冰下水声信道特性及水声通信技术研究

The Arctic region has an important strategic meaning and business value, where under-ice civilian or military activities urgently require underwater acoustic technique because of the year-round ice cover. However, the research on complex and special polar under-ice channel and the polar underwater acoustic technology is almost blank in our country..To meet the requirement of acoustic communication thecnology and potential network development in the special under-ice sound field, the following research contents will be carried out: 1. Research on ice-water interface acoustic characteristics and modeling under-ice acoustic channel; 2. Research on polar OFDM under water acoustic communication technology with ice region experimental verification, including OFDM technology based on cyclic-prefix and cyclic-suffix combined with time reversal mirror, high order differential amplitude phase shift keying technology and OFDM combined with spread sepctrum technology, to improve the system performance and to solve the problem of the strongest path being not the first arrival in under-ice channel and developing the suitable communication node for the polar environment; 3. Proposing adaptive data link layer MAC protocol based on channel reservation and scheduling with cross-layer design to match under-ice channel and physical layer and building semi-physical network simulation testing platform..Aim at providing underwater acoustic technology for the necessary support of Arctic exploration or military activity, the project combines the under-ice acoustic physical basic research with acoustic communication and network technology, which provides new ideas and effective technical means for the information transmission in the polar under-ice area.

北极区域极具战略意义与商业价值，受常年被冰层覆盖影响，民用或军事等冰下活动均迫切需要水声技术。然而我国对极地复杂、特殊的冰下信道以及极地水声技术研究近乎于空白。.面向冰下特殊声场条件的水声通信及潜在的网络化发展需求，本项目①开展冰水界面声学特性研究并建立冰下水声信道模型。②研究时反镜+循环前/后缀的OFDM以克服冰下信道强途径不是最先到达的信道结构难题，开发其高阶差分幅度相移键控技术以提高通信速率，并将OFDM与扩频相结合以提高稳健性和对多址通信的适用性；研制适用于极地环境的通信节点；通过冰区海试验证。③采用跨层设计，与冰下信道特性和物理层相匹配，提出基于信道预约和调度的自适应数据链路层介质访问控制协议，构建半实物网络仿真测试平台。.本项目将冰下水声物理基础研究与通信及其网络化技术相结合，为极地冰下信息传输提供新思路和有效技术手段，旨在为北极资源勘探或军事提供必要水声技术支撑。

由于大部分北极及其毗邻海域常年被冰层覆盖，水声通信技术将是在北极冰下信息交互的最为可取的手段。本项目针对北极冰下信息传输的迫切应用需求，探索发展冰下水声通信及通信网络中存在的基本问题和技术难点，结合冰下水声信道特性，建立适用于极地冰下条件的水声通信系统并可满足多个用户通信需求，开展可大范围、分布式的数据观测与信息传输技术体系仿真研究。为此，主要开展了以下3个方面的研究：一是冰下水声信道特性研究。建立分层冰雪声反射模型，将海冰简化为水平方向密度和声速保持不变、垂直方向不一致的多层固体层结构，建立了多层冰雪声反射模型，研究了计算多层冰雪模型声波反射系数的全局矩阵法。将反射系数结合到声场仿真模型Bellhop中，对冰下声场进行仿真。对极地与俄罗斯冬季试验结果和仿真将试验结果进行对比，验证了所建立模型的正确性。二是冰下高速水声通信技术研究。研究了时反镜+循环前/后缀的OFDM水声通信技术以解决冰下直达声信号不是最先到达的问题，采用高阶差分幅度相移键控调制（MDAPSK）技术提高水声通信速率，并将OFDM技术与扩频相结合构建SS-OFDM模式以提高稳健性和对多址通信的适用性。研究了基于单载波体制的冰下稳健水声通信技术，并通过多次的近海冰区和北极试验数据验证。三是开展冰下水声通信网络技术及网络协议半实物仿真技术研究。设计了簇状网络拓扑结构并提出了TFO-MAC协议，构建了冰下水声通信网络半实物仿真系统。在以上研究基础上，本项目开展了冬季渤海湾冰下分布式水声通信试验，构建了包含6个节点的冰下分布式水声通信系统，实现了冰下信息的中继传输，验证了系统的可靠性。本项目的相关研究为北极冰下资源勘探开采或极地军事提供了必要水声通信技术支撑，为我国近乎于研究空白的极地水声技术做出了有益探索。本项目研究期间发表SCI论文32篇、EI论文27篇，授权发明专利15项。自主研制了多款极地声学调查设备，为提高我国认识北极、进入北极的能力做出了有益贡献。