基于排序码本的水声自适应OFDM通信中信道状态信息反馈研究

水声(UWA)信道时延扩展大等特点导致信道频响(CFR)快衰落,水声通信(UWAC)技术发展受到挑战。发射端获取有效可靠的信道状态信息(CSI)是自适应通信的前提,针对水声自适应正交频分复用(OFDM)通信的需求,该文提出基于排序码本的信道状态信息分组排序拟合反馈算法(CSI-GSFF),包括分组、排序、数据拟合3个步骤。该算法首先将相邻导频子载波分组,以组为反馈单元;然后对各组内的导频子载波按照信道增益值进行排序,以减轻水声信道频响快衰落造成的反馈开销大等不利影响;最后进行多项式拟合,排序操作有效地降低了拟合阶数。通过实测海试时变信道数据仿真,结果表明,该文提出的信道状态信息反馈算法能够基本达到完美信道状态信息情形下的水声自适应OFDM通信系统误码率性能,同时可以有效地减少反馈开销。

粒子群优化的门控循环单元网络漂流浮标轨迹预测

该文针对漂流浮标的轨迹预测问题,提出一种基于深度学习框架的端对端预测模型。由于不同海域的水动力模型存在较大差异,针对海面漂流浮标的流体载荷计算也较为复杂。因此,该文根据漂流浮标历史轨迹形成的多维时间序列,提出更具有普适性的基于数据驱动的轨迹预测模型。该模型将粒子群优化算法(PSO)与门控循环单元(GRU)结合,使用PSO算法对GRU神经网络的超参数进行初始化,经过多次迁移迭代训练后获得最优漂流浮标轨迹预测模型。最后使用多个北大西洋真实漂流浮标轨迹数据进行验证,结果表明PSOGRU算法能够实现准确的漂流浮标轨迹预测。

水声通信及网络技术综述

水声通信(UAC)及网络技术在海洋环境监测、商业领域和军事领域等诸多方面发挥着重要作用,关心海洋、认识海洋、经略海洋离不开水声通信及网络技术的发展。该文对水声通信技术和水声通信网络(UACN)进行综述,首先回顾了水声通信技术和水声通信网络的发展,总结了水声信道的特点。然后,对于水声通信技术中的非相干调制技术、相干调制技术以及以应用需求为导向的新型通信技术进行陈述。随后,对于水声通信网络中数据链路层媒介接入控制协议、网络层的路由协议和跨层设计进行分类探讨。最后,对目前水声通信及网络技术的不足进行总结,并且对未来水声通信及网络技术的发展进行展望。

突发脉冲干扰下的白鲸哨声端点检测方法

针对圈养条件下大量突发脉冲干扰影响白鲸哨声检测的问题,提出了一种可调Q因子小波变换(TQWT)结合自适应谱聚类的无监督哨声信号检测方法。对原始信号做高Q因子的小波分解,并以平均小波系数作为检验统计量完成哨声端点粗检测,排除静默时间段与低强度脉冲干扰;在此基础上使用局部密度自适应谱聚类进一步区分哨声与强脉冲干扰,完成白鲸哨声检测。使用实采的白鲸信号测试该检测器性能并计算其F_(1)分数。该检测器在两段测试信号下分别获得了0.9487和0.9429的F_(1)分数,且在大数据量情况下明显优于由k-means聚类或传统谱聚类构成的检测器,具有更高的鲁棒性。

鲸豚动物吸附式声学行为记录器综述

经过数千万年的进化,鲸豚动物依靠发达的声呐系统在水下实现捕猎、探测、通信、定位与导航等行为。为探索鲸豚动物声呐机理,需要深入挖掘鲸豚发声行为。近年来,自容式的声学行为记录器已成为重要的观测途径。自容式声学记录器可附着于鲸豚动物,长期获取各类声学信号,利用多源传感器从多个角度观测动物行为状态与环境信息。文章介绍了鲸豚动物吸附式声学行为记录器的系统设计思路,描述了获取数据的后置处理方法,并进一步梳理国内外研制的发展脉络,展望了声学行为记录器在发声特性研究、生物学、生态学等多领域的应用前景,并对下一步技术突破重点提供参考。

新工科视角下课程思政建设挑战及应对策略

新工科专业课程思政建设的挑战源于社会变革对人才培养要求的变化,当前建设过程中存在学科专业资源壁垒、融入体系不够完善、课程学习关键期思政教育缺位问题,导致思政教育与社会需求不完全匹配。深入探析课程思政内涵及建设原则,立足交叉与融合、协调与共享、继承与创新等三个关键点设计课程思政教育机制,并以智能科学与工程学院导航专业课程为典型案例,重点探讨课程思政建设具体实践路径。

