專利名稱：深海遠程水聲通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通訊技術(shù)，特別是一種水聲通信技術(shù)，更確切地說，涉及實 現(xiàn)深海遠程水聲通信的一種方法。(二) 背景技術(shù)信息化深海資源開發(fā)、能源開發(fā)是關(guān)系到我國可持續(xù)發(fā)展的百年大計。盡快 開發(fā)利用深水油氣資源，關(guān)系到能否有效緩解我國日益嚴重的石油資源緊缺的局 面，關(guān)系到國家石油資源的安全和經(jīng)濟安全。開發(fā)深海油氣資源要有更復雜的技 術(shù)，需要有母船、水下作業(yè)機器人和深海固定開發(fā)基站協(xié)同作業(yè)。深海遠程水聲 通信將提供傳輸監(jiān)測、遙控和安全保障所需的信息服務，其研究迫在眉睫，將成 為制約水下信息領(lǐng)域發(fā)展的核心因素之一。目前遠程通信只是從通信技術(shù)角度進行設(shè)計，沒有充分利用深海信道特性， 遠程水聲通信通常是采用擴頻通信技術(shù)或LFM信號，均是單一的靠獲得擴頻或 相關(guān)增益，以提高通信距離。雖然擴頻通信具有抗干擾、抗多途、保密性強和易 于實現(xiàn)碼分多址等優(yōu)點，但水聲通信可用頻帶有限，所以擴頻序列脈寬通常較大， 這將導致擴頻水聲通信的通信速率很低。信道多途擴展產(chǎn)生的碼間干擾是水聲通信的主要障礙之一，尤其是當多途擴 展時延長、各途徑幅度大時，對水聲通信將產(chǎn)生嚴重影響。眾所周知，通常的濾 波和提高發(fā)射功率對抑制多途干擾是不起作用的?？朔a間干擾的最簡單的方法 是在各碼片之間留有足夠長的等待時隙，使其碼元間的時間間隔大于多途擴展最 大時延，即在下一碼元到達時前一碼元的多途信號已經(jīng)消失，但該方法會導致通 信速率很低。自適應信道均衡是抑制碼間干擾的另一技術(shù)，通過對信道沖激響應 的估計，消除接收信號中的信道影響，從而消除碼間干擾，但盲均衡通常運算量 大且需要一些先驗知識，而非盲均衡則需要發(fā)送學習序列， 一旦信道過于復雜而 沒達到學習穩(wěn)態(tài)，則會導致后續(xù)的嚴重錯誤。上述抗多途干擾方法均是從抑制多 途信號的角度出發(fā)，而未能充分利用多途信號信息。另外，通信收、發(fā)節(jié)點間的信道形式直接關(guān)系到水聲通信質(zhì)量，而信道的系統(tǒng)函數(shù)對聲源和接收點的相對位置、環(huán)境參數(shù)、聲速分布等的變化十分敏感。因 此，研究深海遠程水聲通信，首先應對深海信道特性進行研究。然而目前尚未將 深海信道特性研究作為實現(xiàn)深海遠程水聲通信的一個重要研究環(huán)節(jié)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以克服現(xiàn)有單純依靠擴頻技術(shù)的遠程水聲通 信低速率的缺點和不足；能夠加大通信距離、提高通信質(zhì)量；能夠?qū)崿F(xiàn)低誤碼的 深海遠程水聲通信方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的(1) 將擴頻通信與Pattern時延差編碼水聲通信體制相結(jié)合，并采用M元 工作方式；(2) 在接收端采用單陣元被動式時間反轉(zhuǎn)鏡(PTRM)信道均衡技術(shù)；(3) 分析深海聲道特性，指出當聲源位于聲道軸附近時，沿聲道軸均為會聚區(qū)。