水声通信技术研究进展

程恩;袁飞;苏为;高春仙;曾文俊;孙海信;胡晓毅

【摘 要】The development and state of arts about the underwater acoustic communication had been introduced in this article. Then the research progress and achievements about our study group , which belong to the key laboratory of underwater acoustic communication and marine information technology (Xiamen University , Ministry of Education of China) , had been introduced. Theprogress and achievement were concerning three topics.such as characteristic & matching method of the underwater acoustic channel,voice & image & data communication via underwater acoustic channel,underwater acoustic networks & three-dimensional communication Networks and so on.%介绍水声通信技术的发展历程与技术现状.围绕水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室(厦门大学)水声通讯课题组的研究方向,介绍课题组在水声信道传输特性与匹配方法,水声语音、图像、数据通信技术研究,水声网络与立体通信等领域的研究进展和研究成果.

【期刊名称】《厦门大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2011(050)002

【总页数】5页(P271-275)

【关键词】水声通信;水声网络;高速水声正交多载波调制

【作 者】程恩;袁飞;苏为;高春仙;曾文俊;孙海信;胡晓毅

【作者单位】厦门大学,信息科学与技术学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建,厦门,361005;厦门大学,信息科学与技术学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建,厦门,361005;厦门大学,信息科学与技术学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建,厦门,361005;厦门大学,信息科学与技术学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建,厦门,361005;厦门大学,信息科学与技术学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建,厦门,361005;厦门大学,信息科学与技术学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建,厦门,361005;厦门大学,信息科学与技术学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建,厦门,361005

【正文语种】中 文

【中图分类】TN929.3

海洋拥有丰富的资源和广阔的空间.随着人类海洋活动的日益频繁,水声通信已不再局限于最初的军事领域,而是拓展到更广泛的民用领域.在军事应用方面,水下武器系统的日益智能化,要求对其进行指挥控制通信,如:潜艇之间、母舰与潜艇或其它水下无人作战平台之间的通信,对水下航行器实施监测和导航,以及对水雷的远程声遥控等.在民用方面,如水下语音通信、工业用海岸遥测、水下机器人和海上平台的遥控指令传送、海底勘探数据与图像的传输,环境系统中的污染监测数据,水文站的采集数据等等,无不使其对水下通信的需求大

为增加.

水声通信技术虽然已有多年的研究史,但直到20世纪80年代,特别是在通信技术和计算机技术的飞速发展给水声通信的研究提供了强大的技术支持之后,水声通信技术的研究手段和方法才发生了根本的变化,水声通信的面貌焕然一新.现代高速数字水声通信系统的设计往往要同时研究海洋声学以及通信工程这两个方面,即在研究如何将无线电磁波通信中的成熟技术应用到水声通信中来的同时,研究水声信道不利因素对信号的影响而提出新的特殊的信号处理方法.人们已经提出了许多水声通信信号处理的特殊方法,而且,过去几年的广泛研究已经使水声通信成为应用工程学中的一个重要研究领域[1-2].考虑到水声信道对通信系统信号传输的影响,在20世纪90年代之前的水声通信系统主要采用多频键控(MFSK)调制解调技术.由于其采用能量检测,因此MFSK系统对于时间和频率扩展的信道来说是相当稳健的.

虽然非相干MFSK在中等数据率和强多径干扰、快速相位变化的水声信道中是一种很好的调制解调方法.但其频带利用率很低,不超过0.5(bit/s)/Hz.为了提高频带利用率,在最近的几年中水声通信领域转向相位相干调制技术[3].相对于非相干系统来说,相位相干水声通信系统在过去的十几年内已经取得了相当大的进展.其中具有里程碑意义的是在PSK接收机中使用了判决反馈均衡器(decision feedback equalizer, DFE)结合数字锁相环(phase locked loop,PLL)结构[4-5].在此基础上,类似的相干系统与均衡器结构得到了广泛的应用.近些年来,相干接收机研究的重点在于减小接收机算法的计算复杂度或提高均衡器的跟踪能力,研究者们提出并测试了大量的针对载波相位同步联合均衡器结构的改进方法.当水声信道的多径时延较长,即时间弥散比符号速率大得多,导致严重的码间干扰(ISI)时,时域均衡器的计算复杂度随信道弥散长度的增加而增长,均衡器的实现将变得复杂,甚至难以

