水声通信系统性能评估方法研究

甘忠良，凌青



水声通信系统性能评估方法研究

甘忠良1,2，凌青1

(1. 海军装备研究院，北京 100161；2. 92785部队，辽宁葫芦岛 125208)

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。

水声通信；通信系统；信道建模；性能评估

0 引言

近30多年来，水声通信从非相干到相干、从单载波到多载波、从低速到高速通信快速发展，正朝着水下通信网络的方向稳步迈进[1]。然而，由于海洋水声信道可用带宽窄、能量传播损失随频率和距离而增加、多途和多普勒影响严重，且充满了随机起伏的海洋环境噪声，导致水声通信距离受限、通信速率低、可靠性差等问题。而且，同样的通信系统在不同的的信道条件下，以及不同的通信系统在相同的信道条件下，性能大不相同。

深入分析不难发现，水声通信系统性能除受水声信道条件影响外，还与其所采用的通信体制及通信接收机结构和相关信号处理技术有关。在给定信道条件下，准确预测或估计一个通信系统性能，不仅能够对通信系统的设计提供帮助，而且能为选择通信系统设备提供参考。因此，建立水声通信系统性能评估模型，分析不同信道条件和通信体制给水声通信带来的影响，预测通信系统在不同信道条件下的性能非常有必要。

本文在水声信道模型分析的基础上，提出了典型水声通信接收机结构，建立了水声通信系统性能评估模型和仿真模型，最后在典型信道条件下，对采用正交相移键控(Quarter Phase-Shift-Keying, QPSK)体制的通信系统进行性能评估，并与海试数据进行比较，结果较为接近。

1 水声信道模型分析与仿真

水声信道是一个非常复杂的时变、空变和频变的信道，在物理上可以看成是具有不同时延、不同频移、不同起始角的无数条传播路径的总和[2]。根据研究用途和需要，许多学者和研究人员基于已掌握的海洋声传播特点，建立了一系列各具特点的信道模型，概括起来，可以分为以下几种类型：

一是基于信道是时不变的观点，按照射线理论，分析信道的宏多途结构，根据多途时延和衰减建立信道传输函数[3-4]。

二是基于统计的观点，增加对信道时变特性的描述，即在信道宏多途的基础上，对多径传输的统计特性进行分析，认为每条路径的传输是相对独立的。根据统计学理论，声信号经多条路径在近距离传播时，接收信号包络服从莱斯分布，相位服从均匀分布。而在一定远的距离上，由于没有直达声信号，信号包络则服从瑞利分布[5-6]。

三是通过描述海洋边界变化和海洋起伏，进一步增强海洋的时变性描述[7]。或针对收发端位置的时变性，将收发端附近感兴趣的区域网格化，通过插值的方法来分析收发水听器在不同位置处的本征路径特点来更加真实地描述信道的时变性[8]。

由于水声性道特性随着时间、季节、地域而变化，建立的信道模型一般很难完全表征海洋的特点，也没有必要。这是因为，信道模型越具体，其针对性越强，适用范围就会受到限制。本文重点是研究信道对通信的影响，信道的普适性比强相关性显得更为重要。因此，我们选择具有代表性的相干多途信道和瑞利时变信道作为研究分析的对象。关于信道模型的深入研究请参阅文献[3]和[9]。

1.1 相干多途信道模型

从多数应用场合来看，实验证明水声信道可以看作是缓慢时变的相干多途信道，即信道的介质和边界条件时不变，声源和接收器位置固定。若观察处理时间不是特别长，可以用时不变的滤波器来表示[3]。因此，若知道声线传输的幅度和时延，就可以确定信道的传输函数。

对于有条传输途径，第条路径的幅度和时延分别为和的相干多途信道，其冲击响应函数可以描述为

此时，信道的传输函数为

(2)

1.2 瑞利时变信道模型

由于通信关注的不仅是能量损失的大小，而且还关心信号波形的变化，因为这将影响最终信息的判决。海洋中存在着多种非均匀性，导致声信号在传播的过程中不仅会遭受能量损失，而且还会导致波形畸变，信号的幅度和波形起伏变化。因此，建立时变的信道模型[10](如图1所示)可能更符合水声通信的实际。

(4)

可见，当信道是慢变的或不变的，即=0时,则可以近似等价为时不变信道传输函数。、和时不变信道冲击响应中的同样刻画了信道的带宽和频率响应。当存在多普勒效应时，信道的传输函数可以表示为，

不难发现，实际每根声线的幅度、时延和多普勒变化规律是无法获取的；更一般的做法是分析其叠加后波形变化的统计特性。这里按照前面所述的第二种模型观点，把信道看成是瑞利时变的，根据改进的Jakes模型[6]对信道特性进行分析。

