水声信道

摘要： 无线通信网络在陆空域已取得成熟应用,而水声信道的长延时、强多途、多时变等特征导致水声通信网络研究滞后。在综合分析水声通信网络体系结构与信道特性基础上,对典型媒体访问控制(MAC)协议在水声移动通信网络的适用性进行了对比分析。针对水下多平台协同反潜作战需求,进行了水下小规模移动通信网络MAC协议的初步设计。

摘要： 针对海洋环境不确定性导致水声信道容易受到各种威胁和攻击的问题,提出了一种基于海洋水声信道的密钥协商方案。该方案首先对海洋环境的不确定性进行建模,构造计算噪声、多径、多普勒参数表达式,提出了基于Rényi熵的水声信道干扰因子概念;其次,基于Twisted Edwards椭圆曲线构造Hash函数,进行身份的认证与初始密钥的提取;然后,使用分段初始密钥的典型序列作为初始化种子,生成分段Toeplitz矩阵,并对Toeplitz矩阵与初始密钥的矩阵乘法采用分块运算生成标签,进行初始密钥的安全传输;最后,初始密钥经再次Hash,实现了保密增强并生成了最终的安全密钥。通过信息理论证明了所提方案的正确性、健壮性和保密性,并得出了敌手主动攻击成功概率的上界。仿真结果表明,当初始信息量为50000 bit时,敌手主动攻击成功率的上界为4.3×10^(-23),密钥生成率为631 bit/s。与现有方案相比,所提方案在密钥生成率和误比特率方面具有明显的优势。

摘要： 针对传统水声信道估计受噪声影响大和产生频谱泄露等问题,文章提出基于变换域的改进离散傅里叶变换(DFT)算法。该算法首先根据导频信息采用最小二乘法(LS)算法估计出信道响应,再经过DFT变换到时域,在时域中进行加窗、设置门限阈值等操作进一步消除信道响应中的噪声,再结合水声信道模型,并在现场可编程逻辑门阵列(FPGA)平台上实现水声信道的估计,实现算法的硬件加速。经过验证,该算法较传统算法提升了算法抗噪声的性能,并改善了频谱泄露的问题,同时对水声信道的多径干扰以及时频不稳定具有较好的适应性,对水声通信设备集成化具有一定的实用意义。

摘要： 针对水声信道复杂多变、强多途和大起伏干扰等特点,本文建立了以极化码作为信道编码方案的水声通信系统,以提高水声数据传输的可靠性.针对声速为常数的均匀介质信道(Invariable Sound Velocity Gradient,IS⁃VG)、负声速梯度信道(Negative Sound Velocity Gradient,NSVG)及正声速梯度信道(Positive Sound Velocity Gradient,PSVG),提出将蒙特卡洛构造作为极化码的构造方案,并在各自信道下进行性能仿真.结果表明,本文所提出的极化码构造方案在三种信道下可行有效.与码长相近的低密度奇偶校验(Low Density Parity Check,LDPC)码相比,极化码编码结构清晰,编码复杂度较LDPC码更低,在同等信噪比条件下极化码的纠错性能更优,在提高信噪比时其误码率曲线下降速度更快,可以获得更高的编码增益,证明了极化码在水声通信系统中具有很强的竞争力,可以较为明显地提高水声通信系统的性能,在复杂的水声信道中拥有很好的应用前景.

摘要： 针对水声信道复杂多变和离散傅里叶变换带来的栅栏效应问题,提出了一种简单有效的基于频域牛顿迭代的水声频率估计算法。算法利用离散傅里叶变换粗估计接收信号频率,将粗估计值作为牛顿迭代的初始值进行两次迭代,极大弥补栅栏效应造成的估计误差,最终实现精确的水声频率估计。良好的仿真(发射频率9kHz,采样频率120kHz)、水箱试验(发射频率10kHz,采样频率120kHz,收发节点间水平距离0.4m)和海上试验(静止试验和漂浮试验均发射8组不同频率的单频信号,初始频率7kHz,终止频率14kHz,间隔为1kHz,采样频率120kHz,静止试验收发节点水平距离500m,漂浮时收发节点初始距离700m)结果均验证了所提算法的有效性。

