AUV水聲跳頻通信關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、AUV（Autonomous Underwater Vehicle）是人類探知海洋與利用海洋的重要載體，水聲通信技術(shù)在AUV的控制與信息交互中扮演著至關(guān)重要的角色，AUV水聲通信信道往往表現(xiàn)出高度動(dòng)態(tài)的雙擴(kuò)特性（即多途擴(kuò)展和多普勒擴(kuò)展），為克服時(shí)變的嚴(yán)重多途擴(kuò)展及多普勒擴(kuò)展對(duì) AUV水聲通信系統(tǒng)的影響，針對(duì)某型AUV水聲通信系統(tǒng)的需求所面臨的實(shí)際問題，本文開展了聯(lián)合幀同步、多普勒估計(jì)與補(bǔ)償技術(shù)、AUV數(shù)據(jù)傳輸同步技術(shù)以及基于單基元/陣接

2、收技術(shù)的水聲信道短化技術(shù)的研究工作。
　　首先，針對(duì)AUV水聲通信的實(shí)際需求論述了AUV水聲通信技術(shù)面臨的技術(shù)難題，歸納總結(jié)了現(xiàn)有AUV水聲通信技術(shù)的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀，基于某型AUV水聲通信系統(tǒng)的實(shí)際需求提煉出本文AUV水聲通信系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)問題，進(jìn)而為本文研究工作指明方向。
　　其次，針對(duì)水聲通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求以及面臨的時(shí)變多普勒估計(jì)、跟蹤與補(bǔ)償問題開展了理論與試驗(yàn)研究工作。理論研究工作包括：（1）設(shè)計(jì)提出了一種聯(lián)合

3、幀同步與多普勒估計(jì)及補(bǔ)償?shù)腁UV跳頻水聲通信幀結(jié)構(gòu)；（2）研究了環(huán)境自適應(yīng)的幀同步技術(shù)；（3）基于幀同步脈沖研究了基于互協(xié)方差技術(shù)的穩(wěn)健初始多普勒估計(jì)技術(shù)；（4）研究了加速條件下的實(shí)時(shí)低復(fù)雜度逐碼片定時(shí)及多普勒跟蹤與補(bǔ)償技術(shù)。開展了湖上AUV水聲通信的模擬試驗(yàn)及湖上綜合試驗(yàn)，試驗(yàn)研究表明：當(dāng)通信速率為160bps時(shí)，相對(duì)速度在0~3節(jié)的動(dòng)態(tài)范圍條件下的基于互協(xié)方差技術(shù)的多普勒速度估計(jì)值與GPS的測速的誤差在-0.3m/s～0.3m/s范

4、圍內(nèi)，通過低復(fù)雜度線性插值多普勒補(bǔ)償技術(shù)可使解調(diào)后的誤碼率從20％降低至5％左右，經(jīng)信道譯碼后可實(shí)現(xiàn)無誤碼水面與水下的雙向數(shù)據(jù)傳輸。
　　然后，針對(duì)運(yùn)動(dòng)條件下的AUV同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊箝_展了基于水聲通信鏈路的同步數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的研究，基于水聲信道因頻率吸收等因素是一個(gè)頻帶受限信道，通信雙方往往工作在同一頻帶上，為避免通信沖突，需要進(jìn)行時(shí)鐘同步。不同于陸地上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步方式，水聲信道由于聲速較小，存在較大的傳播延時(shí)，且由于水

5、聲通信質(zhì)量有限及能耗要求，需在時(shí)鐘同步精度和資源消耗上進(jìn)行折衷。TSHL（Time Synchronization for High Latency）時(shí)鐘同步協(xié)議作為最接近水下網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的時(shí)鐘同步協(xié)議，但需要節(jié)點(diǎn)間相對(duì)靜止的前提條件下保證同步精度。AUV與母船時(shí)鐘同步期間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得雙程傳播時(shí)延并不相等，增大了時(shí)鐘同步的誤差，本文對(duì)TSHL時(shí)鐘同步協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，提出了基于水聲無線鏈路測距和測速的動(dòng)態(tài)時(shí)鐘同步算法。在同步協(xié)議的節(jié)點(diǎn)信息交

6、互中包含相對(duì)測速信息，通過對(duì)運(yùn)動(dòng)條件下雙程傳播時(shí)延進(jìn)行速度補(bǔ)償，減小了同步誤差。同時(shí)研制了AUV通信機(jī)樣機(jī)，對(duì)該時(shí)鐘同步技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，母船和AUV在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的條件下保證了同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)健性。
　　最后，針對(duì)傳統(tǒng)時(shí)反技術(shù)存在誤差平底以及跳頻通信隨著通信速率的增大抗多途性能下降的問題，為在較為惡劣的多途條件下保證較高的跳頻通信速率，基于水聲通信信道的寬帶空時(shí)頻稀疏特性，開展了稀疏驅(qū)動(dòng)的空時(shí)頻水聲通信信號(hào)處理技術(shù)的研究；理論研究工作

7、如下：（1）研究了基于DCD技術(shù)的低復(fù)雜度On-Grid和Off-Grid壓縮感知技術(shù)研究；（2）研究了基于低復(fù)雜壓縮感知技術(shù)的稀疏多途DOA估計(jì)技術(shù)；（3）研究了基于低復(fù)雜壓縮感知技術(shù)的稀疏多途信道估計(jì)技術(shù)，（4）研究了基于稀疏信道估計(jì)的單基元稀疏信道被動(dòng)時(shí)反與MMSE短化技術(shù)；（5）研究了寬帶空時(shí)頻信道建模以及空時(shí)頻聯(lián)合稀疏信道參數(shù)估計(jì)技術(shù)，開展了仿真與湖試試驗(yàn)研究。仿真和實(shí)驗(yàn)表明：（1）對(duì)于Off-Grid壓縮稀疏參數(shù)估計(jì)問題，P

8、OMP-DCD和AMP-CTLS-DCD算法的估計(jì)精度比傳統(tǒng)OMP算法有明顯的提高，且相比于原始的POMP及AMP-CTLS算法有更低的計(jì)算復(fù)雜度（將每次迭代的運(yùn)算量由2O(K)操作降低為O(K)）及更好的數(shù)值穩(wěn)定性，便于DSP或FPGA硬件平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)；（2）提出的空間置換的SA-POMP-DCD及SA-AMP-CTLS-DCD的寬帶空時(shí)頻水聲信道參數(shù)估計(jì)技術(shù)相比于傳統(tǒng)的SA-OMP算法具有明顯的復(fù)雜度以及處理Off-Grid問題的優(yōu)