變，聲源和接收器位置固定。若觀察處理時間不是特別長，可以用時不變的濾波器來表示[3]。因此，若知道聲線傳輸?shù)姆群蜁r延，就可以確定信道的傳輸函數(shù)。

對于有條傳輸途徑，第條路徑的幅度和時延分別為和的相干多途信道，其沖擊響應(yīng)函數(shù)可以描述為

此時，信道的傳輸函數(shù)為

(2)

1.2 瑞利時變信道模型

由于通信關(guān)注的不僅是能量損失的大小，而且還關(guān)心信號波形的變化，因為這將影響最終信息的判決。海洋中存在著多種非均勻性，導(dǎo)致聲信號在傳播的過程中不僅會遭受能量損失，而且還會導(dǎo)致波形畸變，信號的幅度和波形起伏變化。因此，建立時變的信道模型[10](如圖1所示)可能更符合水聲通信的實際。

(4)

可見，當信道是慢變的或不變的，即=0時,則可以近似等價為時不變信道傳輸函數(shù)。、和時不變信道沖擊響應(yīng)中的同樣刻畫了信道的帶寬和頻率響應(yīng)。當存在多普勒效應(yīng)時，信道的傳輸函數(shù)可以表示為，

不難發(fā)現(xiàn)，實際每根聲線的幅度、時延和多普勒變化規(guī)律是無法獲取的；更一般的做法是分析其疊加后波形變化的統(tǒng)計特性。這里按照前面所述的第二種模型觀點，把信道看成是瑞利時變的，根據(jù)改進的Jakes模型[6]對信道特性進行分析。

2 典型水聲通信接收機

通信系統(tǒng)通常根據(jù)選擇的調(diào)制方式和發(fā)射信號波形進行接收機設(shè)計，為不失一般性，這里選擇具有代表性的接收機結(jié)構(gòu)進行分析，基本原理如圖2所示。

文獻[11]中證明了在有碼間干擾(Inter Symbol Interference, ISI)的高斯白噪聲信道中，最佳接收機的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3的接收機結(jié)構(gòu)針對的是無線電信道，水聲信道比這更加復(fù)雜。首先除了多途導(dǎo)致的碼間干擾外，信道還存在時變性。由于水聲傳播速度慢，即使非常小的相對運動也會引起較大的相對頻偏。因此海洋運動或通信收發(fā)端的相對運動導(dǎo)致的多普勒頻移不可忽略，水聲信道帶來的這些影響都必須在接收機中加以克服或減輕。針對水下信道特點，這里提出一種接收機結(jié)構(gòu)(見圖4)。

接收換能器在接收到聲信號后，將其轉(zhuǎn)換為電信號，并進行濾波放大，然后進行同步，對信道特性進行估計，分析信號多普勒偏移量并進行補償，解調(diào)濾波后號進行均衡處理，減輕多徑帶來的碼間干擾，最后進行解碼和判決。

3 通信系統(tǒng)性能評估方法研究

從前面的分析可知，水聲通信系統(tǒng)性能受兩方面因素影響：一是水聲信道條件；二是系統(tǒng)所采用的通信體制及信號處理方法，即通信接收機結(jié)構(gòu)和其選擇的技術(shù)手段。目前，關(guān)于水聲通信系統(tǒng)性能評估的文獻很少。根據(jù)水聲通信的特點，這里建立了一個基于通信信號全流程分析的系統(tǒng)性能評估方法。

首先根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定信道參數(shù)和通信系統(tǒng)工作參數(shù)，即信道的邊界條件、聲速剖面、通信終端的收發(fā)深度、距離及相對運動狀態(tài)等，利用建立的信道模型分析計算信道的多途結(jié)構(gòu)[12]、多普勒擴展，以及聲信號傳播損失、環(huán)境噪聲等。

然后，根據(jù)通信聲吶方程和已知的通信系統(tǒng)參數(shù)，如聲源級、指向性指數(shù)等，計算接收信號的信噪比，通信聲吶方程可以參照被動聲吶方程給出：

式中：為聲源級；為傳播損失；為環(huán)境噪聲譜級；為通信聲吶指向性指數(shù)；為檢測閾；為通信系統(tǒng)帶寬。噪聲譜級按照文獻[13]中的經(jīng)驗公式進行估算，即