摘要： 随着水下场景观测需求日益增长,面向水声信道传输的视频编码技术研究逐渐兴起。该技术旨在克服水声信道带宽窄、延时高和传输易错三大缺陷,可为自主式水下航行器等海洋装备的光学成像系统提供有力的技术支持,在深海探测与作业领域具有重要的应用价值。归纳了国内外在面向水声信道传输的视频编码技术方面的研究进展,并分析了水下视频编码研究现存的问题以及今后的发展方向。

摘要： 对水下声源目标进行匹配场定位时,当存在强水面干扰声源,采用线性匹配场处理器和对角加载的最小方差无畸变响应匹配场处理器均无法正确定位水下目标声源,文章在对加权向量的讨论基础上,提出了最优加权向量,通过限制对干扰声源的响应,同时保持对目标声源的响应不变,求解该最优加权向量,并通过数据仿真验证了水面声源与水下声源强相关且声源级之比为10dB时,仍能准确定位水下弱声源目标.

摘要： 针对复杂通信条件下,水声信道均衡困难问题,提出了一种融合常数模算法(Constant Modulus Algorithm,CMA)和深度学习的均衡算法.该算法将通信系统接收端信号处理的过程划分为均衡和去噪两个阶段.在均衡阶段,采用CMA实现对发射信号的快速均衡;在去噪阶段,采用堆栈自编码器(Stacked Auto-encoders,SAE)实现对发射信号的高精度恢复.水声信道仿真结果表明,该算法有效去除了信号中的噪声,降低了误码率,提升了通信质量.

摘要： 水声通信网络在海洋目标定位和导航、资源勘探和开发、环境感知和监测等领域有重要应用,其中水声信道特性研究及其建模与仿真是建立通信网络的基础,而目前水声通信网络中的信道建模与仿真尚未有公认的标准方法.因此,基于对水声信道传播特性的分析,探讨了典型水声信道特性给水声通信网络设计带来的挑战;对比了经验模型、声场模型、基于本征路径的多径信道模型和基于统计特性的时变信道模型等水声信道模型,仿真结果表明:水声信道结构的变化明显影响接收性能;阐述了基于水声信道特性的水声网络仿真工具和方法,分析了其特点;最后进行了总结,并展望了未来水声通信网络信道建模与仿真的发展方向.

摘要： 针对定步长自适应均衡算法收敛速度与稳态性能之间的矛盾,提出一种适用于自适应均衡器的变步长仿射投影算法.该算法考虑到传统仿射投影算法中约束条件迫使自适应滤波器补偿干扰信号的影响,当步长较大且干扰信号存在时,引起稳态性能下降的问题,通过建立一个新的约束条件,并利用先验误差向量的定义,得到一种适用于仿射投影均衡算法的步长调节方法.理论分析和计算机仿真结果表明:所提算法与定步长仿射投影算法和变步长最小均方算法相比,具有更快的收敛速度和更低的失调率和误码率.

摘要： 应用频率综合理论,分析了使用简正波模型模拟水声信道时的计算量.根据频域采样性质,给出了利用频率窗和时间窗算法模拟信道时的运算量.结合重叠相加法,导出了较长发射信号分段计算流程.分别使用标准BELLHOP射线模型和KRAKEN简正波模型模拟了浅海Pekeris波导的信道冲激响应和对应的接收信号.计算结果表明,使用频率窗和时间窗算法可以降低信道模拟时的运算量,大幅提高运算速度.

摘要： 信道纠错编码对提高水声通信系统的误比特性能具有重要意义.将信道译码器和自适应判决反馈均衡器级连,比较研究了非规则LDPC码、(3,6)规则LDPC码和Turbo码在浅海水声信道中的性能.结果表明:短码长时,三种纠错编码的性能基本相同,但随着码长的增大,非规则LDPC码的性能明显优于Turbo码和规则LDPC码.当码长8000,误比特率10-4时,非规则LDPC码的性能比Turbo码和规则LDPC码分别提高了约0.23和0.33dB.

