CN113078975A - 一种全双工水声通信自干扰信号信道建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全双工水声通信自干扰信号信道建模方法，采用不同的方法对自环回路干扰及多途干扰进行建模，首先，采用有限元分析方法对全双工水声通信机壳体进行建模，模拟发射声波从发射换能器传播到近端接收换能器的过程。其次，建立垂直水下声信道模型，以获得自干扰抵消过程最主要的两项内容，即到达时延与传播损失。本发明可获得自干扰信号先验信道信息，基于该信息，可调整自适应滤波器参数，以获得更高的干扰抵消效果。

Description

一种全双工水声通信自干扰信号信道建模方法

技术领域

本发明涉及一种全双工水声通信自干扰信号信道建模方法，属于水声通信技术领域。

背景技术

无线通信领域全双工通信技术，特别是带内全双工通信技术的发展为水声通信技术带来了新的发展契机。带内全双工水声通信将极大地提高水声通信网络带宽利用率及网络吞吐性能。全双工水声通信面临的主要问题即是如何对近端强自干扰信号进行高效的抵消，以获得远端期望信号。近端强自干扰信号主要由两部分构成，一部分为能量较强的自环回路干扰，它来源于发射声波的衍射作用。由于全双工水声通信机壳体和机械结构的存在，发射声波绕射至近端接收换能器。同时由于存在发射声波对通信机壳体的激励，壳体受激振动向外辐射散射声波，散射声波传播到近端接收换能器，被接收成为另一种干扰。这种干扰与绕射声波共同形成了自环回路干扰。另一部分为经过海面及海底反射后到达近端接收换能器的多途干扰。若仅从数字干扰抵消角度考虑，为了实现60dB以上的干扰抵消性能，一般需要将相对主路径幅度达到10^-3至10^-4的信道抽头进行抵消。因此，对自干扰信道进行精准的建模和估计对自干扰抵消有着重要的意义。不同与传统信道建模方法，自环回路干扰传播过程复杂，且不满足远场条件，无法用射线声学理论描述，自环回路干扰难以建模，且没有解析解。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是针对自环回路干扰难以建模、且没有解析解的问题提供一种全双工水声通信自干扰信号信道建模方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种全双工水声通信自干扰信号信道建模方法，包括以下步骤：

步骤一：利用有限元建模方法对全双工水声通信机壳体进行建模，利用时域求解器获得自环回路干扰时域信号；

步骤二：利用本地参考信号采用信道估计方法获得自环回路干扰信号信道，τ_sn与t分别为自环回路干扰信号信道抽头传播延迟与时间，则自环回路干扰信号信道最大时延拓展T_SLI为τ_sn，基于此时延拓展截取自环回路干扰信号信道h_SL(τ_sn,t)；

步骤三：建立垂直信道模型，计算多途自干扰信号传播路径到达时延T_SMI；

步骤四：计算多途自干扰信号传播各路径损失P_MLn；

步骤五：获得自干扰信号信道整体到达时延及路径损失，具体为：T_SLI和T_SMI中较大者为自干扰信号信道整体到达时延，P_MLn为自干扰信号信道整体路径损失。

本发明还包括：

1.步骤三中计算多途自干扰信号传播路径到达时延T_SMI具体为：

其中，T_sn为n次反射后且第一次反射为水面反射的到达时间，T_bn为n次反射后且第一次反射为海底反射的到达时间，D_t为发射换能器距离水面距离，D_r为近端接收换能器距离水面距离，D_p为所在环境水深，n为反射次数，c为声速，

为向下取整操作，mod为取余操作，令T_s＝{T_sn,n＝1,2,...,N}，T_b＝{T_bn,n＝1,2,...,N}，将T_s与T_b中元素按数值大小顺序排列，设其中最大值为T_max、最小值为T_min，则可得到多途自干扰信号传播路径到达时延T_SMI＝T_max-T_min。

2.步骤四中计算多途自干扰信号传播各路径损失P_MLn具体为：

自干扰信号传播路径损失P_MLn满足：

P_MLn＝10log₁₀A(l_d,f)+η_bR_fb+η_rR_fr

其中，η_b表示海底反射次数，η_r表示海底反射次数，A(l_d,f)为吸收损失，R_fb为海底反射损失，R_fr为海面反射损失；

A(l_d,f)满足：

其中，A_r为标度常数，a(f)为吸收系数函数，f为发射信号频率，l_d为传播距离，k为扩展系数；

海底反射损失R_fb和海面反射损失R_fr满足：

R_fb＝-20log₁₀|γ_b|

R_fr＝-20log₁₀|γ_r|

其中，γ_b为海底反射系数，γ_r为海面反射系数。

本发明的有益效果：本发明采用不同的方法对自环回路干扰及多途干扰进行建模。首先，采用有限元分析方法对全双工水声通信机壳体进行建模，模拟发射声波从发射换能器传播到近端接收换能器的过程。其次，建立垂直水下声信道模型，以获得自干扰抵消过程最主要的两项内容，即到达时延与传播损失。本发明针对自干扰信号传播过程，提出一种全双工水声通信自干扰信号信道建模方法，该方法可获得自干扰信号先验信道信息，基于该信息，可调整自适应滤波器参数，以获得更高的干扰抵消效果。