2 典型水声通信接收机

通信系统通常根据选择的调制方式和发射信号波形进行接收机设计，为不失一般性，这里选择具有代表性的接收机结构进行分析，基本原理如图2所示。

文献[11]中证明了在有码间干扰(Inter Symbol Interference, ISI)的高斯白噪声信道中，最佳接收机的结构如图3所示。

图3的接收机结构针对的是无线电信道，水声信道比这更加复杂。首先除了多途导致的码间干扰外，信道还存在时变性。由于水声传播速度慢，即使非常小的相对运动也会引起较大的相对频偏。因此海洋运动或通信收发端的相对运动导致的多普勒频移不可忽略，水声信道带来的这些影响都必须在接收机中加以克服或减轻。针对水下信道特点，这里提出一种接收机结构(见图4)。

接收换能器在接收到声信号后，将其转换为电信号，并进行滤波放大，然后进行同步，对信道特性进行估计，分析信号多普勒偏移量并进行补偿，解调滤波后号进行均衡处理，减轻多径带来的码间干扰，最后进行解码和判决。

3 通信系统性能评估方法研究

从前面的分析可知，水声通信系统性能受两方面因素影响：一是水声信道条件；二是系统所采用的通信体制及信号处理方法，即通信接收机结构和其选择的技术手段。目前，关于水声通信系统性能评估的文献很少。根据水声通信的特点，这里建立了一个基于通信信号全流程分析的系统性能评估方法。

首先根据试验数据确定信道参数和通信系统工作参数，即信道的边界条件、声速剖面、通信终端的收发深度、距离及相对运动状态等，利用建立的信道模型分析计算信道的多途结构[12]、多普勒扩展，以及声信号传播损失、环境噪声等。

然后，根据通信声呐方程和已知的通信系统参数，如声源级、指向性指数等，计算接收信号的信噪比，通信声呐方程可以参照被动声呐方程给出：

式中：为声源级；为传播损失；为环境噪声谱级；为通信声呐指向性指数；为检测阈；为通信系统带宽。噪声谱级按照文献[13]中的经验公式进行估算，即

(7)

式中：为信号频率；为海况等级。

最后，根据已知信道特性和接收信噪比等参数，按照水声数字通信基本流程和典型接收机结构，仿真分析系统信噪比误码率和通信距离误码率性能，基本原理如图5所示。

4 基于QPSK的通信系统性能分析

采用相干解调的QPSK带宽利用率高，是水声通信常用调制方式之一。下面以使用QPSK调制的通信系统为例进行性能评估。

4.1 仿真参数设置

(a) 信道参数

本例中的水声信道数据为南海某次海试数据，海深约50 m，声速剖面为弱正梯度，海底底质为沙石，密度为1.7 g/cm3，为便于仿真分析，这里将海底视为平坦，3级海况。

(b) 通信系统参数

发射机深度：20 m

接收机深度：30 m

通信距离：10 km

工作频率：10 kHz

带宽：2 kHz

4.2 信道仿真及多途选择

这里采用声学工具箱中的Bellhop射线模型进行声场分析，按照上述的信道参数仿真，得到如图6所示的信道脉冲响应(图中纵坐标为辐射声源声压为1时接收的相对声压)，传播损失=77.24 dB。

4.3 仿真分析

从信道仿真结果不难得到信道冲击响应的归一化幅度[0.52 0.56 0.58 0.66 0.68 0.97 1]及相对时延[0 0.99 1.5 3.5 3.8 4.4 4.5](ms)。当发射声源级为196 dB、带宽约2 kHz时，在上述信道条件下，根据通信声呐方程(式6)可以估算出信噪比约为15 dB。当通信速率为2 kb/s时，在相干多途信道模型下，误码率约为10-4。图8为在此条件下采用DFE 决策反馈均衡仿真得到的接收信号星座图。

调整声源级大小，可以估算出此时的信噪比与误码率曲线，如图9所示。与实测数据比较，结果非常接近。

其它条件不变，当收发平台相对运动速度为5 kn时，多普勒频偏，仿真补偿误差小于1 Hz，误码率约为。

进一步分析发现，按照上文提出的评估流程和方法，在一定的先决条件下可以评估系统的不同性能指标。例如当发射机声源级一定时，可以计算通信距离误码率曲线。或者在满足一定误码率条件下，分析系统的信噪比与通信距离曲线，进行系统性能预测。但由于水声信道的多径结构与信道条件(海深、海底底质等)、声信号频率及收发距离等因素相关，距离变化多途分布也会产生变化，要得到准确的信噪比与通信距离或通信距离与误码率的关系，计算量会很大，可以选择多组典型数据，采用插值的方法进行估计，这里只分析了其中较为简单的信噪比误码率性能。

