不同海底地形下海洋信道对水声通信的影响

孙宗鑫，于洋，周锋，刘凇佐，乔钢

(1.哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨150001;2.哈尔滨工程大学水声工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

按照射线声学理论，水声信道冲击响应是声线传输的总体描述方式。近年来，高速率扩频水声通信技术成为国内热门研究领域［1-6］。对浅海温暖水域水声信道特性的研究也逐渐为解决多径干扰问题提供了理论依据。文献［7］将信息调制在M元和码相位上，提高了扩频通信的速率。文献［8］利用基追踪方法对稀疏信道进行了研究。文献［9］对湍流浅水水声信道进行了研究，并且考虑信道的时变性。文献［10］对沿海地区的声表面波对水声通信的影响进行了研究，展示了其对精确的信道估计算法的影响。文献［11］则更具挑战性地分析了具有剧烈时变特性和非高斯环境噪声的温暖浅水水声信道特性。文献［12］则阐述了浅海中表面波和随机海洋介质对信号特性的影响，并讨论了由信道特性带来的信号幅度和相位的变化。文献［13］利用MP算法估计信道的冲击响应，克服了时反信道的ISI，使误码率大幅降低。文献［14］利用导频迭代更新的方式对水声通信信道进行均衡，得到了较好的效果。在各种水声信道中，海底的散射无疑是形成多径干扰的重要因素，对信号检测、信息传输、时间测量等有非常大的影响。文献［15］通过零相关窗信号测量水声信道，抑制了各多径之间的互相干扰，使信道冲击响应更加准确。为了研究不同的海底地形对水声通信的影响，本文首先分析了水声信道多径信道模型，给出了信号多径比［16］(signal to multipath ratio，SMR)定义;然后针对实际测量得到的阿拉伯海西北部3种典型海底地形的海洋信道冲激响应，分析了不同海底地形的SMR特性;最后以SMR作为标准对直扩信号(DSSS)在信道中的表现进行了分析。

1 信号多径比

时变水声信道可以用以下模型表示:

式中:hi(t)和τi(t)分别是第i条路径的增益和时延。对于无线电通信来说，只有路径增益是时变的，时延是时不变的;而对于水声信道来说，路径时延和路径增益都是随着时间变化的，并且，信道中各声线的时延τi(t)=τi－at，a是多普勒因子。式(1)表明，水声信道响应为信道内所有可能的声路径的叠加，并且可以用各条声线的信道增益和传播时延描述，其中确定主路径有2种准则:信道增益最大和信道延迟最小。对于扩频通信，一般使用信道增益最大准则，并且在一定的检测窗口范围内搜索其他路径，进行合并。

在水声信道中，由于声速受海水温度、压力和盐度的影响，在深度方向上变化剧烈，到达接收点的声线可能经过高声速区，所以多径信号可能在直达信号之前到达，也可能在直达信号之后到达，这里用非最小相位系统来描述水声信道多径特性，此时，第i条多径信号可以表示为

式中:τi表示多径信号相对于主径的时延，αi表示多径的幅度。

在DSSS系统中，Ts为符号时长，信息被调制到以Ts为周期的扩频序列上。接收机按照主路径的节拍在长度为Ts的检测窗口范围内解码。当Ts大于信道的最大多径扩展τm时，各多径落在时间窗口范围内信号包含两部分:当前符号的多径和前一符号的多径。如果信道较为复杂，存在τi≥Ts或τi＜0的情况，即存在大于符号长度的多径扩展或者存在主路径之前到达接收点的多径信号的情况。此时，落在检测窗Ts内的多径信号除了当前符号和前一符号的多径之外，还包含其他符号k，k+1的多径能量的一部分，如图1所示，这些多径是造成干扰的主要原因。

图1 多径信号干扰Fig.1 Multipath interference

综上，认为检测窗口Ts内包含2种状态的多径。文献［16］将这两种多径定义为自多径和互多径。自多径即图1中落在Ts－τi中的多径信号能量，互多径为落在τi中的前一符号的能量和落在Ts内所有信道延迟在(0，Ts)范围之外的路径的能量。自多径是落在检测窗内的当前符号，和主径信号叠加后，形成稳定的信号，可以利用Rake接收机将其合并到主径信号上，并最终决定了解调后基带信号的相位和包络，定义该部分为有用信号能量S。互多径为落在检测窗内的其他符号的多径，属于多径干扰，其能量为M。文献［16］还定义了信号多径比(signal to multipath ratio，SMR):