摘要： 为更好的实现水声信道的实时仿真,特别是为了实现海洋信道在DSP处理机上实时模拟,同时考虑DSP板的处理速度,给出了一个合理及高效的选取声线数目的方法.本文首先研究了基于BELLHOP模型的射线模型理论,在此基础上分析了各海洋环境对声传播的影响,提出了声线数目选取的能量准则.测试结果表明,当系统对信道仿真的时间比较苛刻时,可以只选择所有声线中按幅值降序排序的前10条声线进行模拟;不很苛刻时,可选取20条或者更多的声线进行模拟.

摘要： Bellhop模型是水声信道计算与仿真中应用最为广泛的模型之一,本文就Bellhop模型中Munk声速剖面下的声线仿真进行建模分析,通过对不同掠射角的讨论得出,选择合适的掠射角和声线数目十分重要,这为初学者进行水下声学仿真提供了参考.

摘要： 海洋声传播对空间参数的变化十分敏感,信道冲激响应随空间的变化使水声信道的传输能力受到很大限制.本文研究分布式多跳水声网络中不同链路间信道响应的相关性,采用BELLHOP射线理论模型估计信道冲激响应,仿真计算分布式多跳水声网络中不同链路间信道响应的相关性,得出了分布式多跳环境下水声网络不同链路间信道保持着弱相关性的结论,为水声网络组网协议设计提供新思路.

摘要： 声起伏是水声信道中不可避免的现象,而导致这些起伏的声源或者机制主要存在于海表附近,因此水面目标和环境噪声起伏较大,而水下目标的声信号起伏较小,利用这一特性,采用非线性滤波器,可以有效抑制水面干扰,提高水下目标的检测概率,本文提出一种对连续时间目标方位进行水面干扰抑制的方法,并采用非线性滤波方法对Swell96的实验数据进行了处理,验证了该方法的有效性。

摘要： 本文提出了一种多元素联合优化的随机共振系统,可检测船舶航行辐射噪声等水下微弱信号.随着船舶减振降噪技术不断提升,低功率水声信号在水声信道传播时,受各种衰耗因素影响,导致实际截获到的必然是信噪比极低、特征能量非常微弱的噪声污染信号.本文利用蚁群算法使随机共振中的非线性系统、信号与噪声匹配并联合优化,输出信号在低信噪比下仍可获得较高增益,实现检测水下微弱信号的目的.仿真结果表明,与传统微弱信号检测方法相比,本文的算法能适用于各种复杂水域环境下的微弱信号检测,并具备高鲁棒性和良好自适应能力.

摘要： 在水声信道中,多径干扰会引起信号的频率选择性衰落,降低了信道容量,对通信、测距等有很大影响.由于多径干扰与源信号是相关的,常规处理很难去除多径干扰.复倒谱将多径信道输出的信号表示为输入信号和信道的相加的形式,由于信号和信道在复倒谱域上具有不同的性质,利用同态滤波器滤可在复倒谱域上降低信道对信号的影响,抑制多径干扰.本文首先研究复倒谱的性质以及水声多径信道模型,然后对多径信道同态滤波器进行仿真研究,最后,通过对水池实验数据的处理考察滤波器对多径干扰的抑制能力.

摘要： 声信道在水下多途环境中往往被构建成一个线性时变模型,且接收信号一般都具有宽带特性.当信号源与接收机之间存在相对运动时,接收的多途信号可以表示成一系列具有相应的时间延迟和振幅衰减的信号的叠加,且不同路径的接收信号将经过不同的多普勒因子变形.因此,多途信号的参数包含了时延、幅度和多普勒因子等,且其参数估计在很多应用场景中都有重要意义,如水声通信、声纳及海洋测绘等.文献利用迭代分数傅里叶变换来进行信道参数估计,该方法可运用于高频高信噪比的水声通信领域中.本文提出了一种基于迭代匹配滤波的信道参数估计方法,适用于更宽频率范围的信号,且在低信噪比环境下也有较好的处理效果.

