一种环境自适应水声通信机及通信方法与流程

本发明涉及水声通信，尤其涉及一种环境自适应水声通信机及通信方法。

背景技术：

1、水下无人平台具有机动性强、自主性高、环境适应能力强等特性，可根据任务需求搭载不同种类的载荷，是空天地海跨域一体化网络中的重要节点。随着海洋开发和国防建设的发展，海洋工程开发、海洋资源勘测、海洋环境观测等领域均对海洋信息传输提出了重大需求，需要水下无人观测平台将水下数据实时或准实时地传输至水面，然后由水面中继节点转发至岸基或互联网数据融合中心。受海水吸收衰减和散射特性的影响，电磁波和光波在水中的传播衰减十分严重，导致传播距离非常有限，而声波在水下的传播衰减较弱，能有效地在水体中进行远距离传播。但由于海水中声传播速度较电磁波慢、海水表面及海底地形复杂多变，使得水声通信信道具有时-空-频三维复杂变化特性，表现为多径时延较大、环境噪声高、频谱带宽受限、空间起伏大等特点，严重制约了水声通信链路的可靠性和信息传输的有效性。

2、传统的自适应水声通信方法中，仅是通过接收端对信号进行处理，将信道预测结果回传至发射端，根据信道状态信息自适应调节发射参数以实现系统吞吐量的优化，造成大量的时延开销，使得信道状态信息过时或估计不准确，不利于实时在线调节发射参数；同时，通过海洋环境的研究对水声技术的发展至关重要，水声物理、信号处理与海洋环境紧密结合是水声技术发展的必然趋势，与海洋环境相匹配是水声信号所处理追求的目标。

3、因此，现有技术中缺少利用海洋环境信息对通信信道状态进行预测和估计的环境自适应水声通信机及通信方法。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种环境自适应水声通信机及通信方法，用以解决现有水声通信机未能充分利用海洋环境参数，无法与复杂多变的海洋环境相匹配的问题。

2、一方面，本发明实施例提供了一种环境自适应水声通信方法，包括：

3、获取海洋环境参数和发射端水声通信机发射参数，以及所述水声通信机的水平通信距离和垂直通信距离；

4、根据所述海洋环境参数和发射端水声通信机发射参数进行水声通信机水平通信距离和垂直通信距离范围内的水声通信信道模拟，根据所述模拟的水声通信信道进行水声通信性能模拟；

5、根据所述水声通信性能计算水声通信质量，根据所述水声通信质量调整所述发射端水声通信机的发射参数。

6、进一步地，根据所述海洋环境参数和发射端水声通信机发射参数进行水声通信机水平通信距离和垂直通信距离范围内的水声通信信道模拟，包括：

7、根据所述海洋环境参数和发射端水声通信机发射参数，得到所述水声通信机水平通信距离和垂直通信距离范围内的声波传输的等相位面和声波幅值；其中，所述海洋环境参数包括：海洋水体温度、盐度、深度、海底地形和海洋环境噪声；

8、根据所述等相位面、声波幅值和海底地形，得到水声通信机水平通信距离和垂直通信距离范围内的本征声线簇；

9、根据所述本征声线簇中得到每一条本征声线的传播幅度和传播时延；

10、根据所述每一条本征声线的传播幅度和传播时延得到所述模拟的水声通信信道的冲激响应。

11、进一步地，所述根据所述海洋环境参数和发射端水声通信机发射参数，得到所述水声通信机水平通信距离和垂直通信距离范围内的声波传输的等相位面和声波幅值，具体为：

12、

13、k＝ω/c

14、c＝1449.2+4.6te-0.055te2+0.00029te3

15、+(1.34-0.01te)(s-35)+0.016z

16、其中，为拉普拉斯算子，a为声线幅度函数，p为声线相位函数，k为波数，ω为发射端发射信号的角频率，c为声速，te为海洋水体摄氏温度，s为海洋水体盐度、z为海水深度。

17、进一步地，所述冲激响应h(t,r,zs,zd)，表达为：

18、

19、其中，h(t,r,zs,zd)为柱坐标系(r,z)下的信道冲激响应，所述柱坐标系以所述发射端水声通信机的中心点在与海平面的投影点为原点，l为本征声线数目，al(r,zs,zd)为第l条本征声线的传播幅度函数，τl(r,zs,zd)为第l条本征声线经过水声信道的传播时延函数，δ(·)为狄拉克函数，zs为发射水声通信机在柱坐标系下的z分量，zd为接收水声通信机在柱坐标下的z分量，r为发射水声通信机与接收水声通信机之间的水平通信距离。