其中，可以在检测中被利用的有用信号的能量即有用信号S可以表示为

式中:r代表了在检测窗时间Ts内信号的数目。互多径干扰的能量为

SMR的定义为确定Rake接收机多径合并准则提供了依据。对于不同的检测窗长度，多径信号可能落在窗内被Rake接收机合并至主路径，成为有用信号的一部分，也可能落在检测窗外，成为互多径干扰，影响信号的解调。关键在于检测窗的长度和信道多径结构的配合。利用式(3)计算信道SMR，能够对扩频通信符号时长和调制形式的设计提供参考，还能够通过SMR预测系统性能。

对于相移键控调制来说，无错误传输的SMR最低要求为

式中:υ代表调制相位数目。

2 海洋信道分析

对实测不同海底条件下的海洋信道冲击响应的SMR进行研究。1号信道位于巴基斯坦城市敖马拉附近，发射换能器和接收换能器的位置分别为北纬25°10'，东经 64°42'，和北纬 24°59'，东经 64°41.9'。发射点和接收点之间水平距离为20.4 km，试验水域水深从10 m逐渐变化到722 m，是一个典型的倾斜海底信道，其信道冲激响应如图2(a)。

2号信道为平坦海底深海环境的信道冲激响应，如图2(b)所示。发射换能器位置为北纬23°53.9'，东经 61°59.7'，接收换能器位置为北纬 23°40'，东经61°58.1'。实验水域平均水深3 400 m，收发换能器水平距离为25 km。

3号信道为平坦海底浅海信道。发射换能器位于北纬 24°32.9'，东经 66°45'，接收换能器位于北纬24°26.9'，东经 66°48.7'。收发换能器水平距离12.7 km。实验水域平均水深为120 m左右，信道冲击响应如图2(c)所示。

从图2所示的3种实测的水声信道冲击响应可以看出，由于海底地形的不同，接收信号中海底散射信号在时间和幅度上均有很大差别。可以看到，平坦海底的冲击响应模型有明显的分簇，簇与簇之间的时间间隔随时间推移增加而加大，深海和浅海都有这样的特点;深海和浅海的区别仅在于信号在海面和海底反射间隔之间的扩展损失。而倾斜海底则没有这种规律，其原因是由于倾斜海底对反射信号方向的改变，信道更像是一种楔形的非等深介质。

图2 3种不同海底类型的水声信道冲击响应Fig.2 Impulse response in 3 types of channels with different seabed topographies

浅海信道冲激响应在时间上较为集中，由于水深较小，信号能量集中于水层，各多径信号信道增益较大，如果扩频符号长度较小，符号时长Ts较短，这些信号将被认为是互多径干扰，对主径信号的解调带来较大的影响。深海平坦海底信道，由于信号各簇之间的时延较大，传播损失导致多径信号的信道增益随时延逐渐降低，在能量上对主径信号影响不如浅海信道大;但是由于深海信道多径时间扩展较大，这些多径扩展全部落在检测窗口Ts之外，成为其他扩频符号的互多径干扰。而倾斜海底信道不论是信道增益还是信道延迟，只要检测窗口合适，多径信号大部分为自多径，和主径叠加后增加了信号的能量。

图3为3种实测信道的SMR，以不同的时间比例显示。可以看到，随着符号时长的增加，SMR也随之增加，这说明更长的积分时间使更多的多径信号由互多径干扰变成自多径，提高了有用信号S的能量，同时也降低了互多径干扰。

在足够长的观测时间内，倾斜海底的SMR最高，其次是扁平浅海海底，最后是深海海底。倾斜海底的信道多径归一化幅值较小，多径持续时间只有几十毫秒，平坦海底的信道多径归一化幅值较大，多径持续时间达到了200 ms左右。深海平坦海底的信道冲击响应虽然幅度随时间延续而逐渐变小，但是由于其多径扩展时间过长，有时甚至达到几十秒，所以在连续数据传输时，有更多的互多径干扰进入检测窗，造成干扰。所以，SMR是衡量多径衰落程度的一个重要指标，SMR越低，多径对通信的影响就越大。