本发明具有如下优点：(1)自干扰信号自环回路传播过程复杂，无法通过解析解式获得，难以提取信道信息，本发明采用有限元法对实际全双工水声通信机壳体进行建模，获得时域自干扰信号，在此基础上通过递归最小二乘方法获得自环回路自干扰信号的信道抽头时延及幅度；(2)以到达时延及传播损失角度对垂直声信道进行建模，获得多途自干扰信号信道主要特征；(3)由于存在声散射现象，仅考虑发射信号通过垂直信道的情况，与实际情况不符，存在误差，因此结合两信道特征获得更为精准的自干扰信道，为干扰抵消滤波器参数设定提供理论依据。(4)根据步骤一与二，可先行对预设计的水声通信机壳体下的自干扰信号自环回路传播过程进行仿真，根据仿真结果调整壳体材料及结构尺寸如壳体厚度、最大长度等，可降低自环回路干扰强度。

附图说明

图1为自干扰信号传播过程示意图；

图2为实例参数下的自环回路自干扰信号信道求解结果；

图3为实例参数下的垂直信道多途到达时延及路径传播衰减；

图4为实例参数下的自干扰信道多途到达时延及路径传播衰减；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明的目的是这样实现的：

一种全双工水声通信自干扰信号信道建模方法，包括：

步骤一：利用有限元建模方法对全双工水声通信机壳体进行建模，利用时域求解器获得自环回路干扰时域信号；

在有限元仿真软件中以1:1比例建立通信机壳体模型，可使用二维轴对称或三维立体模型，壳体材料参考壳体实体使用材料，信道测试信号频率与通信系统频带范围保持一致。采用点声源代替发射换能器，点声源与壳体间距离可近似设置为发射换能器等效声中心与壳体距离。于近端接收换能器设置观测点，观测点与壳体距离可近似设置为近端接收换能器等效声中心与壳体距离。仿真使用304不锈钢材料，壳体简化为空心圆柱，外径220毫米，内径200毫米，长度800毫米，壳体厚度10毫米，发射源为点声源距离壳体5cm，接收端距离壳体5cm。自环回路干扰传播过程示意图如图1所示。

步骤二：结合参考信号求解自环回路干扰信号信道，并获得自环回路干扰信号信道最大时延拓展T_SLI；

首先通过本地参考信号结合信道估计常规方法如递归最小二乘自适应滤波器等获得自环回路干扰信号信道。考虑信道最后一相对主径抽头幅度大于10^-4的抽头与主径相隔时间为信道最大时延拓展T_SLI。基于此时延拓展截取自环回路干扰信号信道h_SL(τ_sn,t)。其中，τ_sn与t分别为自环回路干扰信号信道抽头传播延迟与时间。本文中，τ_sn取为T_SLI。利用递归最小二乘滤波器对自环回路干扰信号信道进行求解，得到复杂路径时延及衰减结果如图2所示。

步骤三：建立垂直信道模型，计算多途自干扰信号传播路径到达时延T_SMI；

其中，T_sn为n次反射后且第一次反射为水面反射的到达时间，T_bn为n次反射后且第一次反射为海底反射的到达时间，D_t为发射换能器距离水面距离，D_r为近端接收换能器距离水面距离，D_p为所在环境水深，n为反射次数，c为声速，

为向下取整操作，mod为取余操作。令T_s＝{T_sn,n＝1,2,...,N}，T_b＝{T_bn,n＝1,2,...,N}。将T_s与T_b中元素按数值大小顺序排列。设其中最大值为T_max、最小值为T_min，则可得到多途自干扰信号传播路径到达时延T_SMI＝T_max-T_min。本实例中，海洋环境设置为浅海，深度为40m，发射换能器所在深度为15m，接收换能器深度根据步骤三设置计算得到为14.1m。假设海面为平坦，海面反射损失假设为零，海底反射系数为-0.98。得到多途干扰到达时延及传播损失如图3所示。

步骤四：计算多途自干扰信号传播各路径损失P_MLn；

扩展损失可由下式计算：

S_prd＝k·10·log₁₀(l_d) (3)

