水下移动节点通信可靠性研究

发布时间：2020-04-10 06:58

【摘要】：海洋资源丰富,是各国争夺和探测的重点领域。我国是个海洋大国,对海洋的开发、资源的保护已经上升到了战略层面。因此,和海洋相关的新兴技术的研究迫在眉睫。海洋的探测和开发过程中,水声通信技术必不可少。受限于水声信道的特性,水声通信技术会面临噪声干扰、传播损耗、多径效应和多普勒效应等影响。尤其是多径效应和多普勒效应,是研究水声通信提升通信系统可靠性必须考虑的问题。为此,本文针对水声通信中的多径效应和多普勒效应展开研究,分析其产生机理以及消除其干扰的方法。本文主要工作如下:首先,对水声通信信道进行研究分析。总结了影响水下移动通信可靠性的因素,重点对多径效应和多普勒效应进行了分析研究。介绍了几种针对水声场的理论模型,然后利用BELLHOP工具对水声信道进行建模,求解特定水域的冲激响应,利用冲激响应得出水下移动通信传输的数学模型,从而为后续研究打下基础。然后,研究水声通信的多径效应。分析了多径效应产生的机理以及解决多径效应的方法,利用陆地无线通信中经典的信道均衡算法对水声通信的多径效应进行了仿真研究。根据实际水声信道时变、空变的特点,引入了变步长LMS算法,并且通过分析现有算法在处于稳态时会出现稳定性异常的问题,提出了一种改进变步长LMS算法。仿真结果表明改进算法收敛速度快,性能优秀,稳定性高,能够均衡信道的畸变,提高了水声通信的可靠性。接着,研究水声移动通信的多普勒效应。首先依据建立的多普勒频移数学模型,仿真分析了多普勒频移对通信系统的影响。分析了现有Pisarenko谐波分解算法估计精度方面的不足,通过提高自相关阶数,提出了改进的Pisarenko谐波算法,仿真结果表明改进算法估计精度更高,计算量小,具有实际意义,能够提升通信的可靠性。最后,将信道均衡算法和多普勒估计算法进行联合仿真。首先仿真分析了多普勒估计算法在多径效应下的性能,结果表明多径效应影响了多普勒估计算法的估计精度。然后利用本文提出的改进变步长LMS算法解决多径效应,将信道均衡和多普勒估计进行联合仿真,结果表明在同等条件下均衡后并且进行多普勒补偿的通信误码率更低,可靠性更高。
【图文】：

路线图,总体技术,路线图

图 1-1 总体技术路线图水声信道进行分析，研究水声信道建模的数学模型，利用 BE声速、声源深度、发射频率等因素，建立水声场模型，进而研信号传输模型。于多径效应，，采用信道均衡技术来减小消除码间干扰。首先分机理和对通信系统的影响，然后推导消除码间干扰的充要条件接着根据奈奎斯特准则阐述迫零算法、自适应均衡算法以及盲仿真对比算法的性能以及优缺点，研究算法对水声信道时变与。于多普勒效应，基于建立的多普勒效应数学模型，分析其对水，进而针对常用的多普勒估计算法存在的问题，提出改进算法算法的性能。提出的信道均衡算法和多普勒估计算法进行联合仿真，研究可靠性。

结构图,结构图,水声信道,通信系统

图 2-1 水下通信系统结构图和陆地无线通信的空气信道比起来，水声信道非常不稳定，盐度、温度、、季节、风浪等等因素都会使水声信道的结构发生变化。另外，水声信道随间不断地变化，是个时变的信道。根据现有的理论可知水声信道的基本特性有：严重的环境噪声、传输衰减高、严重的多径效应和多普勒效应等。这些都会影响水声通信系统收发准确率，降低通信的可靠性。本文就是主要针对因素进行研究，分析如何降低其对水声通信的影响进而提高系统的可靠性。分别介绍水声信道的这些基本特性。.2.1 环境噪声噪声是不可避免的干扰，任何一个通信系统都存在噪声。水声通信中噪声复杂多变。以海洋环境为例，海洋中的洋流、潮汐、地震、海面波浪都能产声对通信系统产生干扰，还有人类的活动比如航船、沿岸工业等也会产生噪响通信系统的性能。如果是在浅海环境中，还存在风成噪声的影响，风成噪
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.3

【参考文献】