2. 西北工业大学 电子信息学院, 陕西 西安 710072
地球表面覆盖着71%的水域，其中97%为海洋，随着海洋资源的大规模开发，海洋水下通信技术被广泛应用于海底探测、采油等民事用途以及海底测绘、港口攻击和防护等军事用途，如何在海洋环境中实现高速通信成为人们研究的热点[1-2]。但海洋水下通信的影响因素和现有的无线通信相比具有很大的不同[3]。海洋水下通信环境中，传输频率越高衰减越大，所以频率资源是非常有限的。此外，由于水底反射、折射和海洋环境的漫射效应等影响，导致水下通信系统中具有非常强的多径干扰。现有的水下通信系统主要通过各种均衡技术来消除多径干扰的影响。文献[4]提出了一种海洋水下通信反馈均衡方法。该方法利用反馈均衡滤波器来消除水下信道的多径干扰，但滤波器长度与收敛性会极大限制水下通信系统的传输速度，所以并不适合高速水下通信传输。文献[5]提出了一种基于时反的水下通信方法。该方法可以有效适应不同海洋环境，消除不同海洋环境下的多径效应，但需要采用多阵元接收。
由于水下通信中信号的传输频率较低会造成信号的传输速度较慢，并且信号衰减较大并不适合长距离通信。为此，水下协作通信被公认为是水下通信系统目前最优的解决办法。文献[6]提出了一种水下协作通信方法，该类方法利用光缆将数据传输到水面发射站，通过无线信道或者卫星信道传输到水面接收站，最后再次利用光缆将数据传输到水下用户。但该技术只适用于海岸沿线和浅海海域，并且还需要保证水下用户的位置稳定性，并不利于深海通信和水下移动通信。文献[7]提出了一种基于时分的水下协作通信方法，该方法通过中继水下航行器利用不同的通信时间段来实现水下用户之间的协作通信。该算法可以很好地弥补水下通信大衰落的特点，但由于分时传输，导致传输速度较慢。文献[8]提出了一种基于频分复用的水下协作通信技术，该方法通过中继水下基站采用不同的传输频率来实现水下用户节点间的通信，但由于水下环境复杂，所以频率衰减较大，可用的频率相对无线通信来说是相当少的，所以该技术实现的难度较大。文献[9]提出了一种MIMO水下通信技术，但在MIMO的传输中，需要的阵列天线较大，这对深海通信和水下移动通信会产生不利的影响。针对上述问题，本文提出了一种自信息干扰消除辅助的同频时反水下协作通信方法，该方法先通过水下基站处的时反处理和放大转发，消除信号传输中的多径效应，并通过节点对自身发射信号已知的特点进行自身信号干扰消除，从而实现水下协作通信的双向传输。仿真分析表明，本文所提出的水下协作通信方法具有较高的通信速度且误码率性能与传统分时协作通信相当。
1 系统模型同频时反水下协作通信系统结构如图 1所示。从图 1中可以看出，水下节点间距离较远，由于水声信号长距离传输衰减较大，所以需要水下基站进行中继转发，实现节点间的双向通信。其中，定义节点向基站传输所采用的频率为上行频率，基站向节点传输所采用的频率为下行频率，本文中考虑不同节点的上行频率相同，下行频率为另一相同频率，从而实现频率复用，提高频谱效率。同时，在所采用的协作传输系统中，考虑到水下节点通常体积较小，因而将其配置为单接收阵元和单发射阵元，而水下基站作为协作传输系统的核心，配置为一个接收阵和一个发射阵，且一组发射阵元和接收阵元位置相同。由于节点对自身发射信号已知，因而可通过自信息干扰消除实现节点间的双向同时传输。最后通过针对水下信道多径干扰较大，且2个水下节点同时进行信息交互产生的干扰问题，本文所采用的基于自信息干扰消除的时反水下协作通信系统的系统结构如图 2所示。
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| 图 1 水下协作通信系统构成 |
图中，2个节点进行数据交互，各配备一个发射机和一个接收机，发射机和接收机位置相同，但工作在不同频率。水下基站配备有一个共有NR组发射阵元和接收阵元的阵列, 每组中的发射阵元和接收阵元位置相同, 但工作在不同频率。
假设第nt个节点待传输序列为ant, 长度为Na, 经过编码交织, 得到相邻编码位的统计相关性较小的二进制交织序列cnt, 长度为Nc, 即编码效率为ηc=Nc/Na。而后通过符号映射, 得到符号序列snt, 其长度为Ns, 即符号映射的阶数为Ms=2Nc/Ns。所得符号序列经过载波调制, 经过发射阵元传输到信道的信号可表示为
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(1) |
式中, T表示符号间隔, g(t)表示脉冲成形滤波器, f1表示上行链路所采用的载波频率。
信号经过水声信道的多径传输, 在水下基站的第nr个阵元处, 接收到的信号可表示为
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(2) |