本發(fā)明還可以包括1、 所述的將擴頻通信與Pattern時延差編碼水聲通信體制相結(jié)合，并采用M 元工作方式的編碼過程為產(chǎn)生M個具有優(yōu)點相關(guān)性能的擴頻序列，并生成擴 頻碼；由預發(fā)送數(shù)字信息6c決定選取出一個擴頻碼，并將其作為Pattern,再由 預發(fā)送數(shù)字信息6p確定Pattern時延差編碼的時延值；經(jīng)編碼過程得到信息碼信 號，在發(fā)射信息碼信號之前，先發(fā)射一LFM信號，既作為同步碼，又作為探測 碼。2、 所述的在接收端采用單陣元被動式時間反轉(zhuǎn)鏡(PTRM)信道均衡技術(shù) 是首先接收探測信號，并將其時間反轉(zhuǎn)作為預處理器；隨后將接收到的信息碼 信號經(jīng)過該預處理器；其輸出再與探測碼進行巻積，從而完成被動式時間反轉(zhuǎn)鏡 處理。3、 所述的分析深海聲道特性是通信前，在預工作區(qū)進行聲速測量，得到聲 道軸位置深度；將收、發(fā)節(jié)點置于聲道軸。本發(fā)明的優(yōu)點主要體現(xiàn)在(l)與傳統(tǒng)擴頻通信相比較，本發(fā)明中擴頻與 Pattern時延差編碼通信方法可有效提高其通信速率；(2)與常規(guī)的抗多途干擾 方法相比較，本發(fā)明中的單陣元被動式時間反轉(zhuǎn)鏡可充分利用多途擴展信號，既 有效的抑制了碼間干擾，又獲得聚集增益提高了信噪比；(3)通過結(jié)合深海信道 特性，更有利于實現(xiàn)穩(wěn)健的遠程通信。

圖1是M元擴頻Pattern時延差編碼通信原理圖； 圖2是被動式時間反轉(zhuǎn)鏡原理框圖；圖3、 4、 5是深海聲速分布及信道沖激響應，其中圖3為南海的聲速剖面 圖，聲道軸位于水下1000m左右；圖4為收、發(fā)節(jié)點均位于聲道軸、水平距離30km，利用射線聲學模型得到的信道沖激響應；圖5為位于聲道軸的固定節(jié)點 與位于150m海深的某用戶節(jié)點間的信道沖激響應，其水平距離亦為30km; 圖6是深海遠程水聲通信的系統(tǒng)方框圖；圖7、 8是深海聲線圖，其中圖7為聲源位于聲道軸時的聲線圖；圖8為聲源位于150m煤的聲線圖；圖9、 IO為深海聲傳播損失曲線，其中圖9為聲源位于聲道軸附近時的傳 播損失，圖10為聲源位于150m深時的傳播損失；圖ll、 12為時間反轉(zhuǎn)信道，其中圖11為圖4對應的時反信道，圖12為 圖5對應的時反信道；圖13、 14、 15為不同信噪比下的拷貝相關(guān)輸出(收、發(fā)節(jié)點均位于聲道軸)， 其中圖13 SNR=OdB，圖14SNR=-5dB，圖15 SNR--lOdB。 具體實施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述1、 M元擴頻Pattern時延差編碼通信M元擴頻通信即多進制擴頻通信，多個信息比特用一個擴頻碼進行傳輸， 它相對于傳統(tǒng)擴頻通信提高了傳輸速率，適合于帶寬有嚴格限制的水聲環(huán)境，具 有更強的抗干擾能力。本通信方法選用將M元擴頻通信與Pattern時延差編碼水聲通信體制相結(jié) 合，即獲得了擴頻通信可勝任遠程通信的特性，又有效提高了擴頻通信速率。 Pattern時延差編碼(Pattern Time Delay Shift Coding, PDS)水聲通信體制屬于脈位編碼，信息調(diào)制在碼元出現(xiàn)在碼元窗的時延差信息中，每個碼元寬度r。由Pattern碼型脈寬7;和編碼時間7;構(gòu)成，即7;=7;+7;。若將擴頻碼作為PDS體 制的Pattern碼元，則可進行完擴頻編碼后再進行PDS 二次編碼。圖1給出了 M 元擴頻Pattern時延差編碼通信原理圖。圖l中q、 c2..... c^為M個擴頻碼，它們具有優(yōu)良的自相關(guān)和互相關(guān)性能。