不同海底地形下海洋信道對(duì)水聲通信的影響

孫宗鑫，于洋，周鋒，劉凇佐，喬鋼

(1.哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱150001;2.哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

按照射線聲學(xué)理論，水聲信道沖擊響應(yīng)是聲線傳輸?shù)目傮w描述方式。近年來，高速率擴(kuò)頻水聲通信技術(shù)成為國內(nèi)熱門研究領(lǐng)域［1-6］。對(duì)淺海溫暖水域水聲信道特性的研究也逐漸為解決多徑干擾問題提供了理論依據(jù)。文獻(xiàn)［7］將信息調(diào)制在M元和碼相位上，提高了擴(kuò)頻通信的速率。文獻(xiàn)［8］利用基追蹤方法對(duì)稀疏信道進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［9］對(duì)湍流淺水水聲信道進(jìn)行了研究，并且考慮信道的時(shí)變性。文獻(xiàn)［10］對(duì)沿海地區(qū)的聲表面波對(duì)水聲通信的影響進(jìn)行了研究，展示了其對(duì)精確的信道估計(jì)算法的影響。文獻(xiàn)［11］則更具挑戰(zhàn)性地分析了具有劇烈時(shí)變特性和非高斯環(huán)境噪聲的溫暖淺水水聲信道特性。文獻(xiàn)［12］則闡述了淺海中表面波和隨機(jī)海洋介質(zhì)對(duì)信號(hào)特性的影響，并討論了由信道特性帶來的信號(hào)幅度和相位的變化。文獻(xiàn)［13］利用MP算法估計(jì)信道的沖擊響應(yīng)，克服了時(shí)反信道的ISI，使誤碼率大幅降低。文獻(xiàn)［14］利用導(dǎo)頻迭代更新的方式對(duì)水聲通信信道進(jìn)行均衡，得到了較好的效果。在各種水聲信道中，海底的散射無疑是形成多徑干擾的重要因素，對(duì)信號(hào)檢測(cè)、信息傳輸、時(shí)間測(cè)量等有非常大的影響。文獻(xiàn)［15］通過零相關(guān)窗信號(hào)測(cè)量水聲信道，抑制了各多徑之間的互相干擾，使信道沖擊響應(yīng)更加準(zhǔn)確。為了研究不同的海底地形對(duì)水聲通信的影響，本文首先分析了水聲信道多徑信道模型，給出了信號(hào)多徑比［16］(signal to multipath ratio，SMR)定義;然后針對(duì)實(shí)際測(cè)量得到的阿拉伯海西北部3種典型海底地形的海洋信道沖激響應(yīng)，分析了不同海底地形的SMR特性;最后以SMR作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)直擴(kuò)信號(hào)(DSSS)在信道中的表現(xiàn)進(jìn)行了分析。

1 信號(hào)多徑比

時(shí)變水聲信道可以用以下模型表示:

式中:hi(t)和τi(t)分別是第i條路徑的增益和時(shí)延。對(duì)于無線電通信來說，只有路徑增益是時(shí)變的，時(shí)延是時(shí)不變的;而對(duì)于水聲信道來說，路徑時(shí)延和路徑增益都是隨著時(shí)間變化的，并且，信道中各聲線的時(shí)延τi(t)=τi－at，a是多普勒因子。式(1)表明，水聲信道響應(yīng)為信道內(nèi)所有可能的聲路徑的疊加，并且可以用各條聲線的信道增益和傳播時(shí)延描述，其中確定主路徑有2種準(zhǔn)則:信道增益最大和信道延遲最小。對(duì)于擴(kuò)頻通信，一般使用信道增益最大準(zhǔn)則，并且在一定的檢測(cè)窗口范圍內(nèi)搜索其他路徑，進(jìn)行合并。

在水聲信道中，由于聲速受海水溫度、壓力和鹽度的影響，在深度方向上變化劇烈，到達(dá)接收點(diǎn)的聲線可能經(jīng)過高聲速區(qū)，所以多徑信號(hào)可能在直達(dá)信號(hào)之前到達(dá)，也可能在直達(dá)信號(hào)之后到達(dá)，這里用非最小相位系統(tǒng)來描述水聲信道多徑特性，此時(shí)，第i條多徑信號(hào)可以表示為

