專利名稱：一種水面母船與水下用戶雙向水聲通信方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種通信方法，特別是一種實現(xiàn)水面母船與水下用戶雙向水 聲通信的方法。
(二)
背景技術：
海洋資源開發(fā)和海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)大都包括海底傳感器、自主式水下運 載器(AUV)、水下試驗儀器和水面母船等。母船需要從多個水下用戶獲取實時 數(shù)據(jù)，并把控制信息傳遞給各個用戶。這種配置形成一種交互式通信，可通過水 聲通信來實現(xiàn)，其具有靈活、方便、經(jīng)濟、不存在電纜纏繞等問題。
水聲信道是隨機時變、空變的，其界面反射和聲線彎曲導致多途擴展，由多 途擴展產(chǎn)生的碼間干擾是水聲通信的主要障礙之一。為了獲得高速率、低誤碼通 信，必須抑制碼間干擾。
時間反轉(zhuǎn)鏡(Time Reversal Mirror, TRM)可在沒有任何先驗知識的情況下 具有自適應匹配聲信道的作用。TRM已被廣泛應用于水聲通信中，包括主動式 TRM (Active TRM, ATRM)、被動式TRM (Passive TRM, PTRM)和虛擬式TRM (Virtual TRM, VTRM)。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種既能減小水下用戶設備的復雜性，又有利于提高 通信質(zhì)量的一種水面母船與水下用戶雙向水聲通信方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
(1) 在水面母船上設置由收發(fā)合置水聽器組成的垂直接收陣通信系統(tǒng)，水 下用戶設置單陣元構成的點源，水面母船與水下用戶之間間斷性進行信息交互；
(2) 水下用戶至水面母船的上行通信，采用虛擬式時間反轉(zhuǎn)鏡，探測碼、 亦為通信同步碼，由兩個LFM信號構成、即正調(diào)頻LFM+與負調(diào)頻LFM—;
(3) 在水面母船接收端，各陣元首先分別對接收到的探測碼進行存儲，同 時對其進行拷貝相關處理，以此完成信道估計，隨后接收到的信息碼與信道估計 的時間反轉(zhuǎn)進行巻積運算；
(4) 上行通信中，每個陣元均先進行信道估計、完成虛擬時間反轉(zhuǎn)鏡處理 后，重新同步，然后再疊加輸出進入解碼器；
(5) 水面母船至水下用戶的下行通信，以接收到的探測碼的時間反轉(zhuǎn)作為 信息碼元載體，進行編碼，傳送信息給水下用戶。
所述各陣元首先分別對接收到的探測碼進行存儲是正、負調(diào)頻LFM分別存儲。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，克服多途干擾，本發(fā)明在上行通信中利用虛擬式時間 反轉(zhuǎn)鏡抑制碼間干擾，下行通信中利用主動式時間反轉(zhuǎn)鏡使信號到達水下用戶時 已自動均衡信道，從而提出一種實現(xiàn)水面母船與水下用戶雙向水聲通信的方法。
本發(fā)明的優(yōu)點是可以利用上行、下行通信中的虛擬式時間反轉(zhuǎn)鏡和主動式時 間反轉(zhuǎn)鏡特性實現(xiàn)水面母船與水下用戶雙向水聲通信，在減小了水下用戶設備的 復雜性的同時，有利于提高通信質(zhì)量。
(四)


圖1是水面母船與水下用戶雙向水聲通信示意圖； 圖2是幀數(shù)據(jù)結構；
圖3-l 圖3-4是4個陣元與用戶間的信道沖激響應& ;^ ;圖3-5 圖3-8是 各陣元與用戶間信道沖激響應之間的互相關輸出(其中corr(.)表示互相關運算)；
圖4-l、圖4-2是未使用虛擬時間反轉(zhuǎn)鏡時的拷貝相關解碼輸出波形圖，其 中圖4-1為以LFM+為參考信號，圖4-2為以LFM.為參考信號；
