CN101534156A - 一种移动水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种移动水声通信方法。(1)各用户子节点布放于不同的水平或垂直位置，可保证它们与主节点间的信道冲激响应之间相关性很弱，从而自然满足了空分多址技术的使用条件；(2)采用被动式时间反转镜技术，选取不同的扩频码作为不同通信用户节点的探测信号；(3)接收到的探测码分别进行预处理(接收到的探测码时间反转后与各用户的探测码进行卷积)；(4)接收到的信息码信号分别与各用户经过预处理的接收到的探测码进行卷积，则可以利用被动式时间反转镜的聚焦、屏蔽性能，抑制多址干扰，分离出各用户信息。

Description

一种移动水声通信方法

(一)技术领域

本发明涉及的是水声通信领域，更确切地说，涉及一种实现水声空分多址的方法。

(二)背景技术

空分多址法在无线电中采用智能天线技术，通过窄波束获得高增益，且可定向通信。其实现过程是通过收、发天线阵通过波束角对准，从而将其它节点的通信置为阻塞状态，实现定向通信。而在水声通信领域，由于声信道特性十分复杂，带宽窄、载频低，难以采用阵列处理方式实现空分多址，且阵处理系统复杂性高，难以满足网络化水声通信中对节点追求结构简单、低功耗的要求，所以至今空分多址技术在水声通信领域研究甚少。

时间反转镜(Time Reversal Mirror，TRM)技术是近几年来在水声信号处理方面出现的一项新技术，其最大的优点是在没有任何环境先验知识的情况下可自适应匹配声信道，引导了空间聚焦和时间压缩，减小复杂声信道多途干扰的影响。若能利用单阵元被动式时间反转镜技术的声信道识别能力，聚集期望用户信号、屏蔽其它多址干扰，则可开发出具有水声特色的基于单阵元的空分多址技术。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可利用水声信道复杂特性及被动式时间的聚焦、屏蔽性能，实现基于单个水听器实现的一种移动水声通信方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)各用户子节点布放于不同的水平或垂直位置，可保证它们与主节点间的信道冲激响应之间相关性很弱，从而自然满足了空分多址技术的使用条件；

(2)采用被动式时间反转镜技术，选取不同的扩频码作为不同通信用户节点的探测信号；

(3)接收到的探测码分别进行预处理(接收到的探测码时间反转后与各用户的探测码进行卷积)；

(4)接收到的信息码信号分别与各用户经过预处理的接收到的探测码进行卷积，则可以利用被动式时间反转镜的聚焦、屏蔽性能，抑制多址干扰，分离出各用户信息。

为实现本发明的目的，克服多址干扰，本发明利用不同节点间信道之间的弱相关性，采用单阵元被动式时间反转镜技术，提出一种具有水声特色的空分多址方法。

本发明的优点是可以利用单个水听器实现水声空分多址通信。

(四)附图说明

图1是单阵元被动式时间反转镜处理流程图；

图2、3、4是虚拟式时间反转镜多用户通信聚焦屏蔽图，其中：图2为用户I，r₁＝10km，z₁＝21m；图3为用户II，r₂＝10km，z₂＝31m；图4为用户III，r₃＝10km，z₃＝41m。

(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：

水声信道的复杂性为实现高质量水声通信及组网带来了很多障碍，但若能利用其独有的特性将会为实现空分多址带来新的机遇。水声信道的系统函数对声源和接收点的相对位置十分敏感。在水声通信网中，各节点的水平距离和垂直深度、海面和海底起伏等因素是大为不同的，这致使各节点间的信道冲激响应函数之间相差较大，即互相关性较弱，从而自然满足了空分多址技术的研究条件。

时间反转镜技术在没有任何先验知识的情况下具有自适应匹配声信道的特性。被动式时间反转镜只需要具有接收功能、单向传输即可实现，回避了主动式时间反转镜阵元需要收发合置并需要双向传输才能实现的繁琐性，而单阵元则进一步减弱了阵处理系统的复杂性，适于满足水声通信节点追求结构简单、低功耗的要求。利用不同节点间信道冲激响应函数的弱相关性，从而可通过TRM聚焦期望用户信号而屏蔽其他多用户干扰，即可基于时间反转镜技术实现空分多址。

下面对单阵元TRM聚焦期望用户信号、屏蔽其他多用户干扰的原理进行分析研究。

由于上行通信中各用户子节点同时向主节点发送信息，相对于下行通信要复杂的多，所以下面仅分析上行通信。对于上行通信，主节点处接收信号为来自各用户的叠加，为便于讨论，假设有K个用户信号同时到达主节点(若非同时到达，本发明效果会更佳)，则接收信号可表示为：

