一種淺海信道自適應(yīng)調(diào)制水聲通信方案

邱逸凡，李 爽，童 峰

(1. 廈門大學(xué) 水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點實驗室，福建 廈門 361005；2. 廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361005)

0 引 言

水聲通信已成為軍民領(lǐng)域水下信息獲取、傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。水聲信道特別是淺海信道惡劣條件表現(xiàn)在信道的復(fù)雜性、隨機多變性和有限帶寬，海水邊界、海洋動力因素、時空變化和噪聲等都會對信號的傳輸產(chǎn)生一定的影響。因此，單一通信體制往往不足以應(yīng)對不同水文環(huán)境、不同時刻、不同頻點的信道衰落狀況，很難滿足高質(zhì)量的通信需求。自適應(yīng)調(diào)制是指通過改變發(fā)射端的發(fā)送功率、波特率，星座圖的大小、編碼方案、碼率等，來提高通信系統(tǒng)的吞吐量的一種技術(shù)。作為一種能根據(jù)信道狀態(tài)信息來快速切換調(diào)制方式的一種通信方式成為了水聲通信研究的重點之一[1]。

目前，自適應(yīng)調(diào)制在水聲通信中多應(yīng)用于OFDM的調(diào)制參數(shù)自適應(yīng)。文獻[2]提出了一種OFDM自適應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在特定目標誤碼率的約束下將吞吐量最大化。在該系統(tǒng)中，使用預(yù)測的信道來確定不同OFDM子載波的最佳調(diào)制電平和功率大小，并提供了實時海上實驗的結(jié)果。文獻[3]介紹了一種基于有限傳輸模式的OFDM自適應(yīng)調(diào)制編碼系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用信道估計后的有效信噪比作為模式切換的指標，并用仿真和實驗結(jié)果予以證明。

國內(nèi)方面，李軒等[4]基于OFDM，從典型水聲信道環(huán)境出發(fā)，針對不同的子載波調(diào)制方式，以及確知和非確知信道狀態(tài)信息情況下，采用平均譜效率進行衡量，對自適應(yīng)調(diào)制的性能進行了理論分析和仿真。羅亞松等[5]分析了估計的信道長度對獲得信道狀態(tài)信息的影響，并提出了一種新的自適應(yīng)調(diào)制算法，通過試驗證明其可以顯著提升水聲系統(tǒng)的誤碼率性能。陳偉林、吳雨珊等[6-7]先后將無線通信中的自適應(yīng)調(diào)制算法引入到OFDM水聲通信中，提出了相關(guān)的自適應(yīng)資源分配算法，并得到了硬件平臺實現(xiàn)。但信道預(yù)測方面的工作仍存在不足。

為解決信道預(yù)測和信道狀態(tài)信息的快速反饋問題，強化學(xué)習(xí)算法被引入到自適應(yīng)中。Aijun Song等[8]提出了一種基于Dyna-Q算法的水聲自適應(yīng)調(diào)制方案，該算法能預(yù)測未來信道變化和吞吐量，并根據(jù)從接收機返回的信道狀態(tài)選擇調(diào)制順序來達到吞吐量最大化。Wei Su等[9]提出了一種以感知消息的服務(wù)質(zhì)量要求、先前傳輸質(zhì)量和能量消耗為根據(jù)，基于強化學(xué)習(xí)的自適應(yīng)調(diào)制編碼方案，與基準方案相比能提高吞吐量、降低信噪比和能量消耗。相關(guān)方面研究也將成為今后自適應(yīng)調(diào)制方面的一大方向。

針對OFDM自適應(yīng)調(diào)制方案對多普勒極其敏感，在低信噪比下工作效果不佳?？紤]到當信道條件較差時的通信應(yīng)用，本文引入水聲通信中其他常用的幾種調(diào)制方式：DSSS，QPSK，MFSK。通過獲取接收端反饋得到的信噪比、多徑數(shù)、多普勒頻偏判斷信道狀態(tài)適合傳輸?shù)耐ㄐ胖剖?。在信道不適合OFDM信號傳輸時，采用其他制式，有效保證傳輸質(zhì)量。

1 水聲通信自適應(yīng)調(diào)制模型

1.1 系統(tǒng)模型

圖1給出了水聲通信自適應(yīng)調(diào)制模型[10]，首先在發(fā)射端發(fā)射信號在接收端進行解調(diào)，解調(diào)端在對信號進行同步檢測后，獲取到相關(guān)的信道狀態(tài)信息，包含信噪比、多徑、多普勒。其次將信道狀態(tài)信息反饋到優(yōu)化選擇機制，優(yōu)化選擇機制根據(jù)信道狀態(tài)信息找到各個調(diào)制方式的對應(yīng)區(qū)間，從而選擇相應(yīng)的調(diào)制方式進行信號發(fā)射。最后解調(diào)端持續(xù)反饋CSI，以適應(yīng)信道的變化，從而進行制式切換，選擇最優(yōu)通信制式來達到誤碼率和傳輸速度的綜合要求。

圖1 水聲通信自適應(yīng)調(diào)制模型Fig. 1 Adaptive modulation model for underwater acoustic communication

1.2 信道狀態(tài)信息和自適應(yīng)區(qū)間

所謂自適應(yīng)調(diào)制，即是根據(jù)反饋的信道狀態(tài)信息選擇當前最優(yōu)的調(diào)制方式，從而在保證誤碼率的情況下實現(xiàn)等效數(shù)據(jù)率的最大化。信道狀態(tài)信息的準確選擇就尤為重要。多途傳播、多普勒效應(yīng)、傳播損失和噪聲是水聲信道的幾個基本特性[11]，因此信噪比、多徑、多普勒頻偏是影響信號傳輸?shù)淖罨镜娜亍?/p>

