Direct Sequence Spread Spectrum Underwater Acoustic Communication for Northwestern Arabian Sea.pdf

1、水聲通信的研究已經(jīng)有了很長(zhǎng)一段時(shí)間，對(duì)于水下遙感勘測(cè)/水聲通信的需求存在很多方面，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、水下潛器之間的通信、潛水員之間互相通信以及水下遠(yuǎn)程遙控等。由于水聲信道具有大多途擴(kuò)展、嚴(yán)重的傳播損失、頻率選擇性衰落以及介質(zhì)不斷波動(dòng)等特點(diǎn)，它是無(wú)線信道中最復(fù)雜的一種信道。
　　在很多水聲通信應(yīng)用中，如監(jiān)測(cè)、隱蔽跟蹤、遠(yuǎn)距離無(wú)線遙感勘測(cè)等，信噪比通常都不是很高，因?yàn)楦咝旁氡炔焕陔[蔽通信，或者遠(yuǎn)距離上受設(shè)備和預(yù)算的限制，很難達(dá)到很高的信噪

2、比。在水聲通信中，接收信號(hào)往往容易受到多途干擾、同步不準(zhǔn)、多普勒頻移以及傳播損失等的影響，多途傳播和同步不準(zhǔn)是引起固定在海底的監(jiān)測(cè)器通信出現(xiàn)錯(cuò)誤的主要原因。傳統(tǒng)的解決該問(wèn)題的辦法是采用糾錯(cuò)編碼/信道編碼技術(shù)和判決反饋均衡器，但是這些方法通常都要求有較高的信噪比，然而，接收信號(hào)是所有多途信號(hào)的疊加，因此由多途信道引起的信號(hào)多徑分量應(yīng)該加以利用。同時(shí)，對(duì)于監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，上述提到的技術(shù)應(yīng)該適用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信。
　　在低信噪比下，接

3、收端面臨的一個(gè)問(wèn)題是缺乏可靠的同步技術(shù)，傳統(tǒng)的同步方法是發(fā)射一個(gè)高信噪比的具有大時(shí)間帶寬積（如 LFM/HFM信號(hào)）的信號(hào)作為前導(dǎo)信號(hào)，使用特殊的同步信號(hào)，容易暴露通信節(jié)點(diǎn)，提高截獲概率，同步信號(hào)較高的信噪比同樣容易被敵方偵查和截?fù)簟?br>　　為了解決上述問(wèn)題，滿足低信噪比下隱蔽通信的需求，直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(direct sequence Spread spectrum, DSSS)成為最優(yōu)的選擇。在復(fù)雜多途低信噪比下DSSS通信的關(guān)

4、鍵是發(fā)射信號(hào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。我們可以設(shè)計(jì)這樣一種信號(hào)幀結(jié)構(gòu)，在接收端通過(guò)多途消除等技術(shù)可以提高接收信號(hào)信噪比，接收機(jī)可以通過(guò)對(duì)多途信號(hào)分集接收，收集所有多途信號(hào)能量，文中設(shè)計(jì)了一種適合于水聲通信的簡(jiǎn)單有效的DSSS通信方案，在此方案中，設(shè)計(jì)了一種新的發(fā)射信號(hào)幀結(jié)構(gòu)，使用多個(gè)擴(kuò)頻序列和長(zhǎng)擴(kuò)頻碼來(lái)簡(jiǎn)化接收機(jī)端的處理。在一幀信號(hào)中使用多個(gè)擴(kuò)頻序列已經(jīng)在文獻(xiàn)中被證實(shí)有效，例如文獻(xiàn)[2]中，Yang使用一個(gè)m序列的循環(huán)移位，但是當(dāng)在多途較密集的信道下

5、，該循環(huán)移位會(huì)出現(xiàn)模糊問(wèn)題。在文獻(xiàn)[3]中，Jamshadi使用短碼的方法得到了相同的結(jié)論。上述方法限制了數(shù)據(jù)速率，本文中使用多個(gè)長(zhǎng)碼序列可以靈活的調(diào)整數(shù)據(jù)速率，同時(shí)獲得比較好的LPI/LPD。文中提出的算法，在信號(hào)傳輸過(guò)程中，每幀信號(hào)中都有信道估計(jì)，因此很容易獲得擴(kuò)頻碼的同步。
　　為了在低信噪比和不使用特殊信號(hào)情況下解決同步問(wèn)題，文中采用DSSS信號(hào)作為同步信號(hào)，DSSS信號(hào)低噪比時(shí)類似于噪聲信號(hào)，在未知先驗(yàn)擴(kuò)頻序列的情況下，

