基于多模通信体制的环境自适应水声通信技术研究

Facing the demand of various different types of AUV in underwater acoustic network communication, this project breaks through the barrier of underwater acoustic communication using single communication system, and focuses on the one that is based on multi-mode communication systems, makes full use of underwater environment sensing information and adjusts the system mode adaptively. This project combines the sensing basic research of underwater acoustic channel characters and the basic research of engineering application: 1. According to the characteristics of underwater acoustic channel, environmental sensing key technology suitable for underwater acoustic communication is on the research, and it can apperceive environment parameters such as channel characters, transmission loss and frequency band. 2. Three modes of underwater acoustic communication --differential OFDM, PDS and spread spectrum communication systems are on the research respectively, which suitable for mobile communicaton in multipath underwater channel. 3. The multi-mode underwater communication system will be further researched, which can realize the adaptive underwater acoustic communication for different communication distance and rate according to the environmental parameters sensing results and the special characters of these three modes. This project provides new ideas and theoretical basis for solving the problems of effective and reliable communication in different underwater environments and the effective share of spectrum resources, enhances the adaptability of the communication system for underwater environment, and provides the necessary technical support for developing the underwater acoustic network communication with various different types of users in the future.

面向多类型水下航行器用户并存，时延扩展、多普勒频移、频带有限的动态多变条件下的水声网络化通信需求，本项目突破以往基于单一固定通信体制，而是研究基于多种通信体制模式、能够充分利用感知获得的水声环境信息、自适应调整通信体制的环境自适应水声通信。本项目将水声环境物理特性感知技术基础研究与工程应用基础研究相结合：1.针对水声信道特性，研发水声环境感知关键技术，实现自适应感知信道特性、传播损失、通信频段等参数；2.研发差分OFDM、差分Pattern时延差编码和差分扩频三种适用于多途扩展下的移动水声通信的体制模式；3.依据环境参数感知结果和不同通信体制特质实现适用于远中近程、不同通信速率的自适应水声通信。 本课题为解决不同水下环境下兼顾有效性和可靠性、不间断通信和水下频谱资源有效共享问题提供新思路和理论依据，增强通信系统对水下环境的适应性，为日后开发多种不同类型用户并存的水声通信网提供必要技术支撑。

本项目突破以往基于单一固定通信体制，研究基于多种通信体制模式、能够充分利用感知获得的水声环境信息、自适应调整通信体制的环境自适应水声通信。本项目将水声环境物理特性感知技术基础研究与工程应用基础研究相结合：（1） 针对水声信道特性，研发水声环境感知关键技术，实现自适应感知信道特性、传播损失、通信频段等参数；（2）研发差分OFDM、差分Pattern 时延差编码和差分扩频三种适用于多途扩展下的移动水声通信的体制模式；（3）依据环境参数感知结果和不同通信体制特质实现适用于远中近程、不同通信速率的自适应水声通信。 本课题为解决不同水下环境下兼顾有效性和可靠性、不间断通信和水下频谱资源有效共享问题提供新思路和理论依据，增强通信系统对水下环境的适应性，为日后开发多种不同类型用户并存的水声通信网提供必要技术支撑。 .本课题具体取得的研究成果如下：（1）基于外场实测数据的时变水声信道预测技术，将信道预测技术引入到环境自适应水声通信系统中，解决了水声信道状态信息（CSI）很快过时、水声通信调制模式和参数无法适配信道的问题；（2）基于差分编码的适用于远中近程、不同通信速率的水声通信技术研究，创新提出了差分能量检测器扩频水声通信技术，实现了极低信噪比下的稳健水声通信性能，创新提出添加循环后缀的高阶调制差分OFDM水声通信技术，实现了直达声非最先到达信道条件下的高速水声通信；（3）水声通信自适应调制与功率分配技术，根据信道的衰落情况对载波进行比特和功率的自适应分配，创新研究了自适应水声通信中的Hughes-Hartogs梯度分配算法、Chow算法和Fischer算法，取得了良好的性能。.本项目在执行过程中开展了多次水池和外场试验，试验结果验证了本项目提出了水声信道预测技术、差分编码水声通信技术、自适应调制和功率分配技术的有效性。本项目提出的具有环境认知功能的水声通信技术可以有效解决海洋资源和观测设备面临的信息传输稳健性差、传输距离受限、传输速率低的问题，提高我国海洋资源开发与环境观测的能力。.基于本项目相关研究成果的“环境认知多模水声通信技术”获得2018年度黑龙江省科学技术一等奖。