CN108650043B - 一种高精度水声通信信道建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度水声通信信道建模方法，分析海面起伏对多路径时延和多普勒的影响，并在PARASTOO的时变信道模型中考虑此影响，从而优化其时变信道模型，在不增加计算量的情况下实现高精度水声通信信道建模。本发明第一步构建信道大尺度变化模型，用一阶AR过程模拟声源和接收机的随机运动；第二步根据仿真环境要求用bellhop模型或者镜像模型计算多路径时延和衰减信息；第三步根据海面起伏数据，用一种近似模型来分析海面起伏对多路径时延和多普勒的影响；第四步分析小尺度散射模型；第五步分析收发平台运动的多普勒影响；第六步将多径耦合，并考虑海面起伏的影响，构造时变信道冲击响应。

Description

一种高精度水声通信信道建模方法

技术领域

本发明涉及声学领域，具体涉及水声通信信道建模技术，主要是一种高精度水声通信信道建模方法。

背景技术

在构建水声通信系统时，如通信信号的波形、带宽和功率等诸多因素的分析设计需要考虑水声信道的影响。所以高精度的水声信道模型对通信系统构建至关重要。BELLHOP是一种分析波导声压场的模型。该模型应用十分广泛，其在设定海洋环境下，应用射线理论分析信道函数、传播损失等，但此模型未考虑实际海洋环境参数的时变特性。近年来，时变信道仿真模型的关注度越来越高。PORTER等提出了一种基于BELLHOP的时变信道估计方法，该方法通过跟踪多个相关波束来分析时变信道对发射信号的影响，但该算法计算量巨大。PARASTOO提出了一种水声通信信道统计建模方法，其将实际环境参数的不确实性分类为两种，分别是大尺度效应和小尺度效应，并用AR过程建模。该方法构建了时变水声信道模型，并减小了计算量。海面起伏是造成信道时变的一个重要因素，但由于海面起伏变化周期很短，若反复调用BELLHOP模型来模拟海面变化，将大幅度增加计算量，所以PARASTOO的方法分析过程中未考虑海面起伏模型，只设定一个起伏速度用于分析多普勒，未考虑起伏高度对时延等的影响。

本成果中，基于PARASTOO的时变信道模型，考虑海面起伏对信道冲击响应的影响，提出了一种高精度的水声信道建模方法。该方法分析海面起伏对多路径时延和多普勒的影响，并在PARASTOO的时变信道模型中考虑此影响，从而优化其时变信道模型，在不增加计算量的情况下实现高精度水声通信信道建模。并用WAFO模型模拟海面起伏验证了该方法可行性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种高精度水声通信信道建模方法，可以模拟海洋时变信道，实现高精度水声通信信号建模。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种高精度水声通信信道建模方法，包含如下步骤：

(1)构建信道大尺度变化模型，用一阶AR过程模拟声源和接收机的随机运动。

收发平台距离失配是是造成大尺度变化的主要原因之一。大尺度变化的影响反应在各路径传播距离和时延。路径长度的变化为

Δl_p随机变化。时延的改变量由Δl_p决定。路径增益h_p用l_p表示为

其中a₀为信号中心频率处的吸收系数。实际分析过程中用一阶AR过程模拟声源和接收机的大尺度变化。

(2)根据仿真环境要求用bellhop模型或者镜像模型计算多路径时延和衰减信息。

等声速环境用镜像模型来分析多路径时延和衰减信息，声速随深度变化时用bellhop模型来分析。

(3)根据海面起伏数据，用近似模型来分析海面起伏对多路径时延和多普勒的影响

图1中长虚线表示BELLHOP模型或镜像模型计算的平整海面环境下某条海面反射路径，随着时间变化，海面起伏，此路径长度发生变化，改变量为Δ，可用下面表达式近似，

Δ(u,t)≈h(u,t)cos(θ) (3)