摘要： 声信道在水下多途环境中往往被构建成一个线性时变模型,且接收信号一般都具有宽带特性.当信号源与接收机之间存在相对运动时,接收的多途信号可以表示成一系列具有相应的时间延迟和振幅衰减的信号的叠加,且不同路径的接收信号将经过不同的多普勒因子变形.因此,多途信号的参数包含了时延、幅度和多普勒因子等,且其参数估计在很多应用场景中都有重要意义,如水声通信、声纳及海洋测绘等.文献利用迭代分数傅里叶变换来进行信道参数估计,该方法可运用于高频高信噪比的水声通信领域中.本文提出了一种基于迭代匹配滤波的信道参数估计方法,适用于更宽频率范围的信号,且在低信噪比环境下也有较好的处理效果.

摘要： 本发明公开了一种利用水声信道多径效应的水声通信接收机的实现方法，方法包括：在正交频分复用多载波技术的基础上，利用多路径效应基于时间反转层‑批归一化层‑卷积层组成的神经网络模型进行时间反转信号处理和特征提取，以此作为通信系统的接收端；通过全连接层实现网络的最终输出；在训练阶段，以提取和学习输入特征，通过最小化损失函数推断接收信号和二进制数据之间的关系；在测试阶段，将接收到的信号输入到训练后的网络模型中，恢复出二进制数据。本发明提高了水声通信接收机的性能，能够适应不同的水声信道环境。

摘要： 本申请涉及一种水声信道估计方法、系统、水声设备和存储介质。所述方法包括：接收水声信号，将所述水声信号转化为第一信号，对所述第一信号进行降采样处理，获得第二信号，所述水声信号为带通形式；将所述第二信号进行分组，获得第三信号；逐一将每组所述第三信号的带宽降采样到基带信号的带宽，获得第四信号；对所有所述第四信号利用压缩感知的稀疏信道估计算法进行估计，获得估计信道信号；将所有所述估计信道信号通过交叉排列重构，获得信道信号，采用本方法能够通过分组、降低采样可以完成基带采样点以及两个基带采样点之间的信道评估，提高了信道评估的准确度，且使用压缩感知技术可对宽带信号进行信道评估。

摘要： 本发明公开了一种水声通信中的水声信道干扰消除方法，所述方法包括：步骤1)建立水声信道的冲激响应时域模型和冲激响应频域模型；步骤2)利用训练序列根据水声信道的冲激响应时域模型训练得到信道冲激响应矩阵；步骤3)利用信道冲激响应矩阵消除训练序列对信息序列的信道干扰，得到消除干扰后的信息序列；步骤4)对消除干扰后的信息序列进行信道间的均衡，得到信道均衡后的信息序列的估计；步骤5)对信息序列的估计进行软判决译码，得到最终的硬判决比特。本发明的方法中可以得到较为准确的反馈符号，可以更好地消除码间干扰，改善误差传播效应。

摘要： 本发明提供的是一种水声信道参数测量方法及移动水声通信同步获取方法。对接收信号作分数阶Fourier变换，搜索最佳分数阶数；对最佳分数阶数的分数阶Fourier变换输出，计算其模值；设定门限，进行峰值检测；通过测量分数阶Fourier变换模值的峰值的幅度和时延，得到声信道多途结构的参数估计；测量分数阶Fourier变换模值的峰值的最大值，遮蔽处理；进行逆分数阶Fourier变换；以逆分数阶Fourier变换的输出时域信号，作为拷贝相关器的参考信号，以相关输出峰值作为开窗时基，实现移动水声通信同步。本发明可适用于存在多途扩展及多普勒频偏的声信道参数测量和通信同步获取，而测量声信道并对其参数进行估计对提高探测性能、实现通信信道均衡等方面有着积极意义。

