水声通信中的信道估计与机器学习交叉研究进展

近年来,以深度学习为代表的机器学习技术飞速发展,凭借其出色的学习能力,在复杂环境条件下的建模问题中展现出了独特的优势。当前,基于机器学习的水声通信技术研究方兴未艾,在信道估计及均衡、典型通信系统应用等方面取得了一定的进展,但是针对实际水声环境约束条件下的研究较少。为此,文章围绕信道估计这一水声通信关键技术,针对水声信道估计中存在的样本不足,标签标定困难以及水声环境时空变导致的源域、目标域失配等问题,讨论了水声信道估计与数据增强、无标签学习、少样本学习等模型和方法交叉研究的发展思路,并给出了初步的仿真和试验结果。文章是对水声通信中的信道估计与机器学习交叉领域研究重难点问题的初步探索,为水下各类平台自主智能化的通信技术发展提供了参考。     

MC-CDMA技术在水声通信中的应用研究

MC-CDMA技术是正交频分复用和码分多址技术相结合的综合技术,兼有OFDM和CDMA的优点。在水声通信中,由于海洋信道的复杂性,尤其在浅海信道中,存在严重的多途干扰和海洋环境噪声以及严重的时变和空变特性,因此水声信号的衰落很严重。为了在条件恶劣的水下声信道中实现高速可靠通信,将MC-CDMA技术应用于水声通信。该研究分析了MC-CDMA技术的基本原理,并通过仿真MC-CDMA系统和OFDM系统,以及两个系统的水池实验,验证了在水声通信中MC-CDMA系统具有比OFDM系统更好的性能。     

高速数字水声通信系统的研究

远距离水下声通信可以利用的频带很窄,因此,高速水声通信系统中通常采用相干数字通信技术。由于水下声通信信道具有时变多径严重、相位起伏快等特点,成功实现高速水声通信系统的关键是研究高效、强壮的锁相环与均衡器算法。本文介绍北京邮电大学信息学院研究设计的高速数字水声通信系统方案和实现算法,并给出对实测数据的处理结果。     

水声通信中的信道建模与仿真技术研究

水声信道是水声通信的一个重要组成部分,它的研究可以提高水声信号传输的可靠性。对水声通信中不同信道模型的传播特性进行较为详细的理论分析,并用MATLAB仿真软件对不同的信道模型的传播损失特性进行仿真,为水声通信系统的信道设计提供理论基础。     

基于软件无线电的跳频水声调制解调系统

研究了软件无线电思想在水声通信中的应用,介绍了浅海水声信道条件下跳频水声通信系统的软件调制解调技术方案及其实现,在厦门港海域进行的海上图像通信实验证明了系统的有效性.     

极化码在OFDM水声通信中的应用研究

极化码（Polar code）因其高可靠性、实用的线性编、译码复杂度和理论上唯一可达香农极限等特点,成为信道编码领域新的研究热点。其编、译码方法的研究扩展至多种信道类型和应用领域,但在水声信道中的理论证明和应用研究相对较少且滞后。针对具有显著多途、多普勒扩散和有限带宽等复杂特性的水声信道,文章提出了与之相匹配的极化码信道编码机制;并结合正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）技术搭建水声通信仿真系统,研究极化码在OFDM水声通信系统中的性能表现;同时研究极化码在不同的水声信道模型、信道参数、码长、码率下的性能。仿真结果表明,在信噪比为4 dB时,码率为1/2的极化码在水声时变信道中的误码率可达10^-4～10^-5,优于低密度校验（Low density Parity Check,LDPC）、Turbo码,约有0.5～1 dB的性能增益,该极化码信道编码机制与水声信道相匹配,可有效提高水声通信的可靠性。     

