一種AUV移動(dòng)OFDM水聲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 斌, 鄭思遠(yuǎn), 曹秀嶺, 童 峰

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一種AUV移動(dòng)OFDM水聲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 斌1,2, 鄭思遠(yuǎn)1,2, 曹秀嶺1,2, 童 峰1,2

1.廈門大學(xué) 水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室, 福建 廈門, 361002; 2.廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院, 福建 廈門, 361002)

針對(duì)水聲信道多徑效應(yīng)和多普勒頻偏對(duì)移動(dòng)正交頻分復(fù)用(OFDM)水聲通信產(chǎn)生的嚴(yán)重載波間干擾(ICI)和碼間干擾(ISI), 采用時(shí)頻差分編碼方案, 互相關(guān)函數(shù)方法進(jìn)行多普勒估計(jì), 變采樣率重采樣進(jìn)行多普勒補(bǔ)償, 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種面向自主式水下航行器(AUV)的、易于工程實(shí)現(xiàn)的低復(fù)雜度移動(dòng)OFDM水聲通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效避免殘余多普勒補(bǔ)償?shù)膯栴}, 同時(shí)對(duì)多徑信道表現(xiàn)出一定程度的穩(wěn)健性。海試結(jié)果表明, 該系統(tǒng)可在淺海信道復(fù)雜多徑和一定多普勒影響的條件下正常工作, 實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)OFDM水聲通信。

自主式水下航行器; 移動(dòng)通信; 正交頻分復(fù)用; 時(shí)頻差分; 多普勒估計(jì)

0 引言

隨著海洋資源開發(fā)利用的深入, 自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)作為探查和利用海洋的重要載體, 因其安全性、靈活性及功耗低等優(yōu)點(diǎn), 被廣泛應(yīng)用于海底地形地貌勘探、海洋資源勘測(cè)、海底管網(wǎng)鋪設(shè)與維護(hù)、水聲網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)通信中繼及水下情報(bào)搜集等領(lǐng)域[1-3]。水聲通信技術(shù)在掌握AUV在水下的活動(dòng)情況以及將AUV攜帶的各種傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳給水面控制母船中扮演著至關(guān)重要的角色, 然而由于AUV實(shí)時(shí)移動(dòng)的特性, 導(dǎo)致其所對(duì)應(yīng)的水聲信道具有高動(dòng)態(tài)的多徑和多普勒雙重?cái)U(kuò)展特征, 嚴(yán)重影響了AUV和母船之間的實(shí)時(shí)信息交互。

正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸效率、頻譜利用率以及較強(qiáng)的抗多徑能力, 能夠有效抵抗碼間干擾(inter-symbol interference, ISI), 近年來(lái)成為AUV水聲通信的研究熱點(diǎn)[4-5]。然而, 與傳統(tǒng)的單載波通信系統(tǒng)相比, OFDM通信系統(tǒng)對(duì)多普勒頻偏和相位噪聲更加敏感, 且AUV在水下的姿態(tài)傾角實(shí)時(shí)變化, 航速受流的影響起伏不定[6], 產(chǎn)生的多普勒偏移和相位噪聲會(huì)嚴(yán)重破壞OFDM子載波的正交性, 使其在水聲通信中的應(yīng)用受到信道時(shí)變性和多普勒頻偏的限制[7-8]。因此, 想要達(dá)到穩(wěn)定的通信性能, 必須要對(duì)水聲信道中廣泛存在的多徑和多普勒進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和補(bǔ)償?？蒲泄ぷ髡邔?duì)此采取了一系列的措施: 王巍等[9]利用頻域變采樣的方法實(shí)現(xiàn)了多普勒的快速補(bǔ)償, 并結(jié)合編碼反饋校驗(yàn)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的多普勒變化進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量。馮成旭等[10]改進(jìn)了基于冗余循環(huán)前綴OFDM頻域均衡算法, 引入多級(jí)緩沖和判決反饋機(jī)制, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)水聲信道中多徑效應(yīng)的有效抑制。普湛清等[11]提出基于時(shí)頻聯(lián)合搜索的多普勒跟蹤與快速補(bǔ)償算法, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人水下航行器平臺(tái)時(shí)變多普勒的實(shí)時(shí)跟蹤與快速補(bǔ)償。然而由于水聲信道的強(qiáng)時(shí)變及多普勒頻移特性, 信道的精準(zhǔn)估計(jì)往往十分困難, 上述信道估計(jì)與均衡算法性能可能受到參數(shù)設(shè)置、信噪比及算法收斂性等因素的嚴(yán)重影響。