圖4-3、圖4-4給出了使用虛擬時間反轉(zhuǎn)鏡時的拷貝相關解碼輸出波形圖， 其中圖4-3為以LFM+為參考信號，圖4-4為以LFM-為參考信號。
圖5-1、圖5-2是下行通信中的編碼信號，其中圖5-1對應LFM+編碼，圖 5-2對應LFM.編碼；
圖5-3、圖.5-4是拷貝相關解碼輸出波形，其中圖5-3為以LFM+為參考信號， 圖5-4為以LFM為參考信號。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述
(1) 水面母船對設備復雜性要求不高，所以通信系統(tǒng)由收發(fā)合置水聽器組 成的垂直接收陣構成，水下用戶通常追求結構簡單且低功耗，所以為單陣元構成 的點源，母船與水下用戶的信息交互都是間斷性的；
(2) 水下用戶至母船的上行通信，采用虛擬式時間反轉(zhuǎn)鏡，探測碼(亦為 通信同步碼)由兩個LFM信號構成(正調(diào)頻LFM+、負調(diào)頻LFM.);
(3) 在母船接收端，各陣元首先分別對接收到的探測碼進行存儲(正、負 調(diào)頻LFM分別存儲，備用于下行通信)，同時通過對其進行拷貝相關處理完成信 道估計，隨后接收到的信息碼與信道估計的時間反轉(zhuǎn)進行巻積運算；
(4) 上行通信中，每個陣元均先進行信道估計、完成虛擬時間反轉(zhuǎn)鏡處理 后，重新同歩，然后再疊加輸出進入解碼器；
(5) 母船至水下用戶的下行通信，以接收到的探測碼的時間反轉(zhuǎn)作為信息 碼元載體，進行編碼，傳送信息給水下用戶，此可視為主動式時間反轉(zhuǎn)鏡的應用，到達用戶的信息已大大抑制碼間干擾，可減少水下用戶端信道均衡的工作量。
母船發(fā)信息給水下用戶，稱為下行通信；若水下用戶向母船傳送信息，稱為 上行通信。通常母船與水下用戶的信息交互都是間斷性的，所以若為水下多用戶， 則可采用時分復用通信方式。圖1給出了水面母船與水下用戶雙向水聲通信示意 圖。時間反轉(zhuǎn)鏡(TRM， J元陣)由收發(fā)合置水聽器組成的垂直接收陣(SRA: Source-Receive Array)構成；7K下用戶為一點源(PS: Point Source)。
本通信方案采用通過碼元組合方式攜帶數(shù)字信息方式，為便于分析只選用2 個碼元，分別為正、負調(diào)頻LFM信號，記為LFM+、 LFM-，其不同的組合方式 攜帶的信息如表l所示。例如，若同時發(fā)送LFM+、 LFM.，表示信息"1 1";而 若只發(fā)送LFM+，則表示信息"10"。
表l數(shù)字信息符號
Digital Inf.000 11 011
xXVV
LFM.XV々
本專利重點是分析時間反轉(zhuǎn)鏡在水面母船與水下用戶雙向水聲通信中的應 用，得到的結論可應用其它通信方式。 1、上行通信
對于上行通信，采用虛擬式時間反轉(zhuǎn)鏡。通信幀數(shù)據(jù)結構如圖2所示。圖中 探測碼(亦為通信同步碼)由兩個LFM信號構成(正調(diào)頻LFM+、負調(diào)頻LFM.)， 探測碼與信息碼之間以及幀與幀之間均需留有一段時隙rISI (大于多途擴展時 間)，以避免其多途信號對后面的信號產(chǎn)生干擾。
為保證TRM聚焦的穩(wěn)定性和有效性，需要間斷的重新發(fā)送探測碼(即每幀 數(shù)據(jù)的同步碼)。幀的長度7V,，取決于信道的時變性，應短于信道的相對穩(wěn)定時 間，若收發(fā)節(jié)點間存在相對運動或風浪較大，則幀長度應該減小。
在母船接收端，各陣元首先分別對接收到的探測碼進行存儲(正、負調(diào)頻 LFM分別存儲，備用于下行通信)，同時通過對其進行拷貝相關處理完成信道估 計。隨后接收到的信息碼與信道估計的時間反轉(zhuǎn)進行巻積運算。其處理過程表達 式如下，其中式(l)是信號通過水聲信道，式(2)是時間反轉(zhuǎn)處理后的輸出信號。
