一种水面母船与水下用户双向水声通信方法

摘要

本发明提供的是一种水面母船与水下用户双向水声通信方法。在水面母船上设置由收发合置水听器组成的垂直接收阵通信系统，水下用户设置单阵元构成的点源；水下用户至水面母船的上行通信，采用虚拟式时间反转镜，探测码由两个LFM信号构成；在水面母船接收端，各阵元首先分别对接收到的探测码进行存储，同时通过对其进行拷贝相关处理完成信道估计，随后接收到的信息码与信道估计的时间反转进行卷积运算；上行通信中，每个阵元均先进行信道估计、完成虚拟时间反转镜处理后，重新同步，然后再叠加输出进入解码器；水面母船至水下用户的下行通信，以接收到的探测码的时间反转作为信息码元载体，进行编码，传送信息给水下用户。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种通信方法，特别是一种实现水面母船与水下用户双向水声通信的方法。

(二)背景技术

海洋资源开发和海洋环境立体监测系统大都包括海底传感器、自主式水下运载器(AUV)、水下试验仪器和水面母船等。母船需要从多个水下用户获取实时数据，并把控制信息传递给各个用户。这种配置形成一种交互式通信，可通过水声通信来实现，其具有灵活、方便、经济、不存在电缆缠绕等问题。

水声信道是随机时变、空变的，其界面反射和声线弯曲导致多途扩展，由多途扩展产生的码间干扰是水声通信的主要障碍之一。为了获得高速率、低误码通信，必须抑制码间干扰。

时间反转镜(Time Reversal Mirror，TRM)可在没有任何先验知识的情况下具有自适应匹配声信道的作用。TRM已被广泛应用于水声通信中，包括主动式TRM(Active TRM，ATRM)、被动式TRM(Passive TRM，PTRM)和虚拟式TRM(Virtual TRM，VTRM)。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种既能减小水下用户设备的复杂性，又有利于提高通信质量的一种水面母船与水下用户双向水声通信方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)在水面母船上设置由收发合置水听器组成的垂直接收阵通信系统，水下用户设置单阵元构成的点源，水面母船与水下用户之间间断性进行信息交互；

(2)水下用户至水面母船的上行通信，采用虚拟式时间反转镜，探测码、亦为通信同步码，由两个LFM信号构成、即正调频LFM₊与负调频LFM_-；

(3)在水面母船接收端，各阵元首先分别对接收到的探测码进行存储，同时对其进行拷贝相关处理，以此完成信道估计，随后接收到的信息码与信道估计的时间反转进行卷积运算；

(4)上行通信中，每个阵元均先进行信道估计、完成虚拟时间反转镜处理后，重新同步，然后再叠加输出进入解码器；

(5)水面母船至水下用户的下行通信，以接收到的探测码的时间反转作为信息码元载体，进行编码，传送信息给水下用户。

所述各阵元首先分别对接收到的探测码进行存储是正、负调频LFM分别存储。

为实现本发明的目的，克服多途干扰，本发明在上行通信中利用虚拟式时间反转镜抑制码间干扰，下行通信中利用主动式时间反转镜使信号到达水下用户时已自动均衡信道，从而提出一种实现水面母船与水下用户双向水声通信的方法。

本发明的优点是可以利用上行、下行通信中的虚拟式时间反转镜和主动式时间反转镜特性实现水面母船与水下用户双向水声通信，在减小了水下用户设备的复杂性的同时，有利于提高通信质量。

(四)附图说明

图1是水面母船与水下用户双向水声通信示意图；

图2是帧数据结构；

图3-1～图3-4是4个阵元与用户间的信道冲激响应h₁～h₄；图3-5～图3-8是各阵元与用户间信道冲激响应之间的互相关输出(其中corr(·)表示互相关运算)；

图4-1、图4-2是未使用虚拟时间反转镜时的拷贝相关解码输出波形图，其中图4-1为以LFM₊为参考信号，图4-2为以LFM_-为参考信号；

图4-3、图4-4给出了使用虚拟时间反转镜时的拷贝相关解码输出波形图，其中图4-3为以LFM₊为参考信号，图4-4为以LFM_-为参考信号。

图5-1、图5-2是下行通信中的编码信号，其中图5-1对应LFM₊编码，图5-2对应LFM_-编码；

图5-3、图5-4是拷贝相关解码输出波形，其中图5-3为以LFM₊为参考信号，图5-4为以LFM_-为参考信号。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