M元仿海豚叫声隐蔽水声通信

针对水下通信隐蔽性需求,提出利用海洋中固有的海豚叫声实现隐蔽水声通信的方法。基于仿生学原理,将真实或模拟的海豚叫声信号应用于水声通信中,允许信号被检测,但在识别过程中被排除以达到隐蔽水声通信的效果。采用相关性良好的海豚嘀嗒声信号构成信号码样本库,信息调制在不同嘀嗒声信号的时延差上,采用M元技术提高通信速率,RAKE接收机技术实现仿生通信体制中的信道均衡。在湖试实验中,水平通信距离3 km,通信速率69 bit/s,误码率小于10-4,结果证实了该方法的有效性和可行性。

虚源法辅助的高效波导不变量被动测距技术

针对水声通信网络节点拓扑结构测量需求,本文研究了基于波导不变量的高精度被动测距算法,为解决波导不变量法计算量大的问题,提出了一种虚源法辅助的高效率节点间距离测量算法。考虑到海水中的声速受海水的温度,盐度,深度等因素影响,故采用声速补偿方法得到更合适的声速,从而提高测距精度。仿真结果表明,结合声速补偿的虚源法测距结果误差明显下降。在结合声速补偿虚源法缩小测距范围的基础下,波导不变量精确测距的计算量明显降低,同时测距结果精度也得到提高。从而得出结论,基于结合声速补偿虚源法的波导不变量被动测距技术可以在降低计算量的同时实现精确测距。

MSP430FR5969串口程序加载升级设计方法

针对水声Modem耐压舱体中MSP430单片机需要程序更新的需求,为改进传统更新程序时需打开耐压舱体,通过JTAG更新程序操作复杂的问题,本文研究了基于MSP430FR5969的串口程序加载升级设计方法。通过实验测试,证明此方法稳定、可靠,简化了以往仿真器更新MSP430单片机程序的复杂流程,并大大减少了更新程序需要的引脚数量,实现方便快捷的更新水声Modem中的MSP430单片机程序。

水声正交频分复用异步多用户接入方法

水声信道传播时延大导致水声通信网中上行用户同步困难,因此需要接收端具备异步多用户检测能力。针对水声正交频分复用(OFDM)异步多用户系统提出一种基于滑动迭代的异步多用户接入方法,包括重叠截断、干扰消除、频域过采样、多用户信道估计与解码、以及干扰重构5个处理模块,并通过滑动迭代结构同时消除前向干扰和后向干扰影响。仿真结果表明,所提方法在不同异步到达时延,以及有、无信道估计误差下的误比特率均明显低于逐块解调异步接收算法。水池实验结果表明,滑动迭代异步接收算法在多径扩展18 ms、异步到达时延大于或等于循环前缀1.5倍时实现了两用户异步接入的可靠通信。

基于虚拟时间反转镜的水声OFDM信道均衡

针对水声信道对正交频分复用(OFDM)系统带来的符号间干扰(ISI)问题,提出了虚拟时间反转镜(VTRM)信道均衡算法,该算法具有时间压缩特性和频域相位共轭特性,可以有效缩短信道长度,减小多途信道带来的相位畸变,采用匹配追踪(MP)算法估计信道冲激响应,可以精确地估计出水声信道的幅度、时延和相位信息,为虚拟时反信道均衡提供准确的信道信息,改进了传统匹配相关信道估计方法估计精度低、无法估计信道相位信息的缺点。仿真、水池和湖上实验结果表明,OFDM水声通信系统中,VTRM信道均衡技术性能优于被动时反镜(PTRM)信道均衡和最小平方(LS)信道均衡。

正交频分复用无源时间反转信道均衡方法研究

针对水声信道多途信号引起的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)水声通信系统符号间干扰的问题,提出了无源时间反转均衡的方法,将发送的探测信号时间反转与OFDM信号做卷积,利用无源时间反转镜的时间聚焦原理减小信道多途带来的符号间干扰,在OFDM符号中不使用导频的情况下实现信道均衡,简化了均衡步骤并提高了OFDM符号频带利用率。分析比较了无源时反均衡方法与最小平方信道均衡在水声多途信道下的误码性能。仿真研究和湖上实验表明,无源时反信道均衡算法可以有效的减小多途信道对OFDM水声通信系统带来的影响。

水声正交频分多址上行通信稀疏信道估计与导频优化

针对水声正交频分多址(OFDMA)上行通信中用户导频数量少、分布不均匀,导致传统内插信道估计方法产生误码平层的问题,提出一种稀疏信道估计与导频优化方法.基于压缩感知(CS)理论估计稀疏信道冲激响应,并依据CS理论中测量矩阵互相关最小化原理,提出基于随机搜索的导频图案和导频功率联合优化算法.仿真结果表明,所提方法在不同多径扩展信道下的性能均优于基于线性内插的最小二乘估计、未经导频优化的CS信道估计以及单纯基于导频图案优化的CS信道估计.水池实验分别验证了交织式和广义式子载波分配的水声OFDMA上行通信性能,在接收信噪比高于10 d B时利用所提方法实现了两用户接入的可靠通信.