式中, p表示多径索引, τp表示第p条路径对应的延时, 本文中为了描述简便, 将所有延时进行网格化, 从而使得任意从水下基站第nr个阵元到第nt个节点间第p条路径的延时均为τp, hpnr, nt表示从水下基站第nr个阵元到第nt个节点间第p条路径的幅度增益。考虑水声信道为慢衰落瑞利信道, 即在一定时间内, 信道的延时和幅度增益保持不变, 且具有对等可逆性, 即水下基站第nr个阵元到第nt个节点间的下行信道与第nt个节点到水下基站第nr个阵元的上行信道的信道响应相等。ξnr(t)表示在水下基站第nr个阵元处接收到的海洋噪声。
水下基站收到信号后, 经过处理转发给节点1和节点2, 将第nr个阵元处发送的信号表示为znr(t), 则第nt个节点接收到的信号可表示为
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(3) |
式中, wnr(t)表示在第nt个节点处接收到的海洋噪声。由于水下基站发送的信号znr(t)中包含2个节点传输的信息, 因而在2个节点交互信息时, 都会收到自身信号传输所产生的干扰, 从而导致信息误码。
在图 2所示的系统中, 通过水下基站处的多通道时反处理, 可消除信号传输中的多径干扰。此外, 由于节点对自身信号已知, 因而可通过自信息干扰消除, 降低自身信号对接收误码率性能的影响, 从而恢复出发送的符号
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| 图 2 基于自信息干扰的时反水下协作通信系统框图 |
在水下协作通信系统中, 由于水声信道的多径效应较为严重, 以及协作节点交互信号的叠加, 为双向水声协作通信带来极大的挑战。同时, 由于通常水下节点的体积较小, 通常为单收发阵元, 因而难以通过多通道时反接收或多通道反馈均衡消除多径效应。针对这一问题, 本节通过在协作通信系统中水下基站配置多发射阵元和接收阵元, 为水下节点提供多通道处理增益, 从而提高水下双向通信的数据可靠传输性能。
在水下基站的第nr个阵元处, 对接收到的2个节点的叠加信号, 进行2个链路的时反处理, 同时为了避免上行链路与下行链路的互相干扰, 对频率进行迁移, 即
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(4) |
式中, f2表示下行链路所采用的载波频率。由此可以消除基站发射数据对基站接收信号的直接干扰, 同时也可以消除节点发射信号对节点接收信号的直接干扰。
定义从节点1发射端经过水下基站第nr个阵元到节点1接收端的信道为
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(5) |
定义从节点1发射端经过水下基站第nr个阵元到节点2接收端的信道为
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(6) |
定义从节点2发射端经过水下基站第nr个阵元到节点1接收端的信道为
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(7) |
定义从节点2发射端经过水下基站第nr个阵元到节点2接收端的信道为
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(8) |
则在节点1处接收到的信号可表示为
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(9) |
同理, 在节点2处接收到的信号可表示为
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(10) |
(9)式和(10)式中, qnts表示第nt个节点接收到的另一节点发送的信号, 根据信道的时反卷积可得, qnts为另一节点发送信号在第nt个节点处的自动聚焦, 其信道响应为时域压缩脉冲。qnti表示第nt个节点接收到信号中自身传输信号产生的干扰, 由于2个节点距离较远, 因而2个节点到水下基站阵元的信道可认为相关性较弱。qntn表示第nt个节点处信号中海洋噪声的干扰, 根据(2)式~(4)式可得
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(11) |
同时, (9)式和(10)式中的信道传输函数可表示为
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(12) |
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(13) |
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(14) |
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(15) |