發(fā)送的信息碼通過編碼選擇器，依據(jù)傳送的信息從這M個擴頻碼中選擇一 個作為Pattern碼型，這樣該擴頻碼攜帶上的信息量為log2 M bit,記為以該 擴頻碼作為Pattern碼型進行Pattern時延差編碼，即完成第二次數(shù)字信息編碼， 記為~。接收到的信息碼經(jīng)過M個拷貝相關(guān)器，通過檢測相關(guān)峰最大值判決出 碼的類型、譯出該碼型對應的數(shù)字信息6e，并測量此擴頻碼對應的時延差值，完 成PDS譯碼，得到數(shù)字信息6p。另外，擴頻Pattern時延差編碼通信的碼元占空比小于l，可節(jié)省功耗，這對 于追求于低功耗的水聲通信節(jié)點來說是有益的。2、單陣元被動式時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)
時間反轉(zhuǎn)鏡是與聲信道進行匹配的"最佳"空間和時間濾波器。本方法提出 采用單個陣元實現(xiàn)被動式時間反轉(zhuǎn)鏡(ptrm)，既可以滿足水聲通信節(jié)點追求 結(jié)構(gòu)簡單且低功耗的要求，又可以實現(xiàn)自適應均衡聲信道的效果，在抑制碼間干 擾的同時，可提高信噪比，從而增加通信距離。聲源在發(fā)射信息碼信號s(O前，先發(fā)射一探測信號;^)，將接收到的探測信 號時間反轉(zhuǎn)構(gòu)造一前置預處理器來實現(xiàn)被動式時間反轉(zhuǎn)處理。其原理框圖如圖2 所示。接收到的探測信號^W及信息碼信號^(0分別表示為式中符號0表示巻積運算， (0、 w,(O分別為疊加的本地干擾噪聲；WO為多 途聲信道的沖激響應函數(shù)，總的接收信號是通過接收點的所有沿不同途徑、不同 時刻到達的信號的干涉疊加。將a(0時間反轉(zhuǎn)得到a(-0 ，然后存貯作為預處理器的系統(tǒng)函數(shù)，并將力(/)經(jīng)過預處理器，輸出為^h(,)(8)A(-,)H)]=順(e)戶H) ,) /z(-0] + ", (0式中",(0 = ^ 0) (-0 + & ", 0)為噪聲干擾項；AO) /7(—0是聲信道沖 激響應函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)，相當于在時間上把接收到的多途擴展信號進行了壓縮、同相位疊加，其相關(guān)峰明顯高于旁瓣，可將其近似視為3函數(shù)，此時式(2)可寫為^ 0) s s(0 ; (—0 5(0 + a (0 (3)然后將預處理器輸出與XO作巻積運算，輸出為= 。 (0 禍=剛 + ", (0 洲 (4)選用線性調(diào)頻信號作為探測信號戶(0 ,其占用的頻帶應包含信息碼信號 占用的頻帶。因為； O)0p(-O《3(0，所以式(4)可寫為(5)式中"(/) = ^(0<8);^)為噪聲干擾項。此時，K0中的信號分量已近似為信息碼波形w)。單陣元時間反轉(zhuǎn)鏡只能利用兩節(jié)點間的多途信號，與基陣處理相比，這也犧牲了基陣的空間聚焦增益，導致旁瓣變高。下面分析單陣元時間反轉(zhuǎn)鏡聚焦多途信號得到的聚焦增益。設(shè)各途徑噪聲分量獨立且各途徑信號的信噪比相同，則經(jīng)信道傳播后接收到的探測信號A(O可6<formula>formula see original document page 7</formula>
從上述分析中可以看到，單陣元時間反轉(zhuǎn)鏡處理后，實現(xiàn)了多徑分集，信噪 比SNR2》SNR,(無多途信號時，"-"成立)。右式第二項為聚焦增益，其值與 多途信號的數(shù)量及幅度有關(guān)，即在聚焦過程中，波導邊界產(chǎn)生的多途效應增強了 時間反轉(zhuǎn)鏡聚焦信號的能量，較自由場(Free鄰ace)環(huán)境更具聚焦效果。所以信道 越是復雜，單陣元時間反轉(zhuǎn)鏡聚焦效果越好。