(1)水面母船对设备复杂性要求不高，所以通信系统由收发合置水听器组成的垂直接收阵构成，水下用户通常追求结构简单且低功耗，所以为单阵元构成的点源，母船与水下用户的信息交互都是间断性的；

(2)水下用户至母船的上行通信，采用虚拟式时间反转镜，探测码(亦为通信同步码)由两个LFM信号构成(正调频LFM₊、负调频LFM_-)；

(3)在母船接收端，各阵元首先分别对接收到的探测码进行存储(正、负调频LFM分别存储，备用于下行通信)，同时通过对其进行拷贝相关处理完成信道估计，随后接收到的信息码与信道估计的时间反转进行卷积运算；

(4)上行通信中，每个阵元均先进行信道估计、完成虚拟时间反转镜处理后，重新同步，然后再叠加输出进入解码器；

(5)母船至水下用户的下行通信，以接收到的探测码的时间反转作为信息码元载体，进行编码，传送信息给水下用户，此可视为主动式时间反转镜的应用，达用户的信息已大大抑制码间干扰，可减少水下用户端信道均衡的工作量。

母船发信息给水下用户，称为下行通信；若水下用户向母船传送信息，称为上行通信。通常母船与水下用户的信息交互都是间断性的，所以若为水下多用户，则可采用时分复用通信方式。图1给出了水面母船与水下用户双向水声通信示意图。时间反转镜(TRM，J元阵)由收发合置水听器组成的垂直接收阵(SRA：Source-Receive Array)构成；水下用户为一点源(PS：Point Source)。

本通信方案采用通过码元组合方式携带数字信息方式，为便于分析只选用2个码元，分别为正、负调频LFM信号，记为LFM₊、LFM_-，其不同的组合方式携带的信息如表1所示。例如，若同时发送LFM₊、LFM_-，表示信息“11”；而若只发送LFM₊，则表示信息“10”。

表1数字信息符号

本专利重点是分析时间反转镜在水面母船与水下用户双向水声通信中的应用，得到的结论可应用其它通信方式。

1、上行通信

对于上行通信，采用虚拟式时间反转镜。通信帧数据结构如图2所示。图中探测码(亦为通信同步码)由两个LFM信号构成(正调频LFM₊、负调频LFM_-)，探测码与信息码之间以及帧与帧之间均需留有一段时隙T_ISI(大于多途扩展时间)，以避免其多途信号对后面的信号产生干扰。

为保证TRM聚焦的稳定性和有效性，需要间断的重新发送探测码(即每帧数据的同步码)。帧的长度T_Frame取决于信道的时变性，应短于信道的相对稳定时间，若收发节点间存在相对运动或风浪较大，则帧长度应该减小。

在母船接收端，各阵元首先分别对接收到的探测码进行存储(正、负调频LFM分别存储，备用于下行通信)，同时通过对其进行拷贝相关处理完成信道估计。随后接收到的信息码与信道估计的时间反转进行卷积运算。其处理过程表达式如下，其中式(1)是信号通过水声信道，式(2)是时间反转处理后的输出信号。

$>\left(\begin{array}{c}{p}_{\mathrm{rj}}\left(t\right)=p\left(t\right)\otimes h_R(t;z_j,z_{\mathrm{ps}})+n_j\left(t\right)\\ s_{\mathrm{rj}}\left(t\right)=s\left(t\right)\otimes h_R(t;z_j,z_{\mathrm{ps}})+n_j\left(t\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$>

$>r_{\mathrm{up}}\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{J}{\Sigma }}{s}_{\mathrm{rj}}\left(t\right)\otimes h_R^{\prime }(-t;z_j,z_{\mathrm{ps}})---\left(2\right)$>

式中s(t)为信息码，p(t)为探测码；J为阵元数目p(t)；h_R(t；z_j，z_ps)为j号阵元与目船之间的信道冲激响应，h′_R(t；z_j，z_ps)为其估计；s_rj(t)、p_rj(t)为其各阵元接收到的信号，n_j(t)为本地噪声。

上行通信中，每个阵元均先进行信道估计、完成虚拟时间反转镜处理后，重新同步，然后再叠加输出，如式(2)所示。

2、下行通信

对于下行通信，以接收到的探测码的时间反转作为信息码元载体，按表1进行编码，传送信息给水下用户。此可视为主动式TRM的应用，通信过程中信息从SRA流向PS，到达用户的信息已大大抑制码间干扰，可减少用户端信道均衡的工作量，有助于化减用户端设备复杂性并节省功耗。其处理过程表达式为：

