一種淺海信道自適應調制水聲通信方案

邱逸凡，李 爽，童 峰

(1. 廈門大學 水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室，福建 廈門 361005；2. 廈門大學 海洋與地球學院，福建 廈門 361005)

0 引 言

水聲通信已成為軍民領域水下信息獲取、傳輸的關鍵技術。水聲信道特別是淺海信道惡劣條件表現在信道的復雜性、隨機多變性和有限帶寬，海水邊界、海洋動力因素、時空變化和噪聲等都會對信號的傳輸產生一定的影響。因此，單一通信體制往往不足以應對不同水文環境、不同時刻、不同頻點的信道衰落狀況，很難滿足高質量的通信需求。自適應調制是指通過改變發射端的發送功率、波特率，星座圖的大小、編碼方案、碼率等，來提高通信系統的吞吐量的一種技術。作為一種能根據信道狀態信息來快速切換調制方式的一種通信方式成為了水聲通信研究的重點之一[1]。

目前，自適應調制在水聲通信中多應用于OFDM的調制參數自適應。文獻[2]提出了一種OFDM自適應系統，該系統在特定目標誤碼率的約束下將吞吐量最大化。在該系統中，使用預測的信道來確定不同OFDM子載波的最佳調制電平和功率大小，并提供了實時海上實驗的結果。文獻[3]介紹了一種基于有限傳輸模式的OFDM自適應調制編碼系統，該系統采用信道估計后的有效信噪比作為模式切換的指標，并用仿真和實驗結果予以證明。

國內方面，李軒等[4]基于OFDM，從典型水聲信道環境出發，針對不同的子載波調制方式，以及確知和非確知信道狀態信息情況下，采用平均譜效率進行衡量，對自適應調制的性能進行了理論分析和仿真。羅亞松等[5]分析了估計的信道長度對獲得信道狀態信息的影響，并提出了一種新的自適應調制算法，通過試驗證明其可以顯著提升水聲系統的誤碼率性能。陳偉林、吳雨珊等[6-7]先后將無線通信中的自適應調制算法引入到OFDM水聲通信中，提出了相關的自適應資源分配算法，并得到了硬件平臺實現。但信道預測方面的工作仍存在不足。

為解決信道預測和信道狀態信息的快速反饋問題，強化學習算法被引入到自適應中。Aijun Song等[8]提出了一種基于Dyna-Q算法的水聲自適應調制方案，該算法能預測未來信道變化和吞吐量，并根據從接收機返回的信道狀態選擇調制順序來達到吞吐量最大化。Wei Su等[9]提出了一種以感知消息的服務質量要求、先前傳輸質量和能量消耗為根據，基于強化學習的自適應調制編碼方案，與基準方案相比能提高吞吐量、降低信噪比和能量消耗。相關方面研究也將成為今后自適應調制方面的一大方向。

針對OFDM自適應調制方案對多普勒極其敏感，在低信噪比下工作效果不佳。考慮到當信道條件較差時的通信應用，本文引入水聲通信中其他常用的幾種調制方式：DSSS，QPSK，MFSK。通過獲取接收端反饋得到的信噪比、多徑數、多普勒頻偏判斷信道狀態適合傳輸的通信制式。在信道不適合OFDM信號傳輸時，采用其他制式，有效保證傳輸質量。

1 水聲通信自適應調制模型

1.1 系統模型

圖1給出了水聲通信自適應調制模型[10]，首先在發射端發射信號在接收端進行解調，解調端在對信號進行同步檢測后，獲取到相關的信道狀態信息，包含信噪比、多徑、多普勒。其次將信道狀態信息反饋到優化選擇機制，優化選擇機制根據信道狀態信息找到各個調制方式的對應區間，從而選擇相應的調制方式進行信號發射。最后解調端持續反饋CSI，以適應信道的變化，從而進行制式切換，選擇最優通信制式來達到誤碼率和傳輸速度的綜合要求。

圖1 水聲通信自適應調制模型Fig. 1 Adaptive modulation model for underwater acoustic communication

1.2 信道狀態信息和自適應區間

所謂自適應調制，即是根據反饋的信道狀態信息選擇當前最優的調制方式，從而在保證誤碼率的情況下實現等效數據率的最大化。信道狀態信息的準確選擇就尤為重要。多途傳播、多普勒效應、傳播損失和噪聲是水聲信道的幾個基本特性[11]，因此信噪比、多徑、多普勒頻偏是影響信號傳輸的最基本的三要素。