綜上所述，雖然單陣元構(gòu)成的時間反轉(zhuǎn)鏡得不到時間反轉(zhuǎn)鏡陣處理的空間增 益，導致旁瓣高于陣處理，但若將其應用于水聲通信中仍然可以將經(jīng)由聲信道產(chǎn) 生的多途信號同時同相位疊加，在時間上壓縮信號，消除碼間干擾，且可提高信 噪比，尤其當節(jié)點固定布放于深海聲道軸附近進行通信時，時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)將更 加適用，有利于實現(xiàn)遠程、高質(zhì)量水聲通信。
3、深海水聲信道特性分析
從通信論的觀點來看，海洋就是聲信道，水聲通信質(zhì)量很大程度上由水聲信 道特性決定，所以對信道特性的研究及如何利用聲信道特性以提高通信質(zhì)量是很 有價值的。
在南海資源礦藏區(qū)，海深均超過2000m，均有典型的深海聲道聲速分布且常 年出現(xiàn)。深海聲速分布曲線存在一極小值，其所處的深度稱為聲道軸。折射效應 反映了聲線在傳播過程中趨于彎向聲速小的水層，在深海聲道中，始于位于聲道 軸的聲源的部分聲線由于未經(jīng)受海面和海底反射所引起的聲能損失而保留在聲 道內(nèi)，傳播損失較小，可以傳得很遠，且在聲道中的會聚區(qū)的多途效應相對較小。 利用深海信道特性，本文提出將水聲通信網(wǎng)的固定節(jié)點置于聲道軸的通信方案。 圖3為南海的聲速剖面圖，聲道軸位于水下1000m左右；圖4為收、發(fā)節(jié)點均 位于聲道軸、水平距離30km，利用射線聲學模型得到的信道沖激響應；圖5為 位于聲道軸的固定節(jié)點與位于150m海深的某用戶節(jié)點間的信道沖激響應，其水 平距離亦為30km。
從圖4中可以看到，沿聲道軸傳播的聲線由于聲速度最小而晚到達，且由于 未經(jīng)界面反射而能量損失最小，所以能量相比于其他多途信號要大的多；另外， 圖4的信道多途擴展相對于圖5要簡單的多。
在深海聲道中，信道的沖激響應函數(shù)十分穩(wěn)定、聲起伏小。對于水聲通信來 說，若將收、發(fā)節(jié)點均置于聲道軸附近， 一方面是多途擴展導致的碼間干擾小， 另一方面是傳播損失小。所以本文提出將固定節(jié)點置于聲道軸附近，有利于實現(xiàn) 遠程、高質(zhì)量水聲通信，具有重要實用價值。
圖6示出了本發(fā)明的深海遠程水聲通信的系統(tǒng)方框圖，參照該圖和實施例， 進一步詳細描述本發(fā)明。
(1)在預通信工作區(qū)進行聲速測量，得到聲道軸位置深度，將收、發(fā)節(jié)點 置于聲道軸。
深海聲道是由深海聲速分布的特性所構(gòu)成。深海聲速分布存在一極小值，其 所在的水層稱為聲道軸。折射效應決定了聲線在傳播過程中趨于彎向聲速較小的 水層，因而，在深海聲道中，始于聲源的一部分聲線由于未經(jīng)受海面和海底反射 所引起的聲能損失而保留在聲道內(nèi)。由于傳播損失較小，特別當聲源位于聲道軸 附近時，沿聲道軸均為會聚區(qū)，聲信號可沿聲道軸傳得很遠，且在聲道會聚區(qū)的 信道沖激響應有效寬度較小。某南海的聲速剖面圖如圖3所示，其聲道軸在 1000m深度左右。圖7、 8為其聲源位于聲道軸附近和位于海面時的聲線圖，圖 9、 IO為它們相應的傳播損失圖。
由圖7可以看到沿著聲道軸，幾乎在所有距離上都是聲會聚區(qū)，其傳播損失 示于圖9，可以看到沿聲道軸的傳播損失很小，60km處的傳播損失只有86dB， 與圖IO對比，可以看出相同距離下，收、發(fā)節(jié)點均位于聲道軸時的傳播損失要 明顯小。所以若將通信節(jié)點布設(shè)在聲道軸上，則可實現(xiàn)遠程水聲通信。