式中:τi表示多徑信號(hào)相對(duì)于主徑的時(shí)延，αi表示多徑的幅度。

在DSSS系統(tǒng)中，Ts為符號(hào)時(shí)長(zhǎng)，信息被調(diào)制到以Ts為周期的擴(kuò)頻序列上。接收機(jī)按照主路徑的節(jié)拍在長(zhǎng)度為Ts的檢測(cè)窗口范圍內(nèi)解碼。當(dāng)Ts大于信道的最大多徑擴(kuò)展τm時(shí)，各多徑落在時(shí)間窗口范圍內(nèi)信號(hào)包含兩部分:當(dāng)前符號(hào)的多徑和前一符號(hào)的多徑。如果信道較為復(fù)雜，存在τi≥Ts或τi＜0的情況，即存在大于符號(hào)長(zhǎng)度的多徑擴(kuò)展或者存在主路徑之前到達(dá)接收點(diǎn)的多徑信號(hào)的情況。此時(shí)，落在檢測(cè)窗Ts內(nèi)的多徑信號(hào)除了當(dāng)前符號(hào)和前一符號(hào)的多徑之外，還包含其他符號(hào)k，k+1的多徑能量的一部分，如圖1所示，這些多徑是造成干擾的主要原因。

圖1 多徑信號(hào)干擾Fig.1 Multipath interference

綜上，認(rèn)為檢測(cè)窗口Ts內(nèi)包含2種狀態(tài)的多徑。文獻(xiàn)［16］將這兩種多徑定義為自多徑和互多徑。自多徑即圖1中落在Ts－τi中的多徑信號(hào)能量，互多徑為落在τi中的前一符號(hào)的能量和落在Ts內(nèi)所有信道延遲在(0，Ts)范圍之外的路徑的能量。自多徑是落在檢測(cè)窗內(nèi)的當(dāng)前符號(hào)，和主徑信號(hào)疊加后，形成穩(wěn)定的信號(hào)，可以利用Rake接收機(jī)將其合并到主徑信號(hào)上，并最終決定了解調(diào)后基帶信號(hào)的相位和包絡(luò)，定義該部分為有用信號(hào)能量S。互多徑為落在檢測(cè)窗內(nèi)的其他符號(hào)的多徑，屬于多徑干擾，其能量為M。文獻(xiàn)［16］還定義了信號(hào)多徑比(signal to multipath ratio，SMR):

其中，可以在檢測(cè)中被利用的有用信號(hào)的能量即有用信號(hào)S可以表示為

式中:r代表了在檢測(cè)窗時(shí)間Ts內(nèi)信號(hào)的數(shù)目。互多徑干擾的能量為

SMR的定義為確定Rake接收機(jī)多徑合并準(zhǔn)則提供了依據(jù)。對(duì)于不同的檢測(cè)窗長(zhǎng)度，多徑信號(hào)可能落在窗內(nèi)被Rake接收機(jī)合并至主路徑，成為有用信號(hào)的一部分，也可能落在檢測(cè)窗外，成為互多徑干擾，影響信號(hào)的解調(diào)。關(guān)鍵在于檢測(cè)窗的長(zhǎng)度和信道多徑結(jié)構(gòu)的配合。利用式(3)計(jì)算信道SMR，能夠?qū)U(kuò)頻通信符號(hào)時(shí)長(zhǎng)和調(diào)制形式的設(shè)計(jì)提供參考，還能夠通過SMR預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能。

對(duì)于相移鍵控調(diào)制來說，無錯(cuò)誤傳輸?shù)腟MR最低要求為

式中:υ代表調(diào)制相位數(shù)目。

2 海洋信道分析

對(duì)實(shí)測(cè)不同海底條件下的海洋信道沖擊響應(yīng)的SMR進(jìn)行研究。1號(hào)信道位于巴基斯坦城市敖馬拉附近，發(fā)射換能器和接收換能器的位置分別為北緯25°10'，東經(jīng) 64°42'，和北緯 24°59'，東經(jīng) 64°41.9'。發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)之間水平距離為20.4 km，試驗(yàn)水域水深從10 m逐漸變化到722 m，是一個(gè)典型的傾斜海底信道，其信道沖激響應(yīng)如圖2(a)。

2號(hào)信道為平坦海底深海環(huán)境的信道沖激響應(yīng)，如圖2(b)所示。發(fā)射換能器位置為北緯23°53.9'，東經(jīng) 61°59.7'，接收換能器位置為北緯 23°40'，東經(jīng)61°58.1'。實(shí)驗(yàn)水域平均水深3 400 m，收發(fā)換能器水平距離為25 km。

3號(hào)信道為平坦海底淺海信道。發(fā)射換能器位于北緯 24°32.9'，東經(jīng) 66°45'，接收換能器位于北緯24°26.9'，東經(jīng) 66°48.7'。收發(fā)換能器水平距離12.7 km。實(shí)驗(yàn)水域平均水深為120 m左右，信道沖擊響應(yīng)如圖2(c)所示。