码率兼容QC-LDPC码在水声通信中的应用

针对水声信道复杂多变、强多途和大起伏干扰等特点,提出采用码率兼容QC-LDPC码的自适应信道编码技术,以提高水声数据传输的可靠性和水声信道的信道吞吐率。建立了码率兼容QC-LDPC码在水声信道中的仿真模型,构造码率为1/2、2/3…5/6等一系列QC-LDPC码,在三种典型的水声信道中对其性能进行仿真。结果表明所设计的码率兼容QC-LDPC码在三种不同信道下可行有效,能较大地提高水声通信系统的性能。由于信道时延越长、信噪比越低,满足通信指标的码率就越低;并给出码率兼容QC-LDPC码在浅海水声信道中不同信噪比下满足通信性能指标的编码码率的查找表。码率兼容QC-LDPC码提高了水声通信的信道利用率,具有灵活的编译码性能,在水声自适应通信中具有很好的应用前景。     

水声通信系统性能评估方法研究

水声通信系统性能主要受水声信道和通信体制影响,通常采取海洋水声试验的手段进行性能测试,但这需要进行多次不同信道条件下的试验才能得出正确的评估结论,难度较大且成本较高。因此,建立准确的水声通信系统性能评估模型和评估方法,对于通信系统设计及性能预测显得尤为重要。从水声信道模型开始分析,结合水声通信特点,讨论了典型水声通信接收机结构,提出了一种通用水声通信系统性能评估模型和方法,并针对采用QPSK调制的通信系统性能进行了评估,结果与海试数据较为接近。     

基于Pattern时延差编码体制的4信道水声通信

采用Pattern时延差编码(PDS)通信体制,研究了4通信信道水声通信技术。通信系统利用信息码元的时延差值进行时延编码,采用码元的多种不同波形(Pattern)来进行码元分割,另外还采用频率分割来划分通信信道。其优点是可有效对抗水声多途干扰并实现高速通信,通信速率达到1200bit/s。提出依据最小均方误差准则,利用波形相似性来联合估计两个信道的时延差值。通过大量海洋信道仿真实验,验证了PDS体制具有高通信速率和高可靠性。     

水声通信与水声网络的发展与应用

水声信道是迄今为止最为复杂的无线通信信道之一,其固有的时-空-频变以及窄带、高噪、强多途、长时延传输等特征,使水声通信和水声网络在性能上还难以满足人们在实际应用中的迫切需求,面临极大的技术挑战。介绍了水声通信与水声网络的特点和发展现状,分析了复杂多变的水声信道特点及水声通信所要解决的关键技术,包括调制、解调技术和信号检测技术;介绍了水声网络中的拓扑结构、多路访问、MAC协议和路由选择等方法。最后简要介绍美国Teledyne Benthos公司的水声Modem和美国海军的海网Seaweb网络及国内在此方面所取得的一些进展及应用前景。     

蛙人水下语音通信技术研究现状和展望

蛙人水下语音通信机是蛙人进行水下行动和作业必不可少的装备,在军事和民用等领域受到越来越多的关注。首先介绍了国内外蛙人水下语音通信机产品和技术的研究现状和成果,然后对蛙人水下语音通信机领域发展面临的关键问题进行了详细讨论。指出了越来越多的基于数字信号处理技术的调制解调技术被运用到蛙人水下语音通信领域中,可有效降低水下蛙人语音使用中多途效应和海洋环境噪声等干扰因素,提高通话质量,并已成为主要的研究方向;在结构方面,蛙人水下语音通信机由分体式、大体积向模块化、小型化、低功耗和一体式转变,这也成为未来发展的趋势。     

无线电遥控水声监测浮标

在传统的长基水声定位技术基础上,设计了一套集水声定位监测、无线电通信和水声遥控功能于一体的无线电遥控水声监测浮标系统,利用合作信标方式和询问应答方式对水下目标的三维运动轨迹进行测量,无线电通信和水声遥控功能相结合能实现对海底潜标的远程控制。系统设计中采用了一系列消除干扰、降低功耗的措施,提高了定位精度,延长了系统的工作时间。经水声拉距试验,到达7.8km处时,应答信号的时延值仍稳定;水声遥控指令在5.5km处时稳定可靠。在无线电拉距试验过程中,相距12km处通信质量良好。解算出的定位轨迹与目标船上的GPS轨迹基本一致,定位精度在5m左右。上述海上试验结果证明了系统的可行性和可靠性。     