(7)

式中：為信號頻率；為海況等級。

最后，根據(jù)已知信道特性和接收信噪比等參數(shù)，按照水聲數(shù)字通信基本流程和典型接收機結(jié)構(gòu)，仿真分析系統(tǒng)信噪比誤碼率和通信距離誤碼率性能，基本原理如圖5所示。

4 基于QPSK的通信系統(tǒng)性能分析

采用相干解調(diào)的QPSK帶寬利用率高，是水聲通信常用調(diào)制方式之一。下面以使用QPSK調(diào)制的通信系統(tǒng)為例進行性能評估。

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

(a) 信道參數(shù)

本例中的水聲信道數(shù)據(jù)為南海某次海試數(shù)據(jù)，海深約50 m，聲速剖面為弱正梯度，海底底質(zhì)為沙石，密度為1.7 g/cm3，為便于仿真分析，這里將海底視為平坦，3級海況。

(b) 通信系統(tǒng)參數(shù)

發(fā)射機深度：20 m

接收機深度：30 m

通信距離：10 km

工作頻率：10 kHz

帶寬：2 kHz

4.2 信道仿真及多途選擇

這里采用聲學(xué)工具箱中的Bellhop射線模型進行聲場分析，按照上述的信道參數(shù)仿真，得到如圖6所示的信道脈沖響應(yīng)(圖中縱坐標為輻射聲源聲壓為1時接收的相對聲壓)，傳播損失=77.24 dB。

4.3 仿真分析

從信道仿真結(jié)果不難得到信道沖擊響應(yīng)的歸一化幅度[0.52 0.56 0.58 0.66 0.68 0.97 1]及相對時延[0 0.99 1.5 3.5 3.8 4.4 4.5](ms)。當發(fā)射聲源級為196 dB、帶寬約2 kHz時，在上述信道條件下，根據(jù)通信聲吶方程(式6)可以估算出信噪比約為15 dB。當通信速率為2 kb/s時，在相干多途信道模型下，誤碼率約為10-4。圖8為在此條件下采用DFE 決策反饋均衡仿真得到的接收信號星座圖。

調(diào)整聲源級大小，可以估算出此時的信噪比與誤碼率曲線，如圖9所示。與實測數(shù)據(jù)比較，結(jié)果非常接近。

其它條件不變，當收發(fā)平臺相對運動速度為5 kn時，多普勒頻偏，仿真補償誤差小于1 Hz，誤碼率約為。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，按照上文提出的評估流程和方法，在一定的先決條件下可以評估系統(tǒng)的不同性能指標。例如當發(fā)射機聲源級一定時，可以計算通信距離誤碼率曲線?；蛘咴跐M足一定誤碼率條件下，分析系統(tǒng)的信噪比與通信距離曲線，進行系統(tǒng)性能預(yù)測。但由于水聲信道的多徑結(jié)構(gòu)與信道條件(海深、海底底質(zhì)等)、聲信號頻率及收發(fā)距離等因素相關(guān)，距離變化多途分布也會產(chǎn)生變化，要得到準確的信噪比與通信距離或通信距離與誤碼率的關(guān)系，計算量會很大，可以選擇多組典型數(shù)據(jù)，采用插值的方法進行估計，這里只分析了其中較為簡單的信噪比誤碼率性能。

5 結(jié)論

本文從影響水聲通信系統(tǒng)性能的兩大因素——信道和通信體制入手，分析并建立水聲信道模型，對典型水聲通信接收機進行了研究，構(gòu)建水聲通信系統(tǒng)性能評估模型，并對采用QPSK通信體制的系統(tǒng)在典型水文環(huán)境下的性能進行了評估，仿真評估結(jié)論與海試結(jié)果較為吻合。同時應(yīng)當注意到，由于不同系統(tǒng)的接收機結(jié)構(gòu)和信號處理方法不一樣，得到的結(jié)論會不一樣，所以利用本方法所得到的結(jié)論只能針對某型具體系統(tǒng)，但這并不能掩蓋其作為分析通信系統(tǒng)性能的一種較為實用的方法。

[1] Mandar Chitre, Shiraz Shahabudeen, Milica tojanovic. Underwater acoustic communications and network: recent advances and future challenges[J]. Marine Technology Society Journal. Spring 2008, 42(1): 103-116.