$>r_{\mathrm{down}}\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{J}{\Sigma }}{p}_{\mathrm{rj}}(-t)\otimes h_R(t;z_{\mathrm{ps}},z_j)---\left(3\right)$>

由于声信道多途扩展效应，p_rj(t)在时间上长于原信号p(t)且波形发生畸变。但将p_rj(t)的时间反转p_rj(-t)作为信息载体，并不用以其脉宽来确定下行通信的码元宽度。码元宽度T只要保证大于等于p(t)脉宽T₀即可，这是由于时间反转镜具有时间压缩、空间聚焦的特性，编码信号经过信道传输后将被时间压缩，PS接收信号r_down(t)的每个码元波形将近似于原信号的时间反转。但由于时间反转镜的性能可能受到信道时变、空变性或受到噪声干扰等因素影响，仍会存在一定的时间扩展，产生码间干扰，所以我们可以设定一保护间隔T_g(T＝T₀+T_g)，以减小由于时间反转镜聚焦性非理想化而导致的码间干扰，但这是以牺牲通信效率为代价的。另外，由于下行通信利用的是上行通信中接收到的探测码，所以若想保证TRM性能，前提是一次完整通信时间内(包括上行与下行两个过程)，信道应是相对稳定的。

由于水下节点通常追求结构简单且低功耗，所以应为单阵元；而母船对设备复杂性要求不高，所以可采用基阵处理。对于上行通信，相当于在接收端进行了空间分集接收；而对于下行通信相当于在声源处实现了空间分集发射，减小了水下用户设备的复杂性，且有利于提高通信质量。

在实测得到的某海洋声速分布条件下给出仿真结果。本文仿真小基阵时间反转镜，4个阵元，阵元间距4m，首阵元布放深度3m；水下用户深度50m。

在该水文条件下，利用射线声学理论模型在计算机中对水声信道建模，可以得到收、发节点位于不同水平距离和垂直位置下的信道冲激响应函数h(t)。

图3-1～图3-4分别给出了4个阵元与用户间的信道冲激响应h₁～h₄，可以看出，各阵元与用户间信道冲激响应多途扩展达100ms左右，并且多途信号的幅度较大，将会产生严重的码间干扰；图3-5～图3-8为不同信道间的互相关输出(其中corr(·)表示互相关运算)，可以看出，各信道冲激响应间的互相关性较弱，所以可较好地获得空间分集接收的效果。

上行通信中，图4-1、图4-2给出了未使用虚拟时间反转镜时的拷贝相关解码输出波形图，其中图4-1为以LFM₊为参考信号，图4-2为以LFM_-为参考信号；图4-3、图4-4给出了使用虚拟时间反转镜时的拷贝相关解码输出波形图，其中图4-3为以LFM₊为参考信号，图4-4为以LFM_-为参考信号。从图中可以看出，未使用虚拟时间反转镜时，由于多途干扰的存在，同步本身就很难精确获取，且码间干扰将导致较大的误码率；而使用虚拟时间反转镜后，同步获取精确，同时每个码元的相关峰尖锐、单一，且由于充分利用了各多途信号的能量而使相关峰幅度高于未使用VTRM时的情况，可以明显提高通信质量。

图5-1、图5-2是下行通信中的编码信号，其中图5-1对应LFM₊编码，图5-2对应LFM_-编码，发射信号为该两路信号的叠加；图5-3、图5-4是拷贝相关解码输出波形，其中图5-3为以LFM₊为参考信号，图5-4为以LFM_-为参考信号。可以看出，由于采用了主动式时间反转镜，接收端无需另行采用信道均衡技术，就可通过拷贝相关得到尖锐、单一的相关峰，准确解码。

本专利基于时间反转镜的水声通信方案，充分考虑了母船与水下节点的特性，并充分利用了虚拟式TRM和主动式TRM的实现特点及性能。

由于母船对设备复杂性及功耗要求不高，所以可采用基阵处理，即对于上行通信，相当于在接收端进行了空间分集接收；并采用虚拟式时间反转镜来抑制码间干扰，其可在接收机中通过数字卷积运算实现。而对于水下用户节点，则要追求结构简单和低功耗性能，所以采用单阵元处理，下行通信相当于在声源处实现了空间分集发射；并提出利用上行通信中接收到的探测码作为下行通信的码元，从而利用主动式时间反转镜使到达水下用户的信息自动抑制码间干扰，减轻了水下用户信道均衡等处理的工作量。最后通过仿真，验证了时间反转镜抑制码间干扰的性能。