水声通信网络协议、仿真与试验综述

水声通信网络在水下环境感知、资源勘探及定位导航等领域有重要应用。文中综述了水声通信网络的关键技术、评价指标、仿真工具与大型实际水声通信网络试验。在介绍水声通信网络协议的层次结构和评价指标基础上,详细分析了当前水声通信网络仿真中主流仿真工具和方法,结合实际应用综述了当前国内外水声通信网络海上试验规模和结果,最后给出了未来水声通信网络需解决的关键技术和发展方向。

二元正交chirp载波水声通信时变多普勒系数估计

针对水下潜器间相对变速运动时进行声通信导致的宽带多普勒和码元间多普勒不一致的问题,本文提出一种基于二元chirp信号的移动稳健水声通信系统的多普勒估计和解调算法。基于分数阶傅里叶变换(FRFT)对同步信号处理得到初始多普勒系数后,利用相邻码元间的相关性,对相邻码元进行滑动匹配迭代处理,实现对每一个chirp载波的多普勒系数估计,同时在估计多普勒系数的过程中利用中间变量实现对信号的解调。海上通信距离5 km,运动速度为1.5 m/s时,可以达到误码率小于10-4的通信效果。仿真和海上试验结果都证实了该方法的有效性。

基于大规模邻域搜索的模拟退火算法求解TSP

针对目前旅行商问题的求解精度较差、容易陷入局部最优和收敛效果慢等缺点,根据模拟退火算法和大邻域搜索算法的特点,提出了一种基于大规模邻域搜索的模拟退火算法解决旅行商问题(simulated annealing algorithm with large neighborhood search, SALNS)。上述算法在模拟退火的基础上修改算法的温度变化函数,构造旅行商问题的解空间,采用大邻域搜索技术和2-OPT算子增强局部搜索能力可以很好的解决旅行商问题。选取若干TSPLIB数据集进行实验,对降温函数和运行时间进行试验,并与一些新型智能算法对比。仿真结果表明,所提方法收敛效果好和鲁棒性强能够有效求解旅行商问题。

浅水时变多途信道特性分析与模型实验研究

时变多途水声信道是影响水声通信性能的一个重要因素,深入了解水声信道挣性并对水声信道进行建模具有重要的研究意义。本文在分析传统时变信道模型基础上,从时域角度出发,提出采用AR(ρ)模型对已有的浅水时变多途信道模型中的小尺度衰落分量进行修正。然后基于莲花湖实测信道数据,分析了时变信道各个路径的幅度、时延、时间相干系数、系统传递函数等特性,并对修正模型进行了验证正。从仿真结果来看,修正模型与试验结果拟合的很好。本文从多个方面对水声信道特性进行了分析,有助于对水声信道的深入了解,同时为水声通信系统性能评估提供了一种仿真信道模型。

不同海底地形下海洋信道对水声通信的影响

海底反射是形成多径干扰的主要因素之一,针对由海底引起的水声通信的多径干扰问题,利用信号多径比(SMR)来描述浅海平坦海底、倾斜海底以及深海平坦海底3种不同的海底地形对水声通信的影响。利用真实测量的信道冲击响应数据分析阿拉伯海西北部典型海底地形下的SMR。最后对直接序列扩频(DSSS)系统在3种地形信道下的表现进行仿真研究。对实验信号的分析表明,平坦浅海海底信道具有最严重的多径衰落,是3种信道中最恶劣的,深海信道次之,倾斜海底信道条件较好,直扩信号在倾斜海底信道条件下误码率最低。

定向传输水声通信网络介质访问控制协议

针对水声通信网络吞吐量低、通信隐蔽性差、隐藏终端等问题,提出一种定向传输水声通信网络介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议,协议中各节点采用定向模式传输数据,不需要邻节点位置等先验信息,通过发送节点顺序连续发送传输请求(Request To Send.RTS)信号、维护邻节点相对位置信息表及定向虚拟载波监测等技术实现网络高效无碰撞运行。本协议可有效解决水声通信网络中存在的由非对称增益导致的隐藏终端问题,增加网络覆盖范围,提高通信隐蔽性。仿真结果表明,所提MAC协议能够显著提高水声通信网络吞吐量性能。

基于频移键控的仿海豚哨声水声通信技术

针对水下隐蔽声通信的需求,该文提出一种基于频移键控的仿海豚哨声水声通信方法,通过模拟海豚哨声以降低通信信号被发现的概率,从而实现水下隐蔽声通信。该方法将信息调制生成的基带信号以一定比例与海豚哨声信号时频谱轮廓曲线相加获得合成哨声时频谱,再生成合成哨声作为仿生通信信号。接收端提取接收到的合成哨声与本地生成的存在固定频差的海豚哨声相干相乘,经过低通滤波获得频移键控信号进行信息解调,实现仿生通信。通过时频相关系数和Mel倒谱距离分析了通信信号仿生效果。仿真与海试试验验证了该方法的可行性,当码元宽度为0.1s时可在2km距离上实现有效通信,且时频相关系数不低于0.99。该方法调制解调原理简单,系统资源消耗更少,更易于工程实现,为仿生水声通信算法的实际应用提供技术支撑。