從圖2所示的3種實(shí)測(cè)的水聲信道沖擊響應(yīng)可以看出，由于海底地形的不同，接收信號(hào)中海底散射信號(hào)在時(shí)間和幅度上均有很大差別。可以看到，平坦海底的沖擊響應(yīng)模型有明顯的分簇，簇與簇之間的時(shí)間間隔隨時(shí)間推移增加而加大，深海和淺海都有這樣的特點(diǎn);深海和淺海的區(qū)別僅在于信號(hào)在海面和海底反射間隔之間的擴(kuò)展損失。而傾斜海底則沒有這種規(guī)律，其原因是由于傾斜海底對(duì)反射信號(hào)方向的改變，信道更像是一種楔形的非等深介質(zhì)。

圖2 3種不同海底類型的水聲信道沖擊響應(yīng)Fig.2 Impulse response in 3 types of channels with different seabed topographies

淺海信道沖激響應(yīng)在時(shí)間上較為集中，由于水深較小，信號(hào)能量集中于水層，各多徑信號(hào)信道增益較大，如果擴(kuò)頻符號(hào)長(zhǎng)度較小，符號(hào)時(shí)長(zhǎng)Ts較短，這些信號(hào)將被認(rèn)為是互多徑干擾，對(duì)主徑信號(hào)的解調(diào)帶來較大的影響。深海平坦海底信道，由于信號(hào)各簇之間的時(shí)延較大，傳播損失導(dǎo)致多徑信號(hào)的信道增益隨時(shí)延逐漸降低，在能量上對(duì)主徑信號(hào)影響不如淺海信道大;但是由于深海信道多徑時(shí)間擴(kuò)展較大，這些多徑擴(kuò)展全部落在檢測(cè)窗口Ts之外，成為其他擴(kuò)頻符號(hào)的互多徑干擾。而傾斜海底信道不論是信道增益還是信道延遲，只要檢測(cè)窗口合適，多徑信號(hào)大部分為自多徑，和主徑疊加后增加了信號(hào)的能量。

圖3為3種實(shí)測(cè)信道的SMR，以不同的時(shí)間比例顯示。可以看到，隨著符號(hào)時(shí)長(zhǎng)的增加，SMR也隨之增加，這說明更長(zhǎng)的積分時(shí)間使更多的多徑信號(hào)由互多徑干擾變成自多徑，提高了有用信號(hào)S的能量，同時(shí)也降低了互多徑干擾。

在足夠長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，傾斜海底的SMR最高，其次是扁平淺海海底，最后是深海海底。傾斜海底的信道多徑歸一化幅值較小，多徑持續(xù)時(shí)間只有幾十毫秒，平坦海底的信道多徑歸一化幅值較大，多徑持續(xù)時(shí)間達(dá)到了200 ms左右。深海平坦海底的信道沖擊響應(yīng)雖然幅度隨時(shí)間延續(xù)而逐漸變小，但是由于其多徑擴(kuò)展時(shí)間過長(zhǎng)，有時(shí)甚至達(dá)到幾十秒，所以在連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，有更多的互多徑干擾進(jìn)入檢測(cè)窗，造成干擾。所以，SMR是衡量多徑衰落程度的一個(gè)重要指標(biāo)，SMR越低，多徑對(duì)通信的影響就越大。

圖3 3種海底地形的SMRFig.3 Channel SMR in 3 different seabed topographies

要達(dá)到無錯(cuò)誤傳輸，就需要盡量把所有可以利用的聲線都包括在檢測(cè)窗中。對(duì)于一定的信道沖擊響應(yīng)結(jié)構(gòu)，這樣做最直接的影響是降低通信速率。而SMR提供了一個(gè)選擇檢測(cè)窗長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)。例如在式(6)中，QPSK調(diào)制的無錯(cuò)誤傳輸所需的最低SMR為1，所以，在上述3種不同海底地形的信道中，傾斜海底信道需要22 ms的檢測(cè)窗，淺海平坦海底信道需要303 ms的檢測(cè)窗，而深海平坦海底信道則需要14 s的檢測(cè)窗。

3 3種海底地形信道中的DSSS信號(hào)

下面研究3種海底條件對(duì)DSSS通信性能的影響。在特定的信道沖擊響應(yīng)下，不同的檢測(cè)窗長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)不同的SMR，同樣的通信參數(shù)在不同的信道中有不同的表現(xiàn)，通過通信的誤比特率(bit error rate，BER)來說明信道對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

