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

1、水聲通信的研究已經(jīng)有了很長一段時間，對于水下遙感勘測/水聲通信的需求存在很多方面，如環(huán)境監(jiān)測、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)不斷波動等特點，它是無線信道中最復(fù)雜的一種信道。
　　在很多水聲通信應(yīng)用中，如監(jiān)測、隱蔽跟蹤、遠(yuǎn)距離無線遙感勘測等，信噪比通常都不是很高，因為高信噪比不利于隱蔽通信，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)測器通信出現(xiàn)錯誤的主要原因。傳統(tǒng)的解決該問題的辦法是采用糾錯編碼/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，接收信號是所有多途信號的疊加，因此由多途信道引起的信號多徑分量應(yīng)該加以利用。同時，對于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)來說，上述提到的技術(shù)應(yīng)該適用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的通信。
　　在低信噪比下，接

3、收端面臨的一個問題是缺乏可靠的同步技術(shù)，傳統(tǒng)的同步方法是發(fā)射一個高信噪比的具有大時間帶寬積（如 LFM/HFM信號）的信號作為前導(dǎo)信號，使用特殊的同步信號，容易暴露通信節(jié)點，提高截獲概率，同步信號較高的信噪比同樣容易被敵方偵查和截?fù)簟?br>　　為了解決上述問題，滿足低信噪比下隱蔽通信的需求，直接序列擴頻技術(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)射信號的結(jié)構(gòu)設(shè)計。我們可以設(shè)計這樣一種信號幀結(jié)構(gòu)，在接收端通過多途消除等技術(shù)可以提高接收信號信噪比，接收機可以通過對多途信號分集接收，收集所有多途信號能量，文中設(shè)計了一種適合于水聲通信的簡單有效的DSSS通信方案，在此方案中，設(shè)計了一種新的發(fā)射信號幀結(jié)構(gòu)，使用多個擴頻序列和長擴頻碼來簡化接收機端的處理。在一幀信號中使用多個擴頻序列已經(jīng)在文獻(xiàn)中被證實有效，例如文獻(xiàn)[2]中，Yang使用一個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)移位會出現(xiàn)模糊問題。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，本文中使用多個長碼序列可以靈活的調(diào)整數(shù)據(jù)速率，同時獲得比較好的LPI/LPD。文中提出的算法，在信號傳輸過程中，每幀信號中都有信道估計，因此很容易獲得擴頻碼的同步。
　　為了在低信噪比和不使用特殊信號情況下解決同步問題，文中采用DSSS信號作為同步信號，DSSS信號低噪比時類似于噪聲信號，在未知先驗擴頻序列的情況下，

6、很難從信息信號中分辨出來。為了實現(xiàn)低信噪比下的可靠同步，文中提出了一種在一幀信號中加入多個同步信號提高同步可靠性的算法。在接收端可以通過擴頻增益提高接收同步信號的信噪比，同時，多個同步信號可以使用信號合并技術(shù)提高同步信號的信噪比。因此，該方法滿足了低信噪比下低檢測概率的要求。文中同時提出了一種改進的同步處理方法，該方法利用信號合并技術(shù)可以在低信噪比和負(fù)信噪比下完成同步過程。
　　水聲信道對水聲通信來說有著重要的意義，信道條件對通信

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)計之內(nèi)。文中提出的直接序列擴頻水聲通信方法主要是針對西北部的阿拉伯海域信道特點，因此對于該區(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)實際測量參數(shù)對該區(qū)域的水聲信道進行了建模，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]對時變信道進行了建模[4]，得到了從2004年至2012年時變信道沖激響應(yīng)

8、以及感興趣的相關(guān)參數(shù)。
　　論文主要研究了兩個方面的內(nèi)容，第一部分是為實現(xiàn)海底固定節(jié)點網(wǎng)絡(luò)點對點、低速率、低復(fù)雜度、遠(yuǎn)程監(jiān)控/控制通信，研究了簡單的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，進行了仿真和外場實驗驗證，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)，進行了相應(yīng)的仿真驗證工作。上述提到的算法主要通過計算機建模和仿真，同時部分算法經(jīng)過了水池試驗和湖上試驗的驗證。
　　利用文中

9、的信道模型，對本文提出的通信算法方法進行評估，第四章給出了結(jié)論，表明該算法可適合在modem上進行算法實現(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：
　　采用實際的時變信道評估文中提出的算法，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、域的實時更新的相關(guān)海洋數(shù)據(jù)。
　　獲得了長時間的時變信道響應(yīng)函數(shù)，該函數(shù)是由實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。
　　通過從這些信道接收到的信號，采用離散數(shù)據(jù)擬合來確定背景統(tǒng)計分布函數(shù)以及獲得其相關(guān)參數(shù)。
　　設(shè)計了一種簡單有效的水聲DSSS通信算法。在該算法中，設(shè)計了一種新的發(fā)射信號幀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使用多個序列和長擴頻碼來簡化接收機的處理過程，使用該幀結(jié)構(gòu)，可以