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基于空时处理的水声扩频通信

周锋 张文博 张宝胜 聂东虎 王洋 刘兵

周锋, 张文博, 张宝胜, 聂东虎, 王洋, 刘兵. 基于空时处理的水声扩频通信[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(6): 2006-2013. doi: 10.11999/JEIT211398
引用本文: 周锋, 张文博, 张宝胜, 聂东虎, 王洋, 刘兵. 基于空时处理的水声扩频通信[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(6): 2006-2013. doi: 10.11999/JEIT211398
ZHOU Feng, ZHANG Wenbo, ZHANG Baosheng, NIE Donghu, WANG Yang, LIU Bing. Underwater Acoustic Spread Spectrum Communications Based on Space-Time Cluster Processing[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(6): 2006-2013. doi: 10.11999/JEIT211398
Citation: ZHOU Feng, ZHANG Wenbo, ZHANG Baosheng, NIE Donghu, WANG Yang, LIU Bing. Underwater Acoustic Spread Spectrum Communications Based on Space-Time Cluster Processing[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(6): 2006-2013. doi: 10.11999/JEIT211398

基于空时处理的水声扩频通信

doi: 10.11999/JEIT211398
基金项目: 国家自然科学基金(11974090)
详细信息
    作者简介:

    周锋:男,1980年生,教授,研究方向为水声通信与网络技术

    张文博:男,1992年生,博士生,研究方向为水声通信

    张宝胜:男,1998年生,硕士生,研究方向为水声通信

    聂东虎:男,1978年生,博士,副教授,研究方向为水声通信与网络技术

    王洋:女,1999年生,博士生,研究方向为水声通信与网络技术

    刘兵:女,1996年生,硕士,研究方向为水声通信与网络技术

    通讯作者:

    聂东虎 niedonghu@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: TN929.3; TN914.42

Underwater Acoustic Spread Spectrum Communications Based on Space-Time Cluster Processing

Funds:  The National Natural Science Foundation of China (11974090)
  • 摘要: 由于海洋干扰严重,水声通信十分困难。扩频通信技术具有良好的抗干扰性能,能够保证在复杂的海洋环境中进行可靠的通信,常被用于水声通信中。水声信道是典型的相干多径信道。沿不同路径到达的信号具有不同的传播时延和到达角,因此接收信号具有时空特性。即接收信号具有时延扩展和角度扩展。多径信号的相干叠加导致接收信号中存在严重的符号间干扰。为了充分利用水声信号的时空聚类特性,该文设计了一个空时处理器,分别对沿每条路径到达的信号进行滤波。结合时空簇的多样性,可以有效提高通信系统的可靠性。提出了一种基于空时聚类处理的水声扩频通信方案。并在仿真和实验中对该通信方案进行了比较和分析,以验证其性能优势。
  • 图  1  多路径信号模型和系统布局图

    图  2  基于空时处理的水声扩频通信系统框图

    图  3  空时处理器的框图

    图  4  DOA估计出的仿真信道对应的空间谱图

    图  5  多径信号的时空分布

    图  6  不同接收模式下的星座图

    图  7  通过DOA估计获得的空间谱

    图  8  误码率曲线的比较

    图  9  利用多径信号时空分布的通信方法误码率性能比较

    图  10  信号帧结构示意图

    图  11  UWA信道的脉冲响应

    图  12  估计的空间谱

    图  13  不同接收模式下M元CSK判决归一化相关输出结果

    表  1  仿真参数

    采样频率载频通信带宽扩频序列长度
    48 kHz3 kHz2 kHz15
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    表  2  仿真模拟的多径信道参数

    路径归一化振幅相对延迟(ms)角度(°)
    1100
    20.9003.16722.020
    30.8508.563–14.480
    40.80011.71022.020
    50.75018.7100
    60.60023.380–14.480
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    表  3  多径信道参数

    路径幅度(10–4)时延(s)角度(°)
    12.857143122.333333250.00000000
    22.747211262.4267032115.9453955
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    表  4  不同接收模式下MCSK调制的平均判决矩阵峰均比与误码率