利用實(shí)測(cè)的信道來進(jìn)行通信解碼仿真分析。信道沖擊響應(yīng)來自阿拉伯海北部海域的實(shí)測(cè)信道，如圖2所示。這里，接收機(jī)采樣率為48 kHz，DSSS信號(hào)帶寬4～10 kHz。解調(diào)時(shí)首先對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，然后按照不同的檢測(cè)窗對(duì)多徑信號(hào)進(jìn)行分類，將自多徑信號(hào)與主徑信號(hào)進(jìn)行合并，最后將再進(jìn)行解擴(kuò)和解碼。

圖4 不同檢測(cè)窗長(zhǎng)度DSSS系統(tǒng)性能Fig.4 DSSS system performance with different detection zones

圖4中，用加性高斯白噪聲信道(AWGN)作為參考，信道中僅有噪聲干擾，多徑干擾是0，可以認(rèn)為AWGN信道中的SMR為無窮大。圖4(a)－(d)中，在檢測(cè)窗長(zhǎng)度一定的情況下，傾斜海底信道的性能最好，深海平底信道的性能優(yōu)于淺海平底信道，對(duì)應(yīng)于SMR的值。在圖4(e)中可以看到，當(dāng)檢測(cè)窗長(zhǎng)度為200 ms時(shí)，淺海信道的性能略優(yōu)于深海平坦海底信道，這是由于淺海平底信道最大信道延遲小于200 ms，如圖2(c)所示，檢測(cè)窗已經(jīng)能夠?qū)⑺新窂降哪芰慷及M(jìn)來，而對(duì)于深海平底信道，如圖2(b)所示，檢測(cè)窗為200 ms時(shí)僅包括第一簇路徑，其他路徑在檢測(cè)窗外，成為互多徑干擾。

對(duì)于平底淺海信道，檢測(cè)窗長(zhǎng)度較小的時(shí)候，由于信道中存在大量的互多徑干擾，致使SMR過低，DSSS系統(tǒng)已經(jīng)不能收斂。隨著檢測(cè)窗長(zhǎng)度增加，更多的多徑信號(hào)被當(dāng)做自多徑來處理，SMR逐漸增大，DSSS系統(tǒng)的抗多徑能力也隨之提高，趨向于AWGN信道。

SMR的重要意義在于平衡通信速率和誤碼率，從而確定擴(kuò)頻通信參數(shù)。為了更直觀的比較幾種不同海底地形信道和不同擴(kuò)頻碼長(zhǎng)條件下的表現(xiàn)，本文通過比較達(dá)到10－3的誤比特率所需要的SNR來說明不同海底地形對(duì)DSSS系統(tǒng)性能的影響，如圖5所示。

圖5直觀的表現(xiàn)了在幾種不同海底地形信道下，DSSS系統(tǒng)在不同的檢測(cè)窗長(zhǎng)度下的表現(xiàn)。可以看出，在同等檢測(cè)窗長(zhǎng)度條件下，要達(dá)到 10－3的BER，傾斜海底信道需要的信噪比最低，是深海信道，平底淺海信道由于海底反射致使信道中存在較高能量的多徑。當(dāng)檢測(cè)窗縮短以后，更多的多徑信號(hào)被限定在檢測(cè)窗外，成為互多徑干擾，降低了SMR，所以底淺海信道在短檢測(cè)窗下BER已經(jīng)不能達(dá)到 10－3了。

圖5 實(shí)測(cè)信道10－3BER需要的SNRFig.5 The SNR needed by the BER of 10－3in real channel

4 結(jié)束語

本文根據(jù)實(shí)測(cè)的阿拉伯海西北部海域的水聲信道沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)3種不同海底地形信道對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)的影響進(jìn)行了仿真分析。利用SMR描述多徑信號(hào)的影響，SMR較大時(shí)系統(tǒng)的抗多徑干擾能力強(qiáng)，能夠達(dá)到較低的BER。不同海底地型影響了信道的沖擊響應(yīng)結(jié)構(gòu)，也影響了通信系統(tǒng)的SMR。通過對(duì)比和比較，可以得到這樣的結(jié)論，淺海平坦海底使信道產(chǎn)生最嚴(yán)重的多徑衰落，是3種信道中最惡劣的;深海平底信道的SMR適中，對(duì)于猝發(fā)擴(kuò)頻通信影響較小，當(dāng)通信數(shù)據(jù)量較大時(shí)成為互多徑干擾，使SMR降低;傾斜海底信道由于海底地形的原因一部分海底反射無法到達(dá)接收點(diǎn)，其多徑信號(hào)的時(shí)延較短且幅度較小，擁有較大的SMR。

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