差分編碼因其強(qiáng)抗干擾能力、復(fù)雜度低及信道適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于水聲通信中。在單載波系統(tǒng)中, 差分編碼通常僅在時(shí)域上進(jìn)行, 而對(duì)于多載波的OFDM系統(tǒng)而言, 差分編碼既可在時(shí)域上進(jìn)行, 也可在頻域上進(jìn)行。Hass等[12]的研究表明, 在多徑效應(yīng)嚴(yán)重的信道中, 時(shí)域差分編碼效果更優(yōu); 在多普勒頻移嚴(yán)重的信道中, 頻域差分編碼效果更為顯著。而在實(shí)際水聲信道中, 多徑效應(yīng)和多普勒頻偏往往同時(shí)存在, 即存在非一致性的多普勒, 因此考慮在時(shí)域及頻域上進(jìn)行雙重差分調(diào)制解調(diào), 即時(shí)頻差分OFDM方案[13], 該方案系統(tǒng)復(fù)雜度低, 適合于硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn), 因此成為研究的熱點(diǎn)[14-16]。時(shí)頻差分編碼系統(tǒng)的載波利用率僅為50%, 這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸效率下降。但相較傳統(tǒng)的抗多徑及多普勒算法而言, 在滿足數(shù)據(jù)傳輸速率的前提下, 時(shí)頻差分編碼方案仍不失為一個(gè)較好的選擇。

文中針對(duì)移動(dòng)OFDM水聲通信中多普勒估計(jì)和補(bǔ)償問題, 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種面向AUV的、易于工程實(shí)現(xiàn)的低負(fù)載移動(dòng)OFDM水聲通信系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用時(shí)頻差分編碼方案, 互相關(guān)函數(shù)方法進(jìn)行多普勒估計(jì), 并利用變采樣率重采樣進(jìn)行多普勒補(bǔ)償。海試結(jié)果表明, 該系統(tǒng)可在淺海信道復(fù)雜多徑和一定多普勒影響的條件下正常工作, 實(shí)現(xiàn)移動(dòng)OFDM水聲通信。

1 系統(tǒng)原理介紹

1.1 時(shí)頻差分OFDM

時(shí)頻差分算法利用相鄰符號(hào)及相鄰子載波之間的相位差或幅值差進(jìn)行檢測(cè), 通過時(shí)域和頻域上的差分計(jì)算即可有效抑制信道變化的影響。此外, OFDM調(diào)制技術(shù)能夠有效對(duì)抗多徑效應(yīng)的影響, 且較單載波系統(tǒng)而言具有較高的頻帶利用率, 故文中采用時(shí)頻差分OFDM水聲通信方案, 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種面向AUV的移動(dòng)水聲通信系統(tǒng), 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1中, 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程如下: 1) 信源端輸入信號(hào), 將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)成二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式, 并進(jìn)行信道編碼, 其中包括卷積編碼和等差交織編碼; 2) 通過串并轉(zhuǎn)換將編碼后的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為低比特并行數(shù)據(jù)流, 然后利用四相相對(duì)相移鍵控(differential quadrature reference phase shift keying, DQPSK)方式進(jìn)行時(shí)頻差分編碼, 將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào); 3) 對(duì)差分編碼后的信號(hào)進(jìn)行傅里葉逆變換(inverse fast Fourier transform, IFFT)運(yùn)算, 將頻域信號(hào)還原成時(shí)域信號(hào)并添加循環(huán)前綴; 4) 對(duì)通過并串轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行添加同步幀操作, 同步幀采用對(duì)多普勒頻偏不敏感的線性調(diào)頻(linear frequency modulation, LFM)信號(hào); 5) 將添加同步后的信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、功率放大后發(fā)射至水聲信道中, 經(jīng)信道傳輸后, 在接收端對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行同步檢測(cè), 然后進(jìn)行與發(fā)射端相反的解調(diào)過程, 最終得到輸出信號(hào)數(shù)據(jù)。