本文將信噪比、多徑、多普勒頻偏作為信道變量進行仿真，通過改變信道狀態，觀察4種調制方式（4FSK，8FSK同屬MFSK，故歸為一種）在不同信噪比情況下的誤碼率曲線，從而給出自適應區間。

選定誤碼率區間為[-10:30]dB；多徑設置單徑和雙徑，單徑下第1徑增益0.76 dB，雙徑下第1徑增益0.76 dB，第2徑增益0.37 dB，第2徑延時10 ms；多普勒設置2 Hz，6 Hz，10 Hz和14 Hz[12-13]。對4種調制方式分別進行仿真，評估誤碼率曲線在不同信道狀態下的變化，如圖2所示。

以誤碼率在0.1以下作為可接受的范圍，對誤碼率曲線進行劃分。結合4種調制方式的特點并綜合考慮誤碼率和傳輸數率，給出優先級選擇如下：QPSK>OFDM>8FSK>4FSK>DSSS。根據上述標準，給出對應的自適應區間。

2 海試實驗和分析

2.1 實驗設置

海試實驗數據獲取地點為廈門五緣灣海域，實驗海域水深8 m，收發機距離為1 km，布放深度為5 m。換能器帶寬為13～18 kHz，中心頻率15.5 kHz。實驗采用本文自適應調制方案和用于對比的固定制式，包含4種制式的6種調制參數組合（固定制式5種，自適應調制1種）發射數據。

為了體現信道隨機變化，在一天的不同時間段進行水聲通信數據采集，圖3為實驗過程中不同時間的信道響應圖?？梢钥闯鰧嶒炦^程中的多徑數最多達到兩徑，且兩徑時延間隔較短，在2 ms左右。

2.2 實驗結果分析

6種調制組合經上述實驗過程得到的各自30個數據包，經解調后的成功傳輸比特數和誤碼率如圖4所示。可以看出，在自適應調制模式下成功傳輸比特數高于其他單一固定制式且呈不斷增長的趨勢，而誤碼率始終保持在0.1以下，保證了傳輸的有效性。

圖2 4種調制方式在不同信道狀態下的誤碼率變化曲線Fig. 2 Variation curves of bit error rate of 4 modulation modes under different channel states

接下來給出實測數據的誤碼率和等效數據率提升對比表，等效數據率的具體定義如下：

為進一步體現失效狀態下的各個制式的對比，僅記錄最后一次成功傳輸之后的比特數和傳輸時間，來計算相應的等效數據率。

為了更加直觀的體現自適應的優勢，進行誤碼率和等效數據率等性能數據的對比，如表2和表3所示。由表2可知，采用自適應調制方式的在信道狀況較差時，誤碼率仍保持在0.02以下，相較于其他制式，誤碼率下降比例達到了85%以上。由表3可知，因每種調制方式傳輸失效時的時間段不同，故對比的自適應等效數據率不同。但相比固定制式，等效數據率都有著很大的提升。進而可得到結論:本文自適應調制方案相較于固定單一調制在信道環境變差時仍能維持優越的性能。

表1 綜合自適應區間Tab. 1 Comprehensive adaptive interval

圖3 不同時間的信道響應圖Fig. 3 Channel response diagram

圖4 成功傳輸比特數、誤碼率曲線圖Fig. 4 Curve of the number of bits successfully transmitted and bit error rate

3 結 語

本文提出一種水聲通信自適應調制技術方案，結合水聲信道特點反饋信道狀態信息采用信噪比、多徑數和多普勒頻偏三要素，并分析了三要素對不同信號傳輸的影響，對4種制式：OFDM，DSSS，QPSK，MFSK在不同信道適應狀況進行仿真，給出誤碼率曲線圖，并結合誤碼率曲線進一步給出自適應調制區間。淺海信道海試實驗數據表明，該自適應調制在信道狀況變差時，相比于單一固定調制方案具有更好的性能表現，能在降低誤碼率的前提下，有效提升等效數據率。

表2 實測數據自適應誤碼率提升對比Tab. 2 Comparison of adaptive bit error rate improvement of measured data

表3 自適應等效數據率提升對比Tab. 3 Comparison of adaptive equivalent data rate improvement