(2)在發(fā)射端，產(chǎn)生M個具有優(yōu)點相關(guān)性能的擴頻序列，并生成擴頻碼，
記c,、 c2..... cM;由預發(fā)送數(shù)字信息&決定選取出一個擴頻碼，并將其作為
Pattern,再由預發(fā)送數(shù)字信息^確定Pattern時延差編碼的時延值，完成PDS編
碼，得到信息碼信號WO。
M取值為2的整數(shù)次冪。以AT-8為例，若二進制數(shù)字信息6^
，則選 q作為Pattern碼，若6^[10 1]，則選q作為Pattern碼。
下面討以實施例討論一下m元擴頻Pattern時延差編碼通信的通信速率。
設(shè)擴頻碼脈寬7;= 128ms; PDS編碼時間r,32ms，時間量化層Ar-lms，則 PDS編碼攜帶信息"- log2(7; M" =5bit。若采用BPSK編碼擴頻通信，則擴頻通 信速率約為1/7;"8bit/s;若按本文方案，每個擴頻碼被增加32ms的PDS編碼 時間，則每個信息碼元的脈寬r。-160ms，每個信息碼元攜帶信息量增加5bit，此 時擴頻Pattern時延差編碼的通信速率為(l+5)/r。 "38bit/s，通信速率提高約3.5 倍。若系統(tǒng)采用8進制(M=8)擴頻編碼方式，則可進一步提高通信速率，為 (3+5)/r。 =50bit/s;采用16進制(M=16)擴頻編碼方式，通信速率為 (4+5yr。=56.25bit/s。擴頻序列具有很好的多址特性，若再采用多路同時工作，則 通信速率在此基礎(chǔ)上可再成倍增加。
給定Pattern碼脈寬及編碼量化層后，可以確定最佳PDS編碼bit數(shù)n，以使 擴頻Pattern時延差編碼通信系統(tǒng)通信速率最高。通過仿真分析可知，隨著擴頻 碼脈寬增大，則與PDS編碼體制結(jié)合后通信速率提高的倍數(shù)越明顯。例如設(shè)擴 頻碼脈寬為256ms，則擴頻通信速率約為4bit/s;此時最佳PDS編碼bit數(shù)m為6， 即每個擴頻碼需被增加64ms的PDS編碼時間，每個信息碼元的脈寬7;-320ms，
此時擴頻Pattern時延差編碼的通信速率約為(l+6)/r。 "22bit/s，提高了 4.5倍。 尤其當系統(tǒng)帶寬較小或欲提高通信距離時(擴頻增益為擴展頻譜帶寬與擴頻碼脈 寬的乘積)，擴頻碼脈寬約為秒量級，增加幾十毫秒的PDS編碼時間則可增加幾 bit信息，對提高通信速率是非常顯著的。(3) 在發(fā)射信息碼信號之前，先發(fā)射一LFM信號，既作為同步碼，又作為 探測碼，記p(/)。(4) 在接收端，將接收到的探測信號時間反轉(zhuǎn)作為預處理器；隨后將接收 到的信息碼信號經(jīng)過該預處理器；其輸出再與探測碼p(O進行巻積，從而完成被 動式時間反轉(zhuǎn)鏡處理。被動式時間反轉(zhuǎn)鏡的輸出信號，將多途擴展信號聚焦，既 抑制了碼間干擾，又提高了信噪比。圖4、 5所示的深海聲信道的信道沖激響應，所對應的時反信道《(0如圖11、 12所示。時反信道《(0是接近理想的，它只有一個主峰，旁瓣級很小，獲得多途 信號能量的"聚焦"效果，因此在時反鏡均衡后通信的誤碼率可顯著減小，并可 提高信噪比。(5) 將時間反轉(zhuǎn)鏡輸出信號送入拷貝相關(guān)器組。以發(fā)送端6f[10 1]、選q 為例，則通過最大值判決，可確定Pattern為擴頻碼q，從而解調(diào)出數(shù)字信息Z c; 同時測量此擴頻碼對應的時延差值，完成PDS譯碼，得到數(shù)字信息6p。圖13、 14、 15給出了收、發(fā)節(jié)點均位于聲道軸時，在不同信噪比下的拷貝 相關(guān)輸出波形圖。仿真統(tǒng)計了系統(tǒng)在深海、通信距離30km的誤碼率若單通道 工作(通信速率50bit/s)，當接收信噪比大于OdB時接近于O誤碼，當接收信噪 比為-10dB時誤碼率為10—4左右；若6通道同時工作(通信速率300bit/s)，當接 收信噪比大于OdB時，誤碼率約為IO-3。