摘要： 本发明公开了一种利用水声信道多径效应的水声通信接收机的实现方法，方法包括：在正交频分复用多载波技术的基础上，利用多路径效应基于时间反转层‑批归一化层‑卷积层组成的神经网络模型进行时间反转信号处理和特征提取，以此作为通信系统的接收端；通过全连接层实现网络的最终输出；在训练阶段，以提取和学习输入特征，通过最小化损失函数推断接收信号和二进制数据之间的关系；在测试阶段，将接收到的信号输入到训练后的网络模型中，恢复出二进制数据。本发明提高了水声通信接收机的性能，能够适应不同的水声信道环境。

摘要： 本申请涉及一种水声信道估计方法、系统、水声设备和存储介质。所述方法包括：接收水声信号，将所述水声信号转化为第一信号，对所述第一信号进行降采样处理，获得第二信号，所述水声信号为带通形式；将所述第二信号进行分组，获得第三信号；逐一将每组所述第三信号的带宽降采样到基带信号的带宽，获得第四信号；对所有所述第四信号利用压缩感知的稀疏信道估计算法进行估计，获得估计信道信号；将所有所述估计信道信号通过交叉排列重构，获得信道信号。采用本方法能够通过分组、降低采样可以完成基带采样点以及两个基带采样点之间的信道评估，提高了信道评估的准确度，且使用压缩感知技术可对宽带信号进行信道评估。

摘要： 本发明公开了一种水声通信中的水声信道干扰消除方法，所述方法包括：步骤1)建立水声信道的冲激响应时域模型和冲激响应频域模型；步骤2)利用训练序列根据水声信道的冲激响应时域模型训练得到信道冲激响应矩阵；步骤3)利用信道冲激响应矩阵消除训练序列对信息序列的信道干扰，得到消除干扰后的信息序列；步骤4)对消除干扰后的信息序列进行信道间的均衡，得到信道均衡后的信息序列的估计；步骤5)对信息序列的估计进行软判决译码，得到最终的硬判决比特。本发明的方法中可以得到较为准确的反馈符号，可以更好地消除码间干扰，改善误差传播效应。

摘要： 本发明提供的是一种水声信道参数测量方法及移动水声通信同步获取方法。对接收信号作分数阶Fourier变换，搜索最佳分数阶数；对最佳分数阶数的分数阶Fourier变换输出，计算其模值；设定门限，进行峰值检测；通过测量分数阶Fourier变换模值的峰值的幅度和时延，得到声信道多途结构的参数估计；测量分数阶Fourier变换模值的峰值的最大值，遮蔽处理；进行逆分数阶Fourier变换；以逆分数阶Fourier变换的输出时域信号，作为拷贝相关器的参考信号，以相关输出峰值作为开窗时基，实现移动水声通信同步。本发明可适用于存在多途扩展及多普勒频偏的声信道参数测量和通信同步获取，而测量声信道并对其参数进行估计对提高探测性能、实现通信信道均衡等方面有着积极意义。

摘要： 本发明公开了基于子空间的多信道FIR滤波器海洋水声信道盲辨识算法，本发明所采用的技术方案是信道冲激响应系数通过二次型最小化来求得。本发明的有益效果是适当的样本数就能保证估计精度，尤其当采用少数几个噪声矢量估计信道参数时能满足估计精度，且极大地减小的计算量。

摘要： 本发明提供的是一种结合水声信道时间相关性的信道反馈方法。本发明通过握手过程中的发送数据指令消息RTS获取过时的信道状态信息，通过计算测试信号Test信号和RTS信号估计的信道状态信息的相关性作为水声时变信道相关性，将相关系数作为一个影响因子，与子节点估计的信道状态信息相结合，通过一阶高斯‑马尔可夫模型计算得到最终的适用于时变水声信道的反馈CSI。本发明简单易行，计算量小，结合节点每个子载波上的相关系数，得到适用于时变水声信道的反馈CSI值。这种方法能有效的减少反馈CSI对资源分配性能的影响。