水下基站对接收到的2个节点传输的混合信号进行多通道时反处理后, 将频率搬移到下行链路的频段, 放大转发给各个节点, 因而在各个节点接收到信号为2个节点的混合信号, 为此需要进行自信息干扰消除, 恢复出另一个节点传输的信息。考虑到节点的对等性, 本节以节点1为例, 研究节点接收信号中的自信息干扰消除, 同时恢复出节点2发送的符号。
从图 2中可以看出, 节点1接收到混合信号后, 先进行载波解调, 得到
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(16) |
所采用的自信息干扰消除算法如图 3所示。首先将接收到的符号对齐到v21(n)时反聚集的位置, 然后对自身节点传输的信息进行自适应消除, 其算法可采用LMS算法。
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| 图 3 自信息干扰消除算法结构框图 |
本文采用稀疏水声信道仿真模型，节点为单阵元，水下基站为8阵元，信道路径数为15，各路径延迟时间间隔为指数分布，均值为1 ms，信道总延时扩展的平均值为15 ms。各路径的幅度衰落服从瑞利分布，在一段时间内，可认为各路径随延时指数下降。经过水下基站进行多通道时反聚集后, 节点交互信息在指定接收节点处聚集，而在自身节点处会产生一定的干扰。
由于自信息干扰消除模块的抽头个数会影响水下通信系统的误码性能，当抽头个数越多，自信息干扰消除模块可以更好地消除自身信号的多径干扰和码间干扰，但随着抽头个数的增加会造成计算复杂度的提升，同时影响算法的收敛性。本文分别选取不同长度的自信息干扰消除模块抽头个数进行仿真分析，结果如图 4所示。
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| 图 4 不同自信息干扰消除模块抽头个数下的误码率 |
从图 4中可以看出，当自信息干扰消除模块抽头个数较小时，由于自信息干扰消除模块无法有效消除混合信号中自身发射信号的干扰和多径干扰，所以误码率较大。而当自信息干扰消除模块抽头个数大于15时，自信息干扰消除模块可以很好地消除自身发射信号所带来的干扰，当误码率为10-3时，信噪比为10.8 dB。而再增加自信息干扰消除模块抽头个数并不能消除更多多径干扰。所以本文的自信息干扰消除模块抽头个数采用15。
本文进一步比较了所提出的基于自干扰消除的时反水下协作通信方法与传统分时水下协作通信方法的性能，仿真结果如图 5所示。
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| 图 5 不同信噪比下的各算法误码率比较 |
从图 5中可以看出，本文所提出的基于自干扰消除的时反水下协作通信方法，利用自信息干扰消除模块消除自身发射信号所产生的干扰，误码率性能与传统的分时水下协作通信方法相当。但由于2个节点可同时传输信息，其速率得到了有效的提高。
在水下通信中，由于信号的传输速度较慢，并且由于水声环境的高频高衰减特性，传输信号的频率不能过高，这就导致水下通信中，水下通信节点的传输速度远远小于地面或者空间中的通信节点。为此，传输速度一直是水下通信重点关注的指标。所以，本文将所提出的水下协作通信方法与分时水下协作通信方法进行传输速度的比较，以分时水下协作通信的单位传输速度进行归一化处理，传输速度的结果如表 1所示。
| 信噪比/dB | 本文的水下协作通信 | 分时水下协作通信 |
| 6 | 1.930 | 0.965 |
| 8 | 1.970 | 0.985 |
| 10 | 1.995 | 0.998 |
| 12 | 1.999 | 0.999 |
从表中可以看出，当信噪比大于10 dB时，本文所提出的水下协作通信方法的传输速度接近分时水下协作通信方法2倍。所以本文所提出的同频时分水下协作通信方法更加适合水下高速率通信。
5 结论由于水声信道环境中海水或淡水对信号的衰减较大，并且水声环境具有很强的多径反射效应和信号衰减效应，导致传统的水下通信方法很难实现高速率的水下通信。而水下协作通信可以很好地解决这个问题，但是现有的水下协作通信中，水下基站在同一时间、同一频率上只进行单一通信，极大浪费了频谱资源。本文针对这种情况提出了一种可用于水下协作通信的双节点同频时反通信技术，该技术通过共用上行链路和下行链路的频率来实现频率复用，通过水下基站的多阵元时反消除信道传输多径效应，并利用节点对自身所发射信号已知的特点设计了一种自信息干扰消除算法来消除自身信息的直射干扰、多径干扰和码间干扰。仿真结果表明本文所提出的基于自信息干扰消除的时反水下协作通信方法在与传统分时水下协作方法相比具有相当的误码率，但是由于该系统允许2个节点同时传输，因而有效提高了系统的传输效率。
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2. School of Electronics Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China