图3 3种海底地形的SMRFig.3 Channel SMR in 3 different seabed topographies

要达到无错误传输，就需要尽量把所有可以利用的声线都包括在检测窗中。对于一定的信道冲击响应结构，这样做最直接的影响是降低通信速率。而SMR提供了一个选择检测窗长度的标准。例如在式(6)中，QPSK调制的无错误传输所需的最低SMR为1，所以，在上述3种不同海底地形的信道中，倾斜海底信道需要22 ms的检测窗，浅海平坦海底信道需要303 ms的检测窗，而深海平坦海底信道则需要14 s的检测窗。

3 3种海底地形信道中的DSSS信号

下面研究3种海底条件对DSSS通信性能的影响。在特定的信道冲击响应下，不同的检测窗长度对应不同的SMR，同样的通信参数在不同的信道中有不同的表现，通过通信的误比特率(bit error rate，BER)来说明信道对系统性能的影响。

利用实测的信道来进行通信解码仿真分析。信道冲击响应来自阿拉伯海北部海域的实测信道，如图2所示。这里，接收机采样率为48 kHz，DSSS信号带宽4～10 kHz。解调时首先对信道进行估计，然后按照不同的检测窗对多径信号进行分类，将自多径信号与主径信号进行合并，最后将再进行解扩和解码。

图4 不同检测窗长度DSSS系统性能Fig.4 DSSS system performance with different detection zones

图4中，用加性高斯白噪声信道(AWGN)作为参考，信道中仅有噪声干扰，多径干扰是0，可以认为AWGN信道中的SMR为无穷大。图4(a)－(d)中，在检测窗长度一定的情况下，倾斜海底信道的性能最好，深海平底信道的性能优于浅海平底信道，对应于SMR的值。在图4(e)中可以看到，当检测窗长度为200 ms时，浅海信道的性能略优于深海平坦海底信道，这是由于浅海平底信道最大信道延迟小于200 ms，如图2(c)所示，检测窗已经能够将所有路径的能量都包含进来，而对于深海平底信道，如图2(b)所示，检测窗为200 ms时仅包括第一簇路径，其他路径在检测窗外，成为互多径干扰。

对于平底浅海信道，检测窗长度较小的时候，由于信道中存在大量的互多径干扰，致使SMR过低，DSSS系统已经不能收敛。随着检测窗长度增加，更多的多径信号被当做自多径来处理，SMR逐渐增大，DSSS系统的抗多径能力也随之提高，趋向于AWGN信道。

SMR的重要意义在于平衡通信速率和误码率，从而确定扩频通信参数。为了更直观的比较几种不同海底地形信道和不同扩频码长条件下的表现，本文通过比较达到10－3的误比特率所需要的SNR来说明不同海底地形对DSSS系统性能的影响，如图5所示。

图5直观的表现了在几种不同海底地形信道下，DSSS系统在不同的检测窗长度下的表现。可以看出，在同等检测窗长度条件下，要达到 10－3的BER，倾斜海底信道需要的信噪比最低，是深海信道，平底浅海信道由于海底反射致使信道中存在较高能量的多径。当检测窗缩短以后，更多的多径信号被限定在检测窗外，成为互多径干扰，降低了SMR，所以底浅海信道在短检测窗下BER已经不能达到 10－3了。

图5 实测信道10－3BER需要的SNRFig.5 The SNR needed by the BER of 10－3in real channel

4 结束语

本文根据实测的阿拉伯海西北部海域的水声信道冲击响应数据，对3种不同海底地形信道对扩频信号的影响进行了仿真分析。利用SMR描述多径信号的影响，SMR较大时系统的抗多径干扰能力强，能够达到较低的BER。不同海底地型影响了信道的冲击响应结构，也影响了通信系统的SMR。通过对比和比较，可以得到这样的结论，浅海平坦海底使信道产生最严重的多径衰落，是3种信道中最恶劣的;深海平底信道的SMR适中，对于猝发扩频通信影响较小，当通信数据量较大时成为互多径干扰，使SMR降低;倾斜海底信道由于海底地形的原因一部分海底反射无法到达接收点，其多径信号的时延较短且幅度较小，拥有较大的SMR。

［1］STOJANOVIC M，PREISIG J.Underwater acoustic communication channels:propagation models and statistical characterization［J］.Communications Magazine，2009，47(1):84-89.