5 结论

本文从影响水声通信系统性能的两大因素——信道和通信体制入手，分析并建立水声信道模型，对典型水声通信接收机进行了研究，构建水声通信系统性能评估模型，并对采用QPSK通信体制的系统在典型水文环境下的性能进行了评估，仿真评估结论与海试结果较为吻合。同时应当注意到，由于不同系统的接收机结构和信号处理方法不一样，得到的结论会不一样，所以利用本方法所得到的结论只能针对某型具体系统，但这并不能掩盖其作为分析通信系统性能的一种较为实用的方法。

[1] Mandar Chitre, Shiraz Shahabudeen, Milica tojanovic. Underwater acoustic communications and network: recent advances and future challenges[J]. Marine Technology Society Journal. Spring 2008, 42(1): 103-116.

[2] 朱昌平, 韩庆邦. 水声通信基本原理与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.

ZHU Changping, HAN Qingbang. Basic principal and application of underwater acoustic communication[M]. Beijin: Electronic Industry Press, 2009.

[3] 惠俊英, 生雪莉. 水下声信道(第2版)[M]. 北京: 国防工业出版社, 2007.

HUI Junying, SHENG Xueli. Underwater acoustic channel(The 2nd edition)[M]. Beijjin: National Defense Industry Press, 2007.

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

[5] Essebbar A, Loubet G, Vial F. Underwater acoustic channel simulations for communication[C]// presented at the Oceans’94, Brest, France, 1994.

[6] 邓红超, 刘云涛, 蔡惠智. 瑞丽分布时变水声信道建模与仿真[J].声学技术, 2009, 28(2): 109-112.

DENG Hongchao, LIU yuntao, CAI Huizhi.Time-varying UWA channel with Rayleigh distribution[J]. Technical Acoustics, 2009, 28(2): 109-112.

[7] 牛富强, 杨燕明, 郭长勇, 等. 时变多径水声信道的仿真研究[J]. 台湾海峡, 2009, 28(4): 586-591.

NIU Fuqiang, YANG Yanming, GUO Changyong, et al. Time-varying multipaths underwater acoustic channel simulation and research[J]. Journal of Oceanography in Taiwan Strait, 2009, 28(4): 586-591.

[8] SIDERIUS M, PORTER M B. Modeling broadband ocean acoustic transmissions with time-varying sea surfaces[J]. J. Acoust. Soc. Am., 2008, 124: 137.

[9] PAUL C Etter. Underwater acoustic modeling and simulation[M]. 3rd edition. Beijin: Electronic Industry Press, 2003.

[10] DE RANGO F, VELTRI F, FAZIO P. A multipath fading channel model for underwater shallow acoustic communications[C]// IEEE International Conference on Com-munications, Ottawa, 10-15 June 2012,: 3811-3815.

[11] JohnGo.Proakis, Masoud Salehi. Digital Communication[M]. 5th edition. Beijin: Electronic Industry Press, 2012.

[12] Gang Qiao, Asim Ismail, Muhammad Aatiq. A study on multi-path channel response of acoustic propagation in northwestern Arabian Sea[J]. Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 2013, 5(19): 4619-4628.

[13] 刘孟庵, 连立民. 水声工程[M]. 杭州: 浙江科学技术出版社, 2002.

LIU Mengan, LIAN Liming. underwater acoustic engineering[M]. Hangzhou: Zhejiang Science and Technology Press, 2002.

Research on the performance evaluation method for underwater acoustic communication system

GAN Zhong-liang1,2, LING Qing1

(1. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China; 2. Unit 92785,PLA, Huludao 125208, Liaoning, China)

The performances of Underwater Acoustic Communication System(UACS) are mainly influenced by the channel condition and communication modulation pattern.Usually, it is needful to conduct ocean acoustic trials time after time in different environments; obviously，this is difficult and also costly. Therefore，it’s very important and useful to construct a performance evaluation model for UACS design and performance prediction. In this paper the underwater acoustic channel is discussed first,and then,on the basis of the channel character，a typical receiver and an evaluation model areproposed and researched. Finally, an example using QPSK modulate is taken to test and verify, the result is satisfactory.

underwater acoustic communication; communication system; channel modeling; performance evaluation

TB533

A

1000-3630(2016)-01-0024-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.006

2015-02-27;

2015-04-09

国家自然科学基金资助项目(11404406)

甘忠良(1984－), 男, 湖北麻城人, 硕士研究生, 研究方向为水声通信技术。

甘忠良, E-mail: ganzhongliang84@126.com