假設(shè)在OFDM系統(tǒng)中, 第個(gè)OFDM符號(hào)第個(gè)子載波上差分調(diào)制前的數(shù)據(jù)信息

差分調(diào)制后的數(shù)據(jù)信息

則第+1個(gè)子載波可表示為

故經(jīng)過差分調(diào)制后相鄰OFDM符號(hào)上相同位置子載波相位存在以下關(guān)系

而同一個(gè)OFDM符號(hào)上相鄰子載波相位則存在以下關(guān)系

假設(shè)接收端接收到的第個(gè)OFDM符號(hào)第個(gè)子載波的數(shù)據(jù)信息為

第個(gè)OFDM符號(hào)第+1個(gè)子載波表示為

分別提取第個(gè)子載波中第個(gè)和與之相鄰的前一個(gè)OFDM符號(hào)的相位信息, 由式(4)和式(6)經(jīng)差分解調(diào), 可得

分別提取第+1個(gè)子載波中第個(gè)和與之相鄰的前一個(gè)OFDM符號(hào)的相位信息, 由式(5)和式(7)差分解調(diào), 可得

利用第+1個(gè)子載波得到的相位信息對(duì)第個(gè)子載波的相位信息進(jìn)行修正, 可得

1.2 多普勒估計(jì)與補(bǔ)償

OFDM系統(tǒng)利用多載波調(diào)制方式, 對(duì)頻率的偏移十分敏感。多普勒頻偏不僅會(huì)破壞各子載波間的正交性, 還會(huì)導(dǎo)致信號(hào)伸縮, 各子載波輸出幅值減少, 從而引起強(qiáng)烈的ISI。尤其對(duì)于面向AUV的移動(dòng)水聲通信場(chǎng)景, 若想獲得穩(wěn)健的通信性能, 多普勒的估計(jì)和補(bǔ)償至關(guān)重要。

文中采用互相關(guān)函數(shù)方法對(duì)水聲信道中存在的多普勒進(jìn)行估計(jì)。將本地多普勒估計(jì)信號(hào)人為添加不同的多普勒頻偏, 分別與接收到的多普勒估計(jì)信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算, 找出相關(guān)性最強(qiáng)位置對(duì)應(yīng)的多普勒頻偏, 即為估計(jì)的多普勒頻偏值, 算法的實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

在利用互相關(guān)函數(shù)方法估計(jì)得到多普勒頻偏后, 常規(guī)的多普勒補(bǔ)償方案是利用插值或抽取的方式[19-20]對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行重采樣, 再對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行殘余多普勒補(bǔ)償, 此時(shí)各子載波的殘余多普勒可近似為載波頻偏(carrier frequency offset, CFO)。文中直接利用變采樣率重采樣的方式進(jìn)行多普勒補(bǔ)償, 從而避免了傳統(tǒng)OFDM還需進(jìn)行CFO補(bǔ)償?shù)膯栴}。

2 海試試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

為驗(yàn)證文中提出的面向AUV的移動(dòng)水聲通信系統(tǒng)在移動(dòng)場(chǎng)景下的通信性能, 于2018年1月18日在廈門港附近海域進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)海域平均水深約10 m, 發(fā)射換能器固定在船A上, 船A錨定, 接收換能器固定在船B上, 船B以3 kn的速度駛向船A, 用于模擬AUV移動(dòng)場(chǎng)景。發(fā)射換能器與接收換能器布放深度均為3 m, 試驗(yàn)開始前兩船相距約1.1 km。海試試驗(yàn)的參數(shù)如表1所示, 試驗(yàn)海域環(huán)境如圖3(a)所示, 試驗(yàn)時(shí)天氣晴朗, 風(fēng)速較大, 海流較為湍急, 聲速梯度曲線如圖3(b)所示, 在2.5~3.5 m間形成微弱正梯度。