实现.进入21世纪以来,对水声通信新技术的研究方兴未艾.主要包括水下多载波调制技术、码分多址(CDMA)扩谱技术、空间分集技术、水下通信网络等,取得了一些令人鼓舞的初步成果[6-10].

在国外,许多院校、科研机构,如:美国麻省理工学院、美国东北大学、美国Space&Naval Warfare系统中心、美国伍兹豪海洋研究所、美国佛罗里达大学、美国海军实验室、英国海洋研究所等,以及众多科研人员都对水声通信技术进行了深入的研究,并且取得了丰硕的成果.在国内,包括厦门大学,西北工业大学,哈尔滨工程大学,中科院声学所,浙江大学,715研究所等单位也开展水声通信及相关研究活动,并取得一定成果.厦门大学是国内首批开展水声通信研究的单位之一,又是我国海洋科学研究的发祥地,具有几代人学科发展的积淀和多学科交叉优势.20多年来,厦门大学水声通信课题组在水声数字图像传输、水声数字语音传输、水声数据传输、水声遥测遥控等研究方面形成了自己的特色和优势,获得了一批具有国内领先、国际先进水平的研究成果[11].

水声多径信道的估计(包括信道的多径时延参数、多径幅度衰减因子和多普勒频移参数的估计)是诸多水声系统的关键信号处理技术,在水下目标的探测和定位、海底声学特性反演、海洋声学层析等水声逆问题以及水声通信中都具有重要的应用价值[12].然而,水声多径信道反演中的很多关键问题,例如分辨率、计算复杂度、难以获得全局最优解、以及非高斯噪声的影响等,都尚未得到较好的解决.因此对水声多径信道的估计进行系统的研究具有重要的研究意义和价值.水声信道是时变的信道,如何对时变水声信道参数进行动态跟踪也是非常重要的研究问题.

实验室在水声通信基础研究、浅海声信道传输特性及匹配方法方面开展了深入、系统

的研究.近年来,实验室成功设计出了已知发射信号下时不变信道的高性能、低复杂度的估计算法.提出了一种大时延扩展水声多径信道估计的低复杂度算法(fast estimation of sparse channel via convex optimization,FESCCO),在低信噪比的条件下实现了多径时延的超分辨估计[13].如图1所示,现有的高分辨率信道估计方法如投影到凸集方法(POCS)、匹配追踪算法(MP)、约束最小二乘方法等都失败了,而FESCCO方法成功的估计出了该水声信道.非常重要的一点是,FESCCO方法具有很低的计算复杂度.如果接收信号长度为N,则FESCCO方法的计算复杂度仅为0(NlogN).今后将继续在该技术基础上,开展对时变水声多径信道自适应估计、时延-多普勒扩展函数估计;未知发射信号的高分辨率盲信道估计;以及冲激性噪声下鲁棒的水声信道估计等一系列研究.

实验室成功开发了3套不同制式的水声语音通信系统,即:基于数字检测音节压扩综合自适应增量调制水下语音通信系统;基于语音识别与合成的水声语音通信系统;基于调频制式的水下语音通信系统.在水声数据扩谱通信的研究中,已解决了强背景噪声下的信号检测和快速可靠的同步技术两项关键技术,创新性提出“同步信号优选方法”,突破了同步捕获时快速与准确难以兼得的矛盾.先后研制成功了第1代、第2代水声语音通信样机.第1代语音通信样机在厦门极浅海域进行了多次试验,其稳定通信距离在7 500 m左右,扩展通信距离可达到10 000 m.第2代语音通信样机加入了信道纠错编码,增强了通信过程中的容错能力,提高系统的鲁棒性.在厦门极浅海域进行了多次试验,其稳定通信距离在10 000 m左右,扩展通信距离可达到12 000 m.据美国《国防》月刊2009年1月号报道:美海军解决潜艇深海通信难题.据其公开的参数指标,该难题关键技术厦门大学水声通信科研组也已经解决.近年来,课题组成功研制了第3代语音通信样机,其通信体系结构能适用于远、中、近程3种信距,差别仅在于工作频率和发射功率,有广阔军事应用前景.