其中u为此路径在海面反射的水平距离，θ为此路径入射到海面的角度。路径长度改变量决定时延改变量，所以海面起伏变化后，此路径的传播时延为

海面起伏的多普勒影响由起伏速率决定，具体表达式如下所示

w(t,u)为在t时刻，距离为u处海面的起伏高度。

(4)分析小尺度散射模型，将每条路径散射为多条子路径，分析子路径的时延和多普勒影响。

小尺度变化主要由各路径散射造成。分析时将每条路径散射成多条子路径，每条路径的幅度和时延都有起伏。散射子路径的幅度用正态分布表示，时延用AR过程描述。第p条路径经小尺度变化后的散射系数为

是各路径散射子路径的随机时延。

(5)分析收发平台运动的多普勒影响。

收发平台相对速度表达式为

v_dp＝v_td cos(θ_p-θ_td)-v_rd cos(θ_p+θ_rd) (7)

其中v_td,θ_td,v_rd,θ_rd为目标和接收机的运动速度和角度。θ_p为目标路径运动方向。

根据此相对速度分析多普勒偏移因子a_p＝v_dp/c。

(6)将多径耦合，并考虑海面起伏的影响，构造时变信道冲击响应。

耦合后，

其中h_p为第p条路径的路径增益。

为参考路径。τ'_p为多路径时延，其中包含海面起伏对多路径时延的影响，

为考虑收发多普勒偏移(平台运动和海面起伏)以后的小尺度变化系数。

在PARASTOO的时变信道模型中分析考虑海面起伏对多路径时延和多普勒的影响，优化其时变信道模型，在不增加计算量的情况下实现高精度水声通信信道建模。

本发明的有益效果为：本发明在PARASTOO的时变信道模型的基础上，分析了海面起伏对多路径到达信号时延和多普勒的影响，并在构造接收信号过程中考虑此影响，可实现高精度水声通信信道建模，构造高逼真度接收信号。

附图说明

图1：海面起伏近似示意图；

图2：b1s1路径近似结果与bellhop运行结果传播时间分析；

图3：反复运行Bellhop的时变信道冲击响应；

图4：近似结果得到的冲击响应；

图5：WAFO模型近似的海面起伏；

图6：时不变信道冲击响应；

图7：PARASTOO模型信道冲击响应；

图8：WAFO海面起伏模型信道冲击响应；

图9：信道建模系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明进行详细说明。

(1)构建信道大尺度变化模型，用一阶AR过程模拟声源和接收机的随机运动。

大尺度效应用一阶AR过程建模，AR系数为0.9，每次随机偏移量服从正态分布。

(2)根据仿真环境要求用bellhop模型计算多路径时延和衰减信息。

仿真过程中用bellhop模型分析，仿真条件为：波导深度为100m，收发深度分别为50m和20m，收发间距为2000m。海底参数声速为1800m/s，密度为1.6g/cm³。

(3)根据海面起伏数据，用近似模型来分析海面起伏对多路径时延和多普勒的影响。

本发明用WAFO模型来模拟海表面随机起伏运动。它的计算模型是一个平稳高斯过程，计算在某位置点，在固定时间其海面起伏高度。表达式如下所示

其中Θ_j为随机相位起伏。R_j为莱斯分布幅度，S_j为加权系数。应用此模型得到的一个海面起伏变化图如图5所示。图2所示结果对应的海面起伏状况用一阶AR过程描述。根据公式(4)和(5)，计算海面起伏对时延和多普勒的影响。

(4)分析小尺度散射模型，将每条路径散射为多条子路径，分析子路径的时延和多普勒影响。

分析过程中设定每条路径散射子路径20条，散射子路径的幅度服从高斯分布，均值为h_p/20，方差为1e‐6。相同散射子路径在不同时间的传播时延有相关性，用AR过程建模。其中随机偏移量用高斯过程模拟。