權(quán)利要求
1、一種深海遠程水聲通信方法，其特征是(1)將擴頻通信與Pattern時延差編碼水聲通信體制相結(jié)合，并采用M元工作方式；(2)在接收端采用單陣元被動式時間反轉(zhuǎn)鏡信道均衡技術(shù)；(3)分析深海聲道特性，利用當聲源位于聲道軸附近時沿聲道軸均為會聚區(qū)的特性。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深海遠程水聲通信方法，其特征是所述的將擴 頻通信與Pattern時延差編碼水聲通信體制相結(jié)合，并采用M元工作方式的編碼過程為產(chǎn)生M個具有優(yōu)點相關(guān)性能的擴頻序列，并生成擴頻碼；由預發(fā)送數(shù)字信息6c決定選取出一個擴頻碼，并將其作為Pattern,再由預發(fā)送數(shù)字信息 ~確定Pattern時延差編碼的時延值；經(jīng)編碼過程得到信息碼信號，在發(fā)射信息 碼信號之前，先發(fā)射一LFM信號，既作為同步碼，又作為探測碼。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的深海遠程水聲通信方法，其特征是所述的在接收端釆用單陣元被動式時間反轉(zhuǎn)鏡信道均衡技術(shù)是首先接收探測信號， 并將其時間反轉(zhuǎn)作為預處理器；隨后將接收到的信息碼信號經(jīng)過該預處理器； 其輸出再與探測碼進行巻積，從而完成被動式時間反轉(zhuǎn)鏡處理。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的深海遠程水聲通信方法，其特征是所述的 分析深海聲道特性是通信前，在預工作區(qū)進行聲速測量，得到聲道軸位置深度； 將收、發(fā)節(jié)點置于聲道軸。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3或2所述的深海遠程水聲通信方法，其特征是所述的 分析深海聲道特性是通信前，在預工作區(qū)進行聲速測量，得到聲道軸位置深度； 將收、發(fā)節(jié)點置于聲道軸。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種深海遠程水聲通信方法。(1)將擴頻通信與Pattern時延差編碼水聲通信體制相結(jié)合，并采用M元工作方式；(2)在接收端采用單陣元被動式時間反轉(zhuǎn)鏡(PTRM)信道均衡技術(shù)；(3)分析深海聲道特性，指出當聲源位于聲道軸附近時，沿聲道軸均為會聚區(qū)。本發(fā)明的優(yōu)點主要體現(xiàn)在(1)與傳統(tǒng)擴頻通信相比較，本發(fā)明中擴頻與Pattern時延差編碼通信方法可有效提高其通信速率；(2)與常規(guī)的抗多途干擾方法相比較，本發(fā)明中的單陣元被動式時間反轉(zhuǎn)鏡可充分利用多途擴展信號，既有效的抑制了碼間干擾，又獲得聚集增益提高了信噪比；(3)通過結(jié)合深海信道特性，更有利于實現(xiàn)穩(wěn)健的遠程通信。
文檔編號H04B13/02GK101166065SQ20071007255
公開日2008年4月23日 申請日期2007年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月24日
發(fā)明者惠俊英, 殷敬偉, 王逸林, 郭龍祥 申請人:哈爾濱工程大學