$r_{\mathrm{up}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_k\left(t\right)\&CircleTimes;h_k\left(t\right),0\&le;t<T_1\\ \underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_k\left(t\right)\&CircleTimes;h_k\left(t\right){,T}_1\&le;t\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中T₁时刻前接收的为探测码信号q_k(t)，T₁时刻后接收的为信息码信号s_k(t)，多用户通信可选用扩频码，以保证各不同用户的探测码之间不相关。设各用户节点与主节点间的信道冲激响应是不相关的，这在实际应用中是成立的，因为通常各用户节点所处深度位置不同并且与主节点间的距离也不同。

主节点译码终端应用被动式时间反转镜，其实现过程如图1所示。

从图1可以看出，接收到的信息码信号与经过预处理的接收到的探测码进行卷积，则i用户输出为：

$r_{\mathrm{up},\mathrm{TRMi}}=[\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_k\left(t\right)\&CircleTimes;h_k\left(t\right)]\&CircleTimes;q_i\left(t\right)\&CircleTimes;[\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_k(-t)\&CircleTimes;h_k(-t)]$

$\&ap;s_i\left(t\right)\&CircleTimes;h_i\left(t\right)\&CircleTimes;q_i\left(t\right)\&CircleTimes;q_i(-t)\&CircleTimes;h_i(-t)+\mathrm{\&xi;}---\left(2\right)$

$\text{\&ap;}{s}_i\left(t\right)+\mathrm{\&xi;}$

当k≠i时，由于扩频码q_i(t)、q_k(t)之间及各用户节点与主节点间的声信道h_i(t)、h_k(t)之间均是互不相关的，其归一化幅度将显著小于1，所以时间反转镜输出r_up，TRMi将近似为i用户源信号s_i(t)与一小量ξ的和，实现了各用户信息的分离。所以基于时间反转镜的多用户上行通信，只要确保各用户节点与主节点间的信道冲激响应相关性较弱，就可很好地屏蔽非期望用户的干扰。但在实际应用中，由于无法保证扩频码及不同用户与主节点间声信道的理想不相关性，所以其性能将受到影响。

通过上面分析可以看出，可通过将各用户节点布放于不同深度及水平距离来保证各用户子节点与主节点间信道冲激响应的弱相关性，从而使单阵元PTRM应用于多用户通信中获得较好处理效果，但有关其在无线自组织网络中的应用及与矢量信号处理相结合的研究尚处于初级阶段，有待开展更深入研究，包括信道相关性对PTRM的影响、如何充分挖掘矢量信号处理的好处及进一步减小ξ分量、系统稳健性等关键技术。

水声空分多址具体计算实例：

图2-图4为单阵元虚拟式时间反转镜应用于多用户浅海通信时的聚焦仿真图，通过期望用户与主节点间信道冲激响应和扫描空间各点与主节点间信道冲激响应的互相关求得。图中水平距离扫描步距为50m，垂直深度扫描步距为2m。主节点水平距离坐标r₀＝0km，垂直深度坐标z₀＝21m；用户I子节点水平距离坐标r₁＝10km，垂直深度坐标z₁＝21m；用户II、III子节点水平距离与用户I相同，垂直深度坐标分别为z₂＝31m、z₃＝41m。

从图2-图4中可以看到，通过时间反转镜处理后，在3个子节点位置均实现了聚焦。由于该过程是可逆的，所以意味着此3节点发送的信息同时到达主节点时，可实现分离。VTRM聚焦区域在水平方向约为±50m，垂直方向约为±2m，在此范围内信道归一化互相关衰落在1dB左右；除此范围之外均有3dB至8dB的互相关衰落，而信干比对应于互相关衰落的功率，即互相关衰落分贝相反数的2倍，则SIR≥6dB。这表明，当用户子节点的水平距离、垂直深度有一定不同时，各信道冲激响应间互相关性较弱，此时满足多用户上行通信中使用时间反转镜的前提，可以获得较好的聚焦期望用户信息，同时对于其他非期望用户干扰可以获得信干比6～16dB的屏蔽能力。

基于上述分析，上行通信中，可通过将各用户节点布放于不同深度及水平距离来保证各用户子节点与主节点间信道冲激响应的弱相关性，经时间反转镜聚焦期望用户信息而屏蔽其他非期望用户信息，从而实现空分复用。

Claims (3)

1、一种移动水声通信方法，其特征是：

(1)各用户子节点布放于不同的水平或垂直位置；

(2)采用被动式时间反转镜技术，选取不同的扩频码作为不同通信用户节点的探测信号；

(3)接收到的探测码分别进行预处理；

(4)接收到的信息码信号分别与各用户经过预处理的接收到的探测码进行卷积，利用被动式时间反转镜的聚焦、屏蔽性能，抑制多址干扰，分离出各用户信息。

2、根据权利要求1所述的移动水声通信方法，其特征是：所述的各用户子节点布放于不同的水平或垂直位置时，要保证它们与主节点间的信道冲激响应之间相关性很弱。

3、根据权利要求1或2所述的移动水声通信方法，其特征是：所述的接收到的探测码分别进行预处理是将接收到的探测码时间反转后与各用户的探测码进行卷积。

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