(5)收发平台运动的多普勒影响分析。

仿真过程中只要分析了收发平台相对静止的情况。

(6)将多径耦合，并考虑海面起伏的影响，构造时变信道冲击响应。

图2给出经过一次海面反射和一次海底反射路径(b1s1)在不同时间的传播时延，分别用本成果中的近似方法和反复运行BELLHOP模型来估计多路径时延。从图中可以看出用近似的方法和理论计算的结果十分接近，误差很小。为不同结果相互比较，图3‐图6没有考虑小尺度效应影响。图7‐图8包含小尺度效应影响。图3是反复运行BELLHOP模型得到不同时间信道冲击响应，图4是用近似分析得到的冲击响应结果，图中p₀代表直达声，p_s代表经一次海面反射的路径，p_b代表经一次海底反射的路径。对比两图可以看出，两种方法各时间点冲击响应基本吻合。图6‐8分别为时不变信道冲击响应、PARASTOO模型信道冲击响应和WAFO海面起伏模型信道冲击响应。图6为时不变信道，所以其信道冲击响应不随时间变化。图7对应的冲击响应经过大尺度变化和小尺度变化处理，其结果随时间起伏变化，相比于图6更符合实际情况，而对比图7和图8可以看出，在WAFO海面起伏模型下，经海面反射的路径起伏变化更大，而p₀和p_b未经过海面反射，这两条路径不受海面起伏影响。所以图8的冲击响应更符合时变信道特性。图9为整个系统工作示意图。

本发明不局限于上述实施方式，不论其实施方式作任何变化，凡是采用本发明所提供的实施结构设计，都是本发明的一种变形，均应认为在发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高精度水声通信信道建模方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

(1)构建信道大尺度变化模型，用一阶自回归AR过程模拟声源和接收机的随机运动；

(2)根据仿真环境要求用bellhop模型或者镜像模型计算多路径时延和衰减信息；等声速环境用镜像模型来分析多路径时延和衰减信息，声速随深度变化时用bellhop模型来分析；

(3)根据海面起伏数据，用一种近似模型来分析海面起伏对多路径时延和多普勒的影响；BELLHOP模型或镜像模型计算的平整海面环境下某条海面反射路径，随着时间变化，海面起伏，此路径长度发生变化，改变量为Δ，可用下面表达式近似，

Δ(u,t)≈h(u,t)cos(θ) (3)

其中u为此路径在海面反射的水平距离，θ为此路径入射到海面的角度，路径长度改变量决定时延改变量，所以海面起伏变化后，此路径的传播时延为：

海面起伏的多普勒影响由起伏速率决定，具体表达式如下所示

w(t,u)为在t时刻，距离为u处海面的起伏高度;

(4)分析小尺度散射模型，将每条路径散射为多条子路径，分析子路径的时延和多普勒影响；

(5)分析收发平台运动的多普勒影响；

(6)将多径耦合，并考虑海面起伏的影响，构造时变信道冲击响应。

2.根据权利要求1所述的高精度水声通信信道建模方法，其特征在于：在步骤(1)中，大尺度变化的影响反应在各路径传播距离和时延，路径长度的变化为

Δl_p随机变化，时延的改变量由Δl_p决定，路径增益h_p用l_p表示为

其中a₀为信号中心频率处的吸收系数，分析过程中用一阶AR过程模拟声源和接收机的大尺度变化。

3.根据权利要求1所述的高精度水声通信信道建模方法，其特征在于：在步骤(4)中，将每条路径散射成多条子路径，每条路径的幅度和时延都有起伏，散射子路径的幅度用正态分布表示，时延用AR过程描述，第p条路径经小尺度变化后的散射系数为

是各路径散射子路径的随机时延。

4.根据权利要求1所述的高精度水声通信信道建模方法，其特征在于：在步骤(5)中，

收发平台相对速度表达式为：

v_dp＝v_tdcos(θ_p-θ_td)-v_rdcos(θ_p+θ_rd) (7)

其中v_td,θ_td,v_rd,θ_rd为目标和接收机的运动速度和角度，θ_p为目标路径运动方向，根据此相对速度分析多普勒偏移因子a_p＝v_dp/c。

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