6、很難從信息信號(hào)中分辨出來(lái)。為了實(shí)現(xiàn)低信噪比下的可靠同步，文中提出了一種在一幀信號(hào)中加入多個(gè)同步信號(hào)提高同步可靠性的算法。在接收端可以通過(guò)擴(kuò)頻增益提高接收同步信號(hào)的信噪比，同時(shí)，多個(gè)同步信號(hào)可以使用信號(hào)合并技術(shù)提高同步信號(hào)的信噪比。因此，該方法滿足了低信噪比下低檢測(cè)概率的要求。文中同時(shí)提出了一種改進(jìn)的同步處理方法，該方法利用信號(hào)合并技術(shù)可以在低信噪比和負(fù)信噪比下完成同步過(guò)程。
　　水聲信道對(duì)水聲通信來(lái)說(shuō)有著重要的意義，信道條件對(duì)通信

7、系統(tǒng)性能的影響起著重要的作用，因此信道的影響應(yīng)考慮在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之內(nèi)。文中提出的直接序列擴(kuò)頻水聲通信方法主要是針對(duì)西北部的阿拉伯海域信道特點(diǎn)，因此對(duì)于該區(qū)域的水聲信道模型的建立有著重要的意義。文中第二章根據(jù)實(shí)際測(cè)量參數(shù)對(duì)該區(qū)域的水聲信道進(jìn)行了建模，建模參數(shù)主要包括溫度、鹽度、聲速、海面風(fēng)速、水深和海底組成等，文中根據(jù)射線聲學(xué)理論，采用Bellhop射線跟蹤程序[5]對(duì)時(shí)變信道進(jìn)行了建模[4]，得到了從2004年至2012年時(shí)變信道沖激響應(yīng)

8、以及感興趣的相關(guān)參數(shù)。
　　論文主要研究了兩個(gè)方面的內(nèi)容，第一部分是為實(shí)現(xiàn)海底固定節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、低速率、低復(fù)雜度、遠(yuǎn)程監(jiān)控/控制通信，研究了簡(jiǎn)單的DSSS方案。第二部分研究分析了文中提出的算法在特定海域的性能，進(jìn)行了仿真和外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，利用仿真得到的2004年至2012年不同區(qū)域的海域的信道沖激響應(yīng)，進(jìn)行了相應(yīng)的仿真驗(yàn)證工作。上述提到的算法主要通過(guò)計(jì)算機(jī)建模和仿真，同時(shí)部分算法經(jīng)過(guò)了水池試驗(yàn)和湖上試驗(yàn)的驗(yàn)證。
　　利用文中

9、的信道模型，對(duì)本文提出的通信算法方法進(jìn)行評(píng)估，第四章給出了結(jié)論，表明該算法可適合在modem上進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)，并且工作在本文研究的特定海域。
　　本文的主要貢獻(xiàn)分為兩個(gè)方面，一方面是信道建模；另一方面是通信算法的研究。主要體現(xiàn)在：
　　采用實(shí)際的時(shí)變信道評(píng)估文中提出的算法，而不是常規(guī)的Gaussian/Rayleigh/Ricians等仿真信道，仿真信道很難與水聲信道的物理特征相關(guān)聯(lián)，如深度、聲速和鹽度分布等。我們收集了特定海

10、域的實(shí)時(shí)更新的相關(guān)海洋數(shù)據(jù)。
　　獲得了長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)變信道響應(yīng)函數(shù)，該函數(shù)是由實(shí)際水聲信道的一些物理參數(shù)獲得的，物理參數(shù)主要包括水深、聲速分布、鹽度、溫度和海洋表面風(fēng)速等。
　　通過(guò)從這些信道接收到的信號(hào)，采用離散數(shù)據(jù)擬合來(lái)確定背景統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)以及獲得其相關(guān)參數(shù)。
　　設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單有效的水聲DSSS通信算法。在該算法中，設(shè)計(jì)了一種新的發(fā)射信號(hào)幀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使用多個(gè)序列和長(zhǎng)擴(kuò)頻碼來(lái)簡(jiǎn)化接收機(jī)的處理過(guò)程，使用該幀結(jié)構(gòu)，可以