其中，S_prd为扩展损失，k为扩展系数，l_d为传播距离。

吸收损失主要来源于与频率的平方呈正比的粘滞效应以及声波在海洋中传播过程中的驰豫吸收作用，由于影响参数较多，针对这两项损失主要通过经验公式表述，在本仿真中，采用Thorp’s经验公式对其进行计算，具体形式如下

作为最主要的两种声波传播损失来源，扩展损失及吸收损失可进一步组合表示为

其中，A_r为标度常数，a(f)为吸收系数函数，f为发射信号频率。

反射损失可由下式计算：

R_fb＝-20log₁₀|γ_b| (6)

R_fr＝-20log₁₀|γ_r| (7)

其中，R_fb为海底反射损失，R_fr为海面反射损失，γ_b为海底反射系数，γ_r为海面反射系数。

自干扰信号传播路径损失P_MLn可由下式表示：

P_MLn＝10log₁₀A(l_d,f)+η_bR_fb+η_rR_fr (8)

其中，η_b表示海底反射次数，η_r表示海面反射次数。

步骤五：结合两信道结构(即自环回路干扰信号信道与多途自干扰信号传播信道)，以获得自干扰信号信道整体到达时延及路径损失；

由于存在水声通信机壳体的影响，在考虑自干扰信号整体到达时延及路径损失时，可将经过多途信道的信号整体等效为自环回路干扰信号，即其中既包含发射信号，同时包含壳体存在导致的散射波。因此可将各多途路径抽头结合各路径损失替换为自环回路干扰信号信道下的抽头时延及损失。其中，以自环回路干扰信号作为零路径损失参考信号。无噪声影响下结合后的自干扰信号信道各抽头到达时延及路径损失如图4所示。

本发明采用有限元分析方法对全双工水声通信机壳体进行建模，模拟发射声波从发射换能器传播到近端接收换能器的过程。其次，建立垂直水下声信道模型，并将二者结合，以获得自干扰抵消过程中滤波器参数设置需要的关注的最主要的两项内容，即到达时延与传播损失。

以上所述，仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种全双工水声通信自干扰信号信道建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用有限元建模方法对全双工水声通信机壳体进行建模，利用时域求解器获得自环回路干扰时域信号；

步骤二：利用本地参考信号采用信道估计方法获得自环回路干扰信号信道，τ_sn与t分别为自环回路干扰信号信道抽头传播延迟与时间，则自环回路干扰信号信道最大时延拓展T_SLI为τ_sn，基于此时延拓展截取自环回路干扰信号信道h_SL(τ_sn,t)；

步骤三：建立垂直信道模型，计算多途自干扰信号传播路径到达时延T_SMI；

步骤四：计算多途自干扰信号传播各路径损失P_MLn；

步骤五：获得自干扰信号信道整体到达时延及路径损失，具体为：T_SLI和T_SMI中较大者为自干扰信号信道整体到达时延，P_MLn为自干扰信号信道整体路径损失。

2.根据权利要求1所述的一种全双工水声通信自干扰信号信道建模方法，其特征在于：步骤三所述计算多途自干扰信号传播路径到达时延T_SMI具体为：

其中，T_sn为n次反射后且第一次反射为水面反射的到达时间，T_bn为n次反射后且第一次反射为海底反射的到达时间，D_t为发射换能器距离水面距离，D_r为近端接收换能器距离水面距离，D_p为所在环境水深，n为反射次数，c为声速，

为向下取整操作，mod为取余操作，令T_s＝{T_sn,n＝1,2,...,N}，T_b＝{T_bn,n＝1,2,...,N}，将T_s与T_b中元素按数值大小顺序排列，设其中最大值为T_max、最小值为T_min，则可得到多途自干扰信号传播路径到达时延T_SMI＝T_max-T_min。

3.根据权利要求1或2所述的一种全双工水声通信自干扰信号信道建模方法，其特征在于：步骤四所述计算多途自干扰信号传播各路径损失P_MLn具体为：

自干扰信号传播路径损失P_MLn满足：

P_MLn＝10log₁₀A(l_d,f)+η_bR_fb+η_rR_fr

其中，η_b表示海底反射次数，η_r表示海底反射次数，A(l_d,f)为吸收损失，R_fb为海底反射损失，R_fr为海面反射损失；

A(l_d,f)满足：

其中，A_r为标度常数，a(f)为吸收系数函数，f为发射信号频率，l_d为传播距离，k为扩展系数；

海底反射损失R_fb和海面反射损失R_fr满足：

R_fb＝-20log₁₀|γ_b|

R_fr＝-20log₁₀|γ_r|

其中，γ_b为海底反射系数，γ_r为海面反射系数。

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