基于DSK6455的OFDM水声通信算法设计与实现

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术由于其具有频谱利用率高、抗多径和抗脉冲噪声能力强、在高效带宽利用率情况下的高速传输能力以及实现方法简单的特点,成为了近年来水声通信中的研究重点和热点之一.基于OFDM技术,在SDI公司的TMS320C6455DSK(DSP Starter Kit)板卡上实现了实时水声通信,试验结果表明,在4.3km的水平通信距离上,采用QPSK调制,1/2卷积码编码,通信带宽为4kHz,通信速率达到了1873 bps,误码率小于10^-4.为实现OFDM技术的水声组网通信,水声语音、图像传输奠定了基础.     

冰下单载波水声通信试验研究

北极地区战略地位的提高促进了极区各种应用的快速发展,冰下水声通信成为其中一个热点问题。为了研究冰下单载波水声通信性能,在黄海冰区开展冰下试验。重点分析了内嵌锁相环的多通道判决反馈均衡(Multi-channelDecision Feedback Equalization, M-DFE)技术在冰下水声通信中抗多途时延的能力,研究比较了改进比例归一化最小均方(Improved Proportional normalized Least Mean Square, IPNLMS)算法和递归最小二乘(Recursive Least Squares,RLS)算法的均衡性能。试验结果表明IPNLMS和RLS都能克服信道多途效应带来的影响。在牺牲计算复杂度的前提下,RLS具有更好的均衡效果,M-DFE在冰下环境中能够有效消除码间干扰。     

基于正交频分复用的水下转发器的设计

为解决长距离高速水声数据传输问题,采用接力式水声数据转发传输是一个很好的解决方案。结合正交频分复用技术的特点设计实现了一个数字式的水下转发器系统。系统功耗低、结构简单,可以很好地解决水声通信中存在的多途干扰和窄带宽问题,实现高速、可靠的水下数据转发的目的。湖试中,在6000m的距离内,3kHz带宽下,转发速率为4.32kb/s,误码率低于10-3。湖试结果表明,基于正交频分复用的水下转发器可以达到较高的转发速率和较低的误码率。     

水声信道的研究与仿真

文中提出的时变多径水声信道模型基本上实现了对海洋水声信道的模拟,在一定程度上反映了海洋介质的物理特性：对Rayleigh衰落模型的仿真,反映了海洋介质的不均匀性以及信号在水声信道中传输的时变特性。每种信道模型都是对真实信道的近似模拟,必然有其适用的范围,要建立更加完善的信道模型还需要对更复杂的环境参数和信号的多径时变特性做进一步研究。     

基于深度学习的OFDM半相干水声通信方法

针对正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)水声通信中常用的相干和非相干通信分别面临的对多普勒敏感和频谱效率低的问题,提出一种高阶幅度键控调制的半相干通信技术,将OFDM符号时频帧结构中全部频点采用高阶幅度键控调制方式,并利用信号幅度信息完成半相干信道估计。通过两种基于深度学习的算法优化半相干信道估计这一非线性过程,较非相干通信有效提高了频谱效率,较一定信噪比下的相干通信提高了鲁棒性,降低了误比特率和系统复杂度,并利用元学习算法降低深度学习算法对训练数据的依赖。最后,提取海试信道数据,完成OFDM半相干水声通信系统仿真,验证了所提方法在频谱效率和系统误比特率性能方面较非相干和相干通信的优势,当信道长度改变时,基于元学习的算法依然可以获得较好的性能。     

矢量水听器在水声通信系统中的应用

将矢量水听器应用于水声通信系统,利用矢量水听器的指向性屏蔽强干扰。建立了基于矢量水听器的多载波正交频分复用(OFDM)系统模型,对各向同性噪声场中矢量水听器的增益进行了推导,为抑制相干干扰提供了新的解决方案,并进行了仿真验证。仿真研究表明,该方案能够有效地增强系统的抗各向同性干扰的能力,达到提高信噪比的目的,降低了误码率,增加了系统的稳健性。湖上试验验证了该方法的有效性,表明基于矢量水听器的水声通信系统可为实现高速水声通信提供一种有效的途径。