p。 (,) = W) ~ ， zps) +," (/) ()
~ (0 (,; z7, z戸)+ ", (0
(0 = z—p,) (2)
式中為信息碼，p(O為探測碼；J為陣元數(shù)目p(O ; & & ~, z/M)為j號陣元 與目船之間的信道沖激響應，/^(/;z,，z》為其估計； W、 p。")為其各陣元接收到的信號，^.0)為本地噪聲。
上行通信中，每個陣元均先進行信道估計、完成虛擬時間反轉(zhuǎn)鏡處理后，重 新同步，然后再疊加輸出，如式(2)所示。 2、下行通信
對于下行通信，以接收到的探測碼的時間反轉(zhuǎn)作為信息碼元載體，按表1進 行編碼，傳送信息給水下用戶。此可視為主動式trm的應用，通信過程中信息 從sra流向ps，到達用戶的信息已大大抑制碼間干擾，可減少用戶端信道均衡 的工作量，有助于化減用戶端設備復雜性并節(jié)省功耗。其處理過程表達式為
&畫(0 = ^> (^.,2》 (3) 由于聲信道多途擴展效應，A,(/)在時間上長于原信號p(/)且波形發(fā)生畸變。
但將^,(0的時間反轉(zhuǎn)o作為信息載體，并不用以其脈寬來確定下行通信的碼 元寬度。碼元寬度r只要保證大于等于p(/)脈寬ro即可，這是由于時間反轉(zhuǎn)鏡具 有時間壓縮、空間聚焦的特性，編碼信號經(jīng)過信道傳輸后將被時間壓縮，ps接 收信號^^w的每個碼元波形將近似于原信號的時間反轉(zhuǎn)。但由于時間反轉(zhuǎn)鏡的 性能可能受到信道時變、空變性或受到噪聲干擾等因素影響，仍會存在一定的時 間擴展，產(chǎn)生碼間干擾，所以我們可以設定一保護間隔rg(r=rG+7y ，以減小由 于時間反轉(zhuǎn)鏡聚焦性非理想化而導致的碼間干擾，但這是以犧牲通信效率為代價 的。另外，由于下行通信利用的是上行通信中接收到的探測碼，所以若想保證 trm性能，前提是一次完整通信時間內(nèi)(包括上行與下行兩個過程)，信道應是 相對穩(wěn)定的。
由于水下節(jié)點通常追求結構簡單且低功耗，所以應為單陣元；而母船對設備
復雜性要求不高，所以可采用基陣處理。對于上行通信，相當于在接收端進行了
空間分集接收；而對于下行通信相當于在聲源處實現(xiàn)了空間分集發(fā)射，減小了水 下用戶設備的復雜性，且有利于提高通信質(zhì)量。
在實測得到的某海洋聲速分布條件下給出仿真結果。本文仿真小基陣時間反 轉(zhuǎn)鏡，4個陣元，陣元間距4m，首陣元布放深度3m;水下用戶深度50m。
在該水文條件下，利用射線聲學理論模型在計算機中對水聲信道建模，可以 得到收、發(fā)節(jié)點位于不同水平距離和垂直位置下的信道沖激響應函數(shù)W)。
圖3-1~圖3-4分別給出了 4個陣元與用戶間的信道沖激響應/z, /v可以看 出，各陣元與用戶間信道沖激響應多途擴展達100ms左右，并且多途信號的幅 度較大，將會產(chǎn)生嚴重的碼間干擾；圖3-5~圖3-8為不同信道間的互相關輸出(其 中coir(.)表示互相關運算)，可以看出，各信道沖激響應間的互相關性較弱，所以 可較好地獲得空間分集接收的效果。上行通信中，圖4-l、圖4-2給出了未使用虛擬時間反轉(zhuǎn)鏡時的拷貝相關解 碼輸出波形圖，其中圖4-1為以LFM+為參考信號，圖4-2為以LFM.為參考信號； 圖4-3、圖4-4給出了使用虛擬時間反轉(zhuǎn)鏡時的拷貝相關解碼輸出波形圖，其中 圖4-3為以LFM+為參考信號，圖4-4為以LFM-為參考信號。從圖中可以看出， 未使用虛擬時間反轉(zhuǎn)鏡時，由于多途干擾的存在，同步本身就很難精確獲取，且 碼間干擾將導致較大的誤碼率；而使用虛擬時間反轉(zhuǎn)鏡后，同步獲取精確，同時 每個碼元的相關峰尖銳、單一，且由于充分利用了各多途信號的能量而使相關峰 幅度高于未使用VTRM時的情況，可以明顯提高通信質(zhì)量。
