高效的水下無線通信方式：逆時通信

摘要：結合經典實驗詳細介紹了逆時通信是如何有效減弱碼間串擾及有效提高信息傳輸速率的。最后簡要說明了逆時通信的研究現狀和其他應用。

關鍵詞：水下通信； 逆時通信； 碼間串擾； 多輸入多輸出

中圖分類號：TN011.6文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)12-0317-03

時變、多徑傳播等復雜環境會使無線通信產生嚴重的碼間串擾。如何在這種環境中獲得良好的通信效果是近年來無線通信領域的研究熱點之一。水下通信環境非常復雜，碼間串擾問題嚴重，同時由于水下固有帶寬的限制，其通信速率難以提高。研究人員通常使用自適應均衡器、空間分集接收器、糾錯編碼等技術來克服這些問題。逆時通信也可以很好地解決這些問題。逆時重組了多徑傳播從而減弱了信道衰減和碼間串擾，增加了信噪比。同時，由于逆時聚焦作用的影響，在聚焦點上可以收到高信噪比的信號，而在聚焦點之外的信號均被疏散了，逆時這種多個“聽眾”通信而沒有“串話”的能力增加了水下信道的有效容量。

1逆時通信的工作原理及其特點

第一個逆時實驗始于四十年前^[1]。其工作原理如圖1所示。探測源（PS）發出一個脈沖，被遠處的收/發器（圖1中右邊小黑點）接收到。如圖1所示，本文選擇考察到達收/發器的三條路徑，分別是直接到達、從水底反射到達、從水面反射到達。收/發器將收到三個不同時隙到達的等幅脈沖信號，并記錄這些信號，對它們作逆時處理后重新向探測源發射。三個脈沖信號又會在上述三種路徑上產生相關的回音，這樣有九個信號返回探測器。這九個信號在探測源處疊加，可以形成逆時焦點。從圖中可以看出，焦點處的信號強度遠高于旁瓣的強度，從而很容易提取出焦點處的信號。

2逆時通信有效減弱了碼間串擾

碼間串擾問題是無線通信面臨的主要問題之一，逆時通信通過重組多徑傳播而產生時域聚焦（圖1），從而減弱了碼間串擾，同時增加了信噪比。

一般而言，逆時通信包括兩個過程^[4]。第一個過程是信道估計過程，如圖2接收過程所示，信源發射一個向導信號。該信號傳輸到逆時器陣列（TRA），其信道響應hi(t)記錄在TRA的每個元素中。這些元素在下一個過程中作為發射器使用。由于多重散射的作用，這些存儲信號的持續時間遠長于原始的向導信號。第二個過程是真正的數據傳送過程。這個過程中需要使用上個步驟中得到的信道響應hi(t)來發送比特流。所有的逆時陣列元素同步發送同樣的信號x(t)，通過一個濾波器g(t)濾波。如果待傳送的信號是x(t)，那么接收端所收到的信號y(t)可以寫成

日本船舶技術中心的Takuya Shimura等人的實驗結果證明了逆時通信可以很好地克服碼間串擾^[2]。由于水下環境的不同，聲音在水下傳播速度分布也不同。該實驗研究了在幾種典型的水下環境中不同通信距離的通信效果，比較了不同調制方式條件下四種通信策略的實驗結果。不乏一般性，這里選擇聲音速度分布為SVP4，通信距離為15 km，調制方式是16QAM。其星座圖如圖4所示。第一種策略是對收到的信號沒有任何處理，碼間串擾問題嚴重；第二種策略是收到的信號經過自適應濾波處理，有效減弱了碼間串擾；第三種策略是純逆時通信的情況，雖然存在一些碼間串擾，但相對于策略一的情況有了顯著的改善；第四種策略是逆時和自適應處理相結合的情況，完全克服了碼間串擾問題，是四種策略中最好的一種。

3水下MIMO逆時通信

多輸入多輸出(MIMO)信道是無線通信中增加數據速率的有效方法，在水下通信中同樣大有作為。它可以有效提高信息傳輸速率^[3，5]。其工作原理如圖5所示。

前面已經提到了逆時的空域聚焦能力。基于此，一些科學家提出了水下MIMO逆時通信，國外一些實驗室已經作了比較成功的科學實驗。下面簡要介紹其工作過程。

式(9)類似于式（1）。可見MIMO逆時通信與傳統的逆時通信很相似，區別在于MIMO會產生一系列聚焦點。每個焦點的形成均會涉及該接收組元和發射組之間的信道響應，而且在各個接收器深度上聚焦的逆時波形幾乎是同時被捕捉到的。通過組合對應于不同接收組元深度的信道響應即可獲得這種組間逆時聚焦（圖5（c）），從而在不同深度同時產生多個聚焦點。利用這一點，可以將不同的信息同時發送到同一范圍內的不同深度接收器，從而有效提高信息傳輸速率。國外這方面的成功實驗很多，可以參考文獻[3，5，7]。

4結束語

逆時通信是一種性能良好的無線通信方式，它可以有效減弱無線通信中的碼間串擾和信息速率受限問題。由于時域和頻域的對應關系，逆時也被稱做相位共軛^[5，9]。該技術將聲音

能量聚焦回它所發出的地方，也被稱為漏斗通信。目前，逆時通信在水下的研究工作比較成熟。逆時在入侵檢測和水下聲納中剛剛開始有了應用，而逆時原理在地面無線通信和無線傳感器網絡中的研究已經展開^[6]。由于其處理簡單和良好性能，逆時通信必然是無線通信中的又一個生力軍。

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