    调制方式MCSK单阵元接收阵列接收后同相叠加阵列接收后空时处理
    判决矩阵峰均比均值3.07514.84665.0433
    平均误码率0.43000.21000.0900
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  • [1] CHITRE M, SHAHABUDEEN S, FREITAG L, et al. Recent advances in underwater acoustic communications & networking[C]. OCEANS 2008, Quebec City, Canada, 2008.
    [2] ETTER P C, HAAS C H, and RAMANI D V. Advanced concepts for underwater acoustic channel modeling[C]. American Geophysical Union, Fall Meeting 2014, 2014.
    [3] YU Yang, ZHOU Feng, and QIAO Gang. M-ary code shift keying spread spectrum underwater acoustic communication[J]. Acta Physica Sinica, 2012, 61(23): 234301. doi: 10.7498/aps.61.234301
    [4] YU Yang, ZHOU Feng, QIAO Qang, et al. Orthogonal M-ary code shift keying spread spectrum underwater acoustic communication[J]. Acta Physica Sinica, 2014, 62(3): 279–288.
    [5] YIN Yanling, ZHOU Feng, QIAO Gang, et al. Burst mode hybrid spread spectrum technology for covert acoustic communication[C]. 2013 OCEANS - San Diego, San Diego, USA, 2013: 1–8. doi: 0.23919/OCEANS.2013.6741030.
    [6] XU Xiaomei. Development and applications of underwater acoustic communication and networks[J]. Technical Acoustics, 2009, 28(6): 811–816. doi: 10.3969/j.issn1000-3630.2009.06.026
    [7] LI Jianghui, LIAO Li, and ZAKHAROV Y V. Space-time cluster combining for UWA communications[C]. OCEANS 2016-Shanghai, Shanghai, China, 2016.
    [8] LIU Zhiqiang, YOO K, YANG T C, et al. Long-range double-differentially coded spread-spectrum acoustic communications with a towed array[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2014, 39(3): 482–490. doi: 10.1109/JOE.2013.2264994
    [9] ZHOU Feng, ZHANG Wenbo, QIAO Gang, et al. Novel spread spectrum based underwater acoustic communication technology for low signal-to-noise ratio environments[C]. International Conference on Intelligent Robotics and Applications, Shenyang, China, 2019.
    [10] BERNARD C, BOUVET P J, POTTIER A, et al. Multiuser chirp spread spectrum transmission in an underwater acoustic channel applied to an AUV fleet[J]. Sensors, 2020, 20(5): 1527. doi: 10.3390/s20051527
    [11] QU Fengzhong, YANG Liuqing, and YANG T C. High reliability direct-sequence spread spectrum for underwater acoustic communications[C]. OCEANS 2009, Biloxi, USA, 2009.
    [12] ZHAI Lijie and DUAN Haisheng. A modified ISM estimation algorithm for direction of arrival (DOA) of wideband coherent signal[C]. 2018 4th International Conference on Education, Management and Information Technology (ICEMIT 2018), Boca Raton, USA, 2018.
    [13] TAGA F and SHIMOTAHIRA H. A novel spatial smoothing technique for the MUSIC algorithm[J]. IEICE Transactions on Communications, 1995, E78-B(11): 1513–1517.
    [14] FRIEDLANDER B. A sensitivity analysis of the MUSIC algorithm[J]. IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 1990, 38(10): 1740–1751. doi: 10.1109/29.60105
    [15] SHI Yaowu, CHEN Miao, SHAN Zetao, et al. Spatial smoothing technique for coherent signal DOA estimation based on eigen space MUSIC algorithm[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition) , 2017, 47(1): 268–273. doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb201701039
    [16] GUL S, ZAIDI S S H, KHAN R, et al. Underwater acoustic channel modeling using BELLHOP ray tracing method[C]. 2017 14th International Bhurban Conference on Applied Sciences and Technology, Islamabad, Pakistan, 2017: 665–670.
    [17] RIES S. Digital time-delay beamforming with interpolated signals[J]. Signal Processing, 2004, 84(12): 2403–2423. doi: 10.1016/j.sigpro.2004.08.003
    [18] LI Xiaoya, LIU Yuanyuan, ZHANG Rong, et al. Fractional delay compensation and it's FPGA implementation in multi antenna system[J]. Digital Communication, 2014, 41(2): 45–49,80. doi: 10.3969/j.issn.1005-3824.2014.02.011
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-01
  • 修回日期:  2022-03-29
  • 网络出版日期:  2022-04-17
  • 刊出日期:  2022-06-21

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