本文將信噪比、多徑、多普勒頻偏作為信道變量進行仿真，通過改變信道狀態(tài)，觀察4種調(diào)制方式（4FSK，8FSK同屬MFSK，故歸為一種）在不同信噪比情況下的誤碼率曲線，從而給出自適應(yīng)區(qū)間。

選定誤碼率區(qū)間為[-10:30]dB；多徑設(shè)置單徑和雙徑，單徑下第1徑增益0.76 dB，雙徑下第1徑增益0.76 dB，第2徑增益0.37 dB，第2徑延時10 ms；多普勒設(shè)置2 Hz，6 Hz，10 Hz和14 Hz[12-13]。對4種調(diào)制方式分別進行仿真，評估誤碼率曲線在不同信道狀態(tài)下的變化，如圖2所示。

以誤碼率在0.1以下作為可接受的范圍，對誤碼率曲線進行劃分。結(jié)合4種調(diào)制方式的特點并綜合考慮誤碼率和傳輸數(shù)率，給出優(yōu)先級選擇如下：QPSK>OFDM>8FSK>4FSK>DSSS。根據(jù)上述標準，給出對應(yīng)的自適應(yīng)區(qū)間。

2 海試實驗和分析

2.1 實驗設(shè)置

海試實驗數(shù)據(jù)獲取地點為廈門五緣灣海域，實驗海域水深8 m，收發(fā)機距離為1 km，布放深度為5 m。換能器帶寬為13～18 kHz，中心頻率15.5 kHz。實驗采用本文自適應(yīng)調(diào)制方案和用于對比的固定制式，包含4種制式的6種調(diào)制參數(shù)組合（固定制式5種，自適應(yīng)調(diào)制1種）發(fā)射數(shù)據(jù)。

為了體現(xiàn)信道隨機變化，在一天的不同時間段進行水聲通信數(shù)據(jù)采集，圖3為實驗過程中不同時間的信道響應(yīng)圖?？梢钥闯鰧嶒炦^程中的多徑數(shù)最多達到兩徑，且兩徑時延間隔較短，在2 ms左右。

2.2 實驗結(jié)果分析

6種調(diào)制組合經(jīng)上述實驗過程得到的各自30個數(shù)據(jù)包，經(jīng)解調(diào)后的成功傳輸比特數(shù)和誤碼率如圖4所示?？梢钥闯?，在自適應(yīng)調(diào)制模式下成功傳輸比特數(shù)高于其他單一固定制式且呈不斷增長的趨勢，而誤碼率始終保持在0.1以下，保證了傳輸?shù)挠行浴?/p>

圖2 4種調(diào)制方式在不同信道狀態(tài)下的誤碼率變化曲線Fig. 2 Variation curves of bit error rate of 4 modulation modes under different channel states

接下來給出實測數(shù)據(jù)的誤碼率和等效數(shù)據(jù)率提升對比表，等效數(shù)據(jù)率的具體定義如下：

為進一步體現(xiàn)失效狀態(tài)下的各個制式的對比，僅記錄最后一次成功傳輸之后的比特數(shù)和傳輸時間，來計算相應(yīng)的等效數(shù)據(jù)率。

為了更加直觀的體現(xiàn)自適應(yīng)的優(yōu)勢，進行誤碼率和等效數(shù)據(jù)率等性能數(shù)據(jù)的對比，如表2和表3所示。由表2可知，采用自適應(yīng)調(diào)制方式的在信道狀況較差時，誤碼率仍保持在0.02以下，相較于其他制式，誤碼率下降比例達到了85%以上。由表3可知，因每種調(diào)制方式傳輸失效時的時間段不同，故對比的自適應(yīng)等效數(shù)據(jù)率不同。但相比固定制式，等效數(shù)據(jù)率都有著很大的提升。進而可得到結(jié)論:本文自適應(yīng)調(diào)制方案相較于固定單一調(diào)制在信道環(huán)境變差時仍能維持優(yōu)越的性能。

表1 綜合自適應(yīng)區(qū)間Tab. 1 Comprehensive adaptive interval

圖3 不同時間的信道響應(yīng)圖Fig. 3 Channel response diagram

圖4 成功傳輸比特數(shù)、誤碼率曲線圖Fig. 4 Curve of the number of bits successfully transmitted and bit error rate

3 結(jié) 語

本文提出一種水聲通信自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)方案，結(jié)合水聲信道特點反饋信道狀態(tài)信息采用信噪比、多徑數(shù)和多普勒頻偏三要素，并分析了三要素對不同信號傳輸?shù)挠绊?，?種制式：OFDM，DSSS，QPSK，MFSK在不同信道適應(yīng)狀況進行仿真，給出誤碼率曲線圖，并結(jié)合誤碼率曲線進一步給出自適應(yīng)調(diào)制區(qū)間。淺海信道海試實驗數(shù)據(jù)表明，該自適應(yīng)調(diào)制在信道狀況變差時，相比于單一固定調(diào)制方案具有更好的性能表現(xiàn)，能在降低誤碼率的前提下，有效提升等效數(shù)據(jù)率。

表2 實測數(shù)據(jù)自適應(yīng)誤碼率提升對比Tab. 2 Comparison of adaptive bit error rate improvement of measured data

表3 自適應(yīng)等效數(shù)據(jù)率提升對比Tab. 3 Comparison of adaptive equivalent data rate improvement