圖5-1、圖5-2是下行通信中的編碼信號，其中圖5-1對應LFM+編碼，圖 5-2對應LFM-編碼，發(fā)射信號為該兩路信號的疊加；圖5-3、圖5-4是拷貝相關 解碼輸出波形，其中圖5-3為以LFM+為參考信號，圖5-4為以LFM.為參考信號。 可以看出，由于采用了主動式時間反轉(zhuǎn)鏡，接收端無需另行采用信道均衡技術， 就可通過拷貝相關得到尖銳、單一的相關峰，準確解碼。
本專利基于時間反轉(zhuǎn)鏡的水聲通信方案，充分考慮了母船與水下節(jié)點的特 性，并充分利用了虛擬式TRM和主動式TRM的實現(xiàn)特點及性能。
由于母船對設備復雜性及功耗要求不高，所以可采用基陣處理，即對于上行 通信，相當于在接收端進行了空間分集接收；并采用虛擬式時間反轉(zhuǎn)鏡來抑制碼 間干擾，其可在接收機中通過數(shù)字巻積運算實現(xiàn)。而對于水下用戶節(jié)點，則要追 求結構簡單和低功耗性能，所以采用單陣元處理，下行通信相當于在聲源處實現(xiàn) 了空間分集發(fā)射；并提出利用上行通信中接收到的探測碼作為下行通信的碼元， 從而利用主動式時間反轉(zhuǎn)鏡使到達水下用戶的信息自動抑制碼間干擾，減輕了水 下用戶信道均衡等處理的工作量。最后通過仿真，驗證了時間反轉(zhuǎn)鏡抑制碼間干 擾的性能。
權利要求
1、一種水面母船與水下用戶雙向水聲通信方法，其特征是(1)在水面母船上設置由收發(fā)合置水聽器組成的垂直接收陣通信系統(tǒng)，水下用戶設置單陣元構成的點源，水面母船與水下用戶之間間斷性進行信息交互；(2)水下用戶至水面母船的上行通信，采用虛擬式時間反轉(zhuǎn)鏡，探測碼、亦為通信同步碼，由兩個LFM信號構成、即正調(diào)頻LFM+與負調(diào)頻LFM-；(3)在水面母船接收端，各陣元首先分別對接收到的探測碼進行存儲，同時對其進行拷貝相關處理，以此完成信道估計，隨后接收到的信息碼與信道估計的時間反轉(zhuǎn)進行卷積運算；(4)上行通信中，每個陣元均先進行信道估計、完成虛擬時間反轉(zhuǎn)鏡處理后，重新同步，然后再疊加輸出進入解碼器；(5)水面母船至水下用戶的下行通信，以接收到的探測碼的時間反轉(zhuǎn)作為信息碼元載體，進行編碼，傳送信息給水下用戶。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種水面母船與水下用戶雙向水聲通信方法，其 特征是所述各陣元首先分別對接收到的探測碼進行存儲是正、負調(diào)頻LFM分 別存儲。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種水面母船與水下用戶雙向水聲通信方法。在水面母船上設置由收發(fā)合置水聽器組成的垂直接收陣通信系統(tǒng)，水下用戶設置單陣元構成的點源；水下用戶至水面母船的上行通信，采用虛擬式時間反轉(zhuǎn)鏡，探測碼由兩個LFM信號構成；在水面母船接收端，各陣元首先分別對接收到的探測碼進行存儲，同時通過對其進行拷貝相關處理完成信道估計，隨后接收到的信息碼與信道估計的時間反轉(zhuǎn)進行卷積運算；上行通信中，每個陣元均先進行信道估計、完成虛擬時間反轉(zhuǎn)鏡處理后，重新同步，然后再疊加輸出進入解碼器；水面母船至水下用戶的下行通信，以接收到的探測碼的時間反轉(zhuǎn)作為信息碼元載體，進行編碼，傳送信息給水下用戶。
文檔編號H04B13/02GK101610117SQ20091007253
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權日2009年7月17日
發(fā)明者殷敬偉, 平 蔡, 趙安邦 申請人:哈爾濱工程大學