[2] 朱昌平, 韓慶邦. 水聲通信基本原理與應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

ZHU Changping, HAN Qingbang. Basic principal and application of underwater acoustic communication[M]. Beijin: Electronic Industry Press, 2009.

[3] 惠俊英, 生雪莉. 水下聲信道(第2版)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2007.

HUI Junying, SHENG Xueli. Underwater acoustic channel(The 2nd edition)[M]. Beijjin: National Defense Industry Press, 2007.

[4] Kilfoyle D B, Baggeroer A B. The state of the art in underwater acoustic telemetry[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2000, 25(1): 4-27.

[5] Essebbar A, Loubet G, Vial F. Underwater acoustic channel simulations for communication[C]// presented at the Oceans’94, Brest, France, 1994.

[6] 鄧紅超, 劉云濤, 蔡惠智. 瑞麗分布時變水聲信道建模與仿真[J].聲學(xué)技術(shù), 2009, 28(2): 109-112.

DENG Hongchao, LIU yuntao, CAI Huizhi.Time-varying UWA channel with Rayleigh distribution[J]. Technical Acoustics, 2009, 28(2): 109-112.

[7] 牛富強, 楊燕明, 郭長勇, 等. 時變多徑水聲信道的仿真研究[J]. 臺灣海峽, 2009, 28(4): 586-591.

NIU Fuqiang, YANG Yanming, GUO Changyong, et al. Time-varying multipaths underwater acoustic channel simulation and research[J]. Journal of Oceanography in Taiwan Strait, 2009, 28(4): 586-591.

[8] SIDERIUS M, PORTER M B. Modeling broadband ocean acoustic transmissions with time-varying sea surfaces[J]. J. Acoust. Soc. Am., 2008, 124: 137.

[9] PAUL C Etter. Underwater acoustic modeling and simulation[M]. 3rd edition. Beijin: Electronic Industry Press, 2003.

[10] DE RANGO F, VELTRI F, FAZIO P. A multipath fading channel model for underwater shallow acoustic communications[C]// IEEE International Conference on Com-munications, Ottawa, 10-15 June 2012,: 3811-3815.

[11] JohnGo.Proakis, Masoud Salehi. Digital Communication[M]. 5th edition. Beijin: Electronic Industry Press, 2012.

[12] Gang Qiao, Asim Ismail, Muhammad Aatiq. A study on multi-path channel response of acoustic propagation in northwestern Arabian Sea[J]. Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 2013, 5(19): 4619-4628.

[13] 劉孟庵, 連立民. 水聲工程[M]. 杭州: 浙江科學(xué)技術(shù)出版社, 2002.

LIU Mengan, LIAN Liming. underwater acoustic engineering[M]. Hangzhou: Zhejiang Science and Technology Press, 2002.

Research on the performance evaluation method for underwater acoustic communication system

GAN Zhong-liang1,2, LING Qing1

(1. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China; 2. Unit 92785,PLA, Huludao 125208, Liaoning, China)

The performances of Underwater Acoustic Communication System(UACS) are mainly influenced by the channel condition and communication modulation pattern.Usually, it is needful to conduct ocean acoustic trials time after time in different environments; obviously，this is difficult and also costly. Therefore，it’s very important and useful to construct a performance evaluation model for UACS design and performance prediction. In this paper the underwater acoustic channel is discussed first,and then,on the basis of the channel character，a typical receiver and an evaluation model areproposed and researched. Finally, an example using QPSK modulate is taken to test and verify, the result is satisfactory.

underwater acoustic communication; communication system; channel modeling; performance evaluation

TB533

A

1000-3630(2016)-01-0024-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.006

2015-02-27;

2015-04-09

國家自然科學(xué)基金資助項目(11404406)

甘忠良(1984－), 男, 湖北麻城人, 碩士研究生, 研究方向為水聲通信技術(shù)。

甘忠良, E-mail: ganzhongliang84@126.com