Underwater Acoustic Communication Based on Multicarrier Modulation.pdf

1、水聲（UWA）通信是一個受到各類研究人員的廣泛關(guān)注的學(xué)科，越來越多應(yīng)用在沿海監(jiān)控系統(tǒng)，環(huán)境研究，自治水下機器人（AUV）操作，深?？碧?，收集科學(xué)數(shù)據(jù)等軍事和商業(yè)領(lǐng)域。建立一個結(jié)構(gòu)靈活簡單，能夠應(yīng)對各類復(fù)雜多變的海況且實時、高效、穩(wěn)定的水下通信系統(tǒng)是水聲通信研究的主要目標(biāo)。然而，水聲信道所具有的緩慢的時變性、較窄的相干帶寬、較高的背景噪聲以及對非一致多普勒變化敏感的信號使水聲通信成為無線通信中最具挑戰(zhàn)性的研究方向。
　　隨著自適應(yīng)判

2、決反饋均衡等信道均衡技術(shù)在水聲通信領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，通信速率更高的相移鍵控調(diào)制一度成為了水聲通信的應(yīng)用首選。然而隨著通信速率的提高，相干水聲通信符號持續(xù)時間縮短，導(dǎo)致均衡器的復(fù)雜度急劇升高，阻礙了其在高速水聲通信領(lǐng)域應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。因此，本文中采用了具有更高頻譜效率、更簡單均衡方法的正交多載波（OFDM）技術(shù)作為高速水聲通信的研究方向。OFDM技術(shù)選擇性衰落的頻域信道均分成若干個平坦衰落的子信道，從而簡化系統(tǒng)均衡器結(jié)構(gòu)；通過增加保

3、護(hù)間隔以減輕由無線信道的多徑時延擴展所引起的時間彌散性對系統(tǒng)的影響。
　　本文的主要工作主要有三個方面。
　　1.基于 OFDM技術(shù)的高速水聲通信設(shè)計。OFDM技術(shù)的主要缺點之一就是其對多普勒頻偏較為敏感。受低聲速和低載波頻率的影響，通信載體的相對運動和風(fēng)浪引起的海洋界面起伏都會給 OFDM信號帶來較大的多普勒頻偏，導(dǎo)致各個子載波間的正交性不能保持，致使 OFDM信號失真。實時有效的多普勒跟蹤和補償算法是避免由于運動所引起的

4、信號失真問題的主要手段。本文設(shè)計了反轉(zhuǎn)單頻的多普勒跟蹤算法，該算法可以在一個 OFDM符號內(nèi)跟蹤信道的動態(tài)變化，進(jìn)而解決多普勒擴展的補償問題。撫仙湖自發(fā)多普勒補償通信實驗和蓮花湖移動（接收船與發(fā)送船相對徑向速度達(dá)4節(jié)）通信實驗結(jié)果證實了該算法的有效性。2.分析了氣候變化對水聲通信的影響。本文根據(jù)阿拉伯海北部海溫暖地區(qū)全年的氣候變化趨勢給出了相應(yīng)的水聲系統(tǒng)設(shè)計方案，以提升通信質(zhì)量。本文采用 Bellhop仿真軟件根據(jù)阿拉伯海北部海溫暖地區(qū)

5、實測的不用季節(jié)（3月、6月、9月和12月）的海水鹽度、水溫梯度、聲速梯度等條件產(chǎn)生相應(yīng)的靜態(tài)多徑時延信道模型。同時，在仿真過程中考慮了多普勒對通信系統(tǒng)的影響，通過計算給出了傳輸?shù)腛FDM符號在相對運動15節(jié)時的時域擴展結(jié)果。本文中所采用的海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)全部來源于開源浮標(biāo)ARGOS ID2901374以及Global ARGOS海洋圖集（全球衛(wèi)星跟蹤和環(huán)境監(jiān)測）。
　　3.設(shè)計了基于 OFDM的移動水聲通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合考慮了由于通

6、信載體相互運動帶來的多普勒影響和由于風(fēng)浪造成的不同多徑信號樣本的多普勒區(qū)別，對信道進(jìn)行了動態(tài)建模。
　　4.最后，本文考慮到海洋動力學(xué)中的所有主要方面，闡述了一個由于海面風(fēng)浪擴展及發(fā)射平臺和接收平臺之間的相對運動而引起的時變聲波傳播。在實際設(shè)計通信信道之前，要對相應(yīng)的通信方案進(jìn)行仿真，而仿真工作中最重要、最基本的要求就是動態(tài)信道建模。為了對多普勒畸變進(jìn)行建模及相應(yīng)的補償，必須正確追蹤在動態(tài)信道條件下傳播的聲波。本文對單輸入多輸出的

7、SIMO-OFDM系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)信道建模。本文對動態(tài)多途信道建模，該信道具有11個水聽器陣列，建模工作基于 BELLHOP射線追蹤模型和時變聲傳播模型（TV-APM），信道模型的條件參數(shù)來自于阿拉伯海北部地區(qū)。需要設(shè)置的條件參數(shù)是對選定區(qū)域的定義，包括表面、水深和聲速剖面，從而產(chǎn)生運行 Bellhop.exe所需要的環(huán)境文件（.env）。其他條件參數(shù)包括風(fēng)速及其角度，聲源速度，接收陣列速度，海底地貌，聲速剖面，w.r.t.聲源和接收陣列