表1 海試試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4給出了試驗(yàn)海域的信道時(shí)變沖激響應(yīng), 由圖中可以看出, 信道中存在顯著的多徑擴(kuò)展和時(shí)變特性, 且由于收發(fā)平臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了明顯的多普勒頻偏。此時(shí), 相鄰OFDM符號(hào)的同一子載波或同一OFDM符號(hào)相鄰子載波間的相位偏移起伏較大, 超出了DQPSK的檢測(cè)閾, 此時(shí)解調(diào)的誤碼率顯著增加, 僅采用時(shí)頻差分編碼方案已無(wú)法有效解決由收發(fā)平臺(tái)較大尺度移動(dòng)引起的多普勒問題。

文中采用互相關(guān)函數(shù)方法對(duì)水聲信道中存在的多普勒進(jìn)行估計(jì), 在較為復(fù)雜的多徑效應(yīng)和較大尺度相對(duì)運(yùn)動(dòng)的背景條件下實(shí)現(xiàn)了多普勒估計(jì)和補(bǔ)償。圖5(a)給出了多普勒頻偏的估計(jì)結(jié)果, 根據(jù)估計(jì)結(jié)果對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行變采樣率重采樣補(bǔ)償后, 解調(diào)得到的誤碼率結(jié)果如圖5(b)所示。由圖5(b)可以看出, 僅利用時(shí)頻差分編碼方案在較大尺度移動(dòng)背景下系統(tǒng)解調(diào)的原始誤碼率均很高, 大約在0.5左右, 屬于解調(diào)失敗。但經(jīng)過頻偏補(bǔ)償后, 解調(diào)誤碼率降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)至10–3, 11幀信號(hào)中的第2, 3, 7, 9和10幀信號(hào)信道編碼能夠完全糾正錯(cuò)誤解碼, 誤碼率降至0, 系統(tǒng)的通信性能得到顯著改善。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)移動(dòng)OFDM水聲通信中多普勒估計(jì)和補(bǔ)償問題, 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種面向AUV的低復(fù)雜度移動(dòng)OFDM水聲通信系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用時(shí)頻差分編碼方案、互相關(guān)函數(shù)方法進(jìn)行多普勒估計(jì), 并利用變采樣率重采樣進(jìn)行多普勒補(bǔ)償, 有效避免了傳統(tǒng)OFDM還需補(bǔ)償CFO的問題, 具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)。海試試驗(yàn)結(jié)果表明, 該系統(tǒng)可在淺海信道復(fù)雜多徑和一定多普勒影響的條件下正常工作, 實(shí)現(xiàn)了1.1 km通信距離、10-3誤碼率的移動(dòng)OFDM水聲通信。

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Design on Mobile OFDM Underwater Acoustic Communication System for an AUV

LI Bin1,2, ZHENG Si-yuan1,2, CAO Xiu-ling1,2, TONG Feng1,2

(1.Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology of Minister of Education, Xiamen University, Xiamen 361002, China; 2.College of Ocean & Earth Sciences, Xiamen University, Xiamen 361002, China)

For the serious effects of inter-carrier interference(ICI) and inter-symbol interference(ISI) caused by the multipath and Doppler shift on mobile orthogonal frequency division multiplexing(OFDM) underwater acoustic communication in underwater acoustic channel, the time-frequency differential coding, cross-correlation function and resample with variable sampling rate are adopted to resist the Doppler effect.Subsequently, a low-complexity mobile OFDM underwater acoustic communication system, which is easily implementable in engineering, is designed for an autonomous undersea vehicle(AUV).The communication system can avoid the residual Doppler compensation effectively, and it shows a certain degree of robustness to multipath channel.Sea trial results show that the system can work normally under shallow sea channel with complex multipath and certain Doppler effect, and realize mobile OFDM underwater acoustic communication.

autonomous undersea vehicle(AUV); mobile communication; orthogonal frequency division multiplexing(OFDM); time-frequency differential; Doppler estimation

U674.941; TN929.3

A

2096-3920(2018)06-0612-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.06.016

2018-11-07;

2018-12-01.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(11574258).

李 斌(1990-), 男, 在讀博士, 主要研究方向?yàn)樗曂ㄐ排c水聲信號(hào)處理.

李斌,鄭思遠(yuǎn),曹秀嶺,等.一種AUV移動(dòng)OFDM水聲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(5): 612-617.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)