［2］KILFOYLE D B，BSGGERROER A B .The state of the art in underwater acoustic telemetry［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering，2000，25(1):4-27.

［3］于洋，周锋，乔钢.M元码元移位键控扩频水声通信［J］.物理学报，2012，23:287-293.YU Yang，ZHOU Feng，QIAO Gang.M-ary code keying spread spectrum underwater acoustic communication［J］.Acta Phys Sin，2012，23:287-293.

［4］何成兵，黄建国，韩晶，等.循环移位扩频水声通信［J］.物理学报，2009，12:8379-8385.HE Chengbing，HUANG Jianguo，HAN Jing，et al.Cyclic shift keying spread spectrum underwater acoustic communication［J］.Acta Phys Sin，2009，12:8379-8385.

［5］殷敬伟，惠俊英，王逸林.M元混沌扩频多通道Pattern时延差编码水声通信［J］.物理学报，2007，10:5915-5921.YIN Jingwei，HUI Junying，WANG Yilin，et al.Mary chaotic spread spectrum pattern time delay shift coding scheme for multichannel underwater acoustic communication［J］.Acta Phys Sin，2007，10:5915-5921.

［6］CHITRE M，SHAHABUDEEN S，STOJANVOIC M.Underwater acoustic communications and networking:recent advances and future challenges［J］.Marine Technology Society Journal，2008，42(1):103-116

［7］SUN Zongxin，QIAO Gang.Mary code shift keying direct sequence spread spectrum with gold sequence using in underwater acoustic communication［C］//The International Conference on Underwater Networks and Systems.Rome，Italy，2014.

［8］尹艳玲，乔钢，刘凇佐，等.基于基追踪去噪的水声正交频分复用稀疏信道估计［J］.物理学报，2015，64(6):06430101-06430108.YIN Yanling，QIAO Gang，LIU Songzuo，et al.Sparse channel estimation of underwater acoustic orthogonal frequency division multiplexing based on basis pursuit denoising［J］.Acta Phys Sin，2015，64(6):06430101-06430108.

［9］BJERRUN N C，LUTZEN R.Stochastic simulation of acoustic communication in turbulent shallow water［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering，2000，25(4):523-532.

［10］PREISIG J C，DEANE G B.Surface wave focusing and acoustic communications in the surf zone［J］.J Acoust Soc Am，2004，116(4):2067-2080.

［11］CHITRE M.A high-frequency warm shallow water acoustic communications channel model and measurements［J］.J Acoust Soc Am，2007，122(5):2580-2586.

［12］YANG T C.Temporal coherence of acoustic rays and modes using the path integral approach［J］.J Acoust Soc Am，2012，131(6):4450-4460.

［13］尹艳玲，乔钢，刘凇佐.基于虚拟时间反转镜的水声OFDM信道均衡［J］.通信学报，2015，36(1):201501101-201501110.YIN Yanling，QIAO Gang，LIU Songzuo.Underwater acoustic OFDM channel equalization based on virtual time reversal mirror［J］.Journal on Communication，2015，36(1):201501101-201501110.

［14］SUN Zongxin，WANG Wei，WANG Yue，et al.Pilots updating channel compensation base on underwater MIMOOFDM［C］//Applied Mechanics，Mechatronics Automation＆ System Simulation.Shenyang，China，2012:1761-1767.

［15］孙宗鑫，于洋，周锋，等.二进制偏移载波调制的零相关窗水声同步技术研究［J］.物理学报，2014，63(10):10430101-10430110.SUN Zongxin，YU Yang，ZHOU Feng，et al.Underwater acoustic synchronization telemetry research based on binary offset carrier modulated signal with zero correlation window［J］.ActaPhysSin， 2014， 63(10):10430101-10430110.

［16］ZIELINSKI A，YOON Y H，WU L X.Performance analysis of digital acoustic communication in a shallow water channel［J］.IEEE Ocean Eng，1995，20(4):293-299.