20、进一步地，所述根据所述模拟的水声通信信道进行水声通信性能模拟，包括：

21、将发送信息比特b(t)，经编码调制后生成待发射的通信信号s(t)；

22、待发射的通信信号s(t)经过模拟的水声通信信道传播，得到接收信号x(t)；

23、将所述接收信号x(t)，经解调解码后得到接收信息比特b′(t)；

24、根据所述发送信息比特b(t)和所述接收信息比特b′(t)，计算当前发射端参数和海洋环境参数下的通信误码率pb。

25、进一步地，所述接收信号x(t)，由发射的通信信号s(t)与信道的冲激响应函数h(t,r,zs,zd)进行卷积计算得到，表达为：

26、

27、

28、其中，s(t)为待发射的通信信号，b(t)为发送信息比特，fc＝ω/2π为载波频率，ω为发射端发射信号的角频率，为初始相位，j为虚数，t为传输时间，*为卷积运算，w(t)为海洋环境噪声，l为本征声线数目，al(r,zs,zd)为第l条本征声线的传播幅度函数，α为多普勒因子，τl(r,zs,zd)为第l条本征声线经过水声信道的传播时延函数，zs为发射水声通信机在柱坐标系下的z分量，zd为接收水声通信机在柱坐标下的z分量，r为发射水声通信机与接收水声通信机之间的水平通信距离。

29、进一步地，所述根据所述水声通信性能计算水声通信质量，包括：

30、根据所述当前发射端参数和海洋环境参数下的通信误码率pb，以及水声通信机水平通信距离和垂直通信距离，获取时长t内发射通信数据的平均误码率值

31、根据所述平均误码率值计算所述水声通信信道接收信息正确概率，所述水声通信信道接收信息正确概率，表达为：

32、

33、其中，为平均误码率值，为平均误码率值为0条件下发射水声通信机位置为(0，zs)和接收水声通信机位置为(r，zd)的概率；p(r＝r,zs＝zs,zd＝zd)为发射水声通信机位置为(0，zs)和接收水声通信机位置为(r，zd)的概率，zs为发射水声通信机在柱坐标系下的z分量，zd为接收水声通信机在柱坐标下的z分量，r为发射水声通信机与接收水声通信机之间的水平通信距离。

34、进一步地，所述根据所述水声通信质量调整所述水声通信机发射端参数，包括：

35、预设水声通信机接收信息正确概率阈值pth；

36、当所述水声通信机接收信息正确概率时，降低所述水声通信机中数据调制模块的调制阶数、码元速率和纠错码码率，调整所述水声通信机的位置以减小发射水声通信机与接收水声通信机之间的水平通信距离和垂直通信距离，直至所述水声通信机接收信息正确概率

37、其中，为t时间段内所述水声通信机当前发射端参数下的平均误码率值，zs＝zs为发射水声通信机在柱坐标系下的z分量，zd＝zd为接收水声通信机在柱坐标下的z分量，r＝r为发射水声通信机与接收水声通信机之间的水平通信距离。

38、进一步地，所述根据所述水声通信质量调整所述水声通信机发射端参数，还包括：

39、预设水声通信机参数调整周期tm；

40、当所述水声通信机接收信息正确概率时开始计时，间隔参数调整周期tm后，再次根据所述环境自适应水声通信方法进行所述水声通信机发射端参数调整；

41、其中，pth为水声通信机接收信息正确概率阈值，为t时间段内所述水声通信机当前发射端参数下的平均误码率值，zs＝zs为发射水声通信机在柱坐标系下的z分量，zd＝zd为接收水声通信机在柱坐标下的z分量，r＝r为发射水声通信机与接收水声通信机之间的水平通信距离。

42、另一方面，本发明实施例提供了一种环境自适应水声通信机，包括：

43、参数获取模块，用于获取海洋环境参数和发射端水声通信机发射参数，以及所述水声通信机的水平通信距离和垂直通信距离；

44、水声信道模拟模块，用于根据所述海洋环境参数和发射端水声通信机发射参数进行水声通信机水平通信距离和垂直通信距离范围内的水声通信信道模拟，根据所述模拟的水声通信信道进行水声通信性能模拟；

45、参数调整模块，用于根据所述水声通信性能计算水声通信质量，根据所述水声通信质量调整所述发射端水声通信机的发射参数。

46、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

47、1、本发明根据水声通信机所处海洋的海洋环境参数(海水特性、海底特性、海面特性、声速等)和测量数据与声学模型相结合，进行水声通信系统性能模拟与预测，在线自适应调节水声通信机发射端的调制参数和所搭载平台的位置、速度参数，以应对复杂多变的海洋环境的；

48、2、本发明中水声通信机发射端基于海洋环境动态信息，进行水声通信链路质量预测，并计算水声通信质量，根据水声通信质量在线实时自适应调整水声通信信号参数，实现系统吞吐量的实时在线优化；

49、3、本发明不需要接收端将信道状态信息反馈至发射端，降低了水声通信机调节发射端参数的时延开销，提高了水声通信机在海洋环境中的鲁棒性和自适应调整效率。

50、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。