针对水声信道可用带宽窄,信息传输速率低的特点,结合OFDM可有效抵抗多径时延的优势,将基于OFDM技术的高速水声通信系统作为研究目标,旨在构建具有高速、信号隐蔽性强,有效抵抗水声信道频率选择性衰落的水声通信样机,实现水下语音、图像、文本等多媒体信息的可靠传输.多年来,我们针对复杂的浅海水声信道特点,对OFDM技术应用于水声通信进行了一系列较为深入的研究,通过对水声OFDM通信系统的同步体系、信道估计与均衡、信道编码方案以及分集技术等关键技术的研究,结合高噪声的水声环境下提取微弱水声信号方案,已构建了完整的水声OFDM图像传输系统方案[14].

经过多次在厦门五缘海域和白城海域的白天夜间的实验表明,水声OFDM系统可以有效的抵抗水声信道的多途干扰.特别是构建的基带OFDM系统在实验中显示其稳健性.采用DSP技术和嵌入式技术完成了水声OFDM通信系统的样机实现,并进行了海试.与此同时,还进行了前沿性的水声通信系统和水声信号处理方法的探索研究,构建了CI/OFDM水声通信系统及其相应的算法研究.根据在厦门港浅海域的多次实验,水声OFDM通信系统取得了较好的阶段性实验结果[15].厦门港海试结果为:水平传输距离820 m时,传输速率1.5 kbit/s,不同海况下数据误码率均小于10-4.在频带系统中,当传输速率4.8 kbit/s,数据误码率在10-3量级.系统融合了信道编码技术后,若误码率在10-1～10-2以下,误码率可以进一步降低1～2个数量级.若误码率在10-3量级,纠错后,可实现无误码.图2是在厦门港浅海域的图像传输效果图及接收信号的时域波形图和通信系统中的同步信号.

实验室在水声网络方面开展了深入、系统的研究.重点包括以下3个方面:

1)水声通信网络多址接入技术研究.针对浅海水声网络多址接入技术开展研究,旨在研制成具有跳频码分多址(FH-CDMA)接入、鲁棒性强、低误码率、符合自组织网络的水声

跳频通信机(作为节点),提出一种能适应水声环境的媒体接入协议.2)基于OPNET仿真软件的水声网络接入控制协议.对MACAW协议进行优化,使MAC协议更适合于水声网络环境中的应用,减少能量的消耗.优化方案中引入了S-MAC的睡眠引导机制,并在网络分析软件OPNET上进行验证.引入SMAC睡眠机制的优化MACAW协议分别在一跳拓扑上进行了仿真.3)水声网络多节点连网试验研究.采用FPGA构建设计并实现水声通信网络系统,对其中关键的MAC层MACW协议进行了编程、路由协议等研究,在实验室水池和厦门港海域实现了多节点的连网试验.图3是实验室参考国内外提出的水声通信网络模型,自主提出的一种水声网络拓扑结构[15].

随着人类科技的进步,能源的消耗,海洋必将是以后人们关注的重点,而与海洋密切相关的水声通信技术也会迎来新的机会和挑战.目前,人们对水声通信的研究仍然集中在相位相干系统的研究上,自适应均衡、阵处理、纠错编码等也是人们研究的热点.但是水声通信网络和高速的水声通信系统应该是未来水声通信的发展趋势.

致谢:参与本研究的还有许肖梅教授、童峰教授,彭超、伊锦旺、林文等博士研究生,以及几十位硕士研究生.

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