楊逍宇，馬伯樂，周躍海，陳東升，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 361002；2. 廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361002；3. 中國人民解放軍 91937部隊，浙江 舟山 316000）

0 引言

由于水聲信道的可用頻率低、頻帶窄、多徑效應(yīng)、多普勒頻移、環(huán)境噪聲等原因，導(dǎo)致水聲信道呈現(xiàn)隨機時-空-頻變特性，嚴重影響海洋工程、海洋開發(fā)、國防安全等領(lǐng)域水下信息傳輸、感知體系中的水聲通信系統(tǒng)性能[1]，水聲信道因此也成為最具挑戰(zhàn)性的無線通信信道之一[2]。特別是，淺海水聲信道因其受到海面、海底及航運、施工等人為噪聲等因素的嚴重影響，對可靠、高效水聲通信造成極大限制。

近年來，隨著人工智能、深度學(xué)習(xí)技術(shù)在各領(lǐng)域研究、應(yīng)用的飛速發(fā)展，相關(guān)的人工智能算法圍繞著海洋環(huán)境的動態(tài)變化和水聲信道的時空頻變特性進行研究。MAHMUTOGLU[3]等提出了一種基于粒子群算法的水聲通信自適應(yīng)決策反饋均衡器，具有兼顧高通信性能和低復(fù)雜度的優(yōu)點；ZHANG[4]、JIANG[5]等針對 OFDM 系統(tǒng)，提出 2種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信道估計器，該方法在誤碼率和歸一化均方誤差方面有著顯著優(yōu)勢；童峰[6]等提出先利用支持向量機進行盲均衡器權(quán)系數(shù)初始化，然后再利用運算量較小的常數(shù)模算法，該算法在時變水聲信道條件下，相對于經(jīng)典向量機盲均衡算法性能有所提高。但是目前因水聲通信的復(fù)雜性以及數(shù)據(jù)樣本嚴重不足，至今仍未有普適性的水聲信道模型和水聲通信系統(tǒng)。

各類海洋浮標已大量應(yīng)用在海洋相關(guān)領(lǐng)域中，但至今大部分僅應(yīng)用于海洋環(huán)境參數(shù)、水文氣象等相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測[7]。面向長時水聲通信與數(shù)據(jù)采集的浮標尚不多見。

本文針對以上問題設(shè)計了一種面向長時水聲通信數(shù)據(jù)采集與評估的浮標，用于淺海水聲通信數(shù)據(jù)的長時間小尺度采集，介紹了其系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)，并于廈門港海域進行了為期 15 d的長時水聲通信海試實驗，實驗結(jié)果表明該浮標能夠進行長時間的水聲通信數(shù)據(jù)采集與性能評估。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的淺海水聲通信浮標系統(tǒng)可分為水聲通信模塊和浮標模塊。其中水聲通信模塊主要包含水聲通信機，浮標模塊主要包括北斗模塊、無線透傳模塊和傳感器等。淺海水聲通信浮標系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1，圖2給出了海上實驗的實物圖。

圖1 浮標結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖Fig. 1 Block diagram of buoy structure

圖2 淺海水聲通信浮標系統(tǒng)實物圖Fig. 2 Physical picture of shallow sea acoustic communication buoy system

圖中，浮標搭載的無線透傳模塊和北斗模塊均是進行數(shù)據(jù)的無線傳輸，前者主要是用于現(xiàn)場布放時方便調(diào)試，但無法遠距離傳輸，后者主要是用于遠程狀態(tài)顯示、遠程功能控制。

1.1 水聲通信模塊

本文水聲通信模塊采用實驗室自主研制的AMLink系列水聲通信MODEM，具有尺寸小、成本低、便于攜帶、功率可調(diào)等優(yōu)點[8]。浮標水聲通信系統(tǒng)硬件框架如圖3所示，軟件實現(xiàn)流程如圖4所示。

圖3 水下通信模塊框架圖Fig. 3 Block diagram of UAC MODEM

圖4 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程圖Fig. 4 Flowchart of system software implementation

浮標基于水聲 MODEM 處理器內(nèi)嵌定時器實現(xiàn)定時發(fā)射功能。發(fā)射端可以定時發(fā)送數(shù)據(jù)，以此保證能夠進行長時間的數(shù)據(jù)發(fā)送。接收端處于低功耗的監(jiān)聽模式，當信號經(jīng)過水聲信道由水聲換能器接收后，經(jīng)過水聲通信 MODEM 放大處理，上傳至核心處理單元，核心處理器通過AD模塊進行采集，在調(diào)試階段將進行解調(diào)、解碼處理，還原成發(fā)射的指令，最終通過RS232轉(zhuǎn)USB串口通信上傳上位機串口界面中，在工作模式下將寫入USB中，完成數(shù)據(jù)采集和存儲。

1.2 浮標模塊

浮標模塊主要包括浮標主體、北斗模塊、無線透傳模塊、傳感器等。

浮標主體是自主設(shè)計并制造，用于在海上懸浮。其搭載的傳感器可用于采集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，為水聲信道環(huán)境分析提供數(shù)據(jù)；無線透傳模塊，可將串口數(shù)據(jù)通過無線轉(zhuǎn)發(fā)到甲板上位機上；北斗模塊，用于無線傳輸數(shù)據(jù)，將水聲通信模塊和陸地岸機通過無線的方式相連，目前已實現(xiàn)短包信息傳輸，遠程狀態(tài)顯示。

2 海試實驗

本文所設(shè)計的淺海水聲通信浮標在福建省廈門市廈門港進行了海試實驗。圖5為廈門港地圖，平均水深 12 m。海試實驗中，發(fā)射和接收端換能器入水深度為5 m，兩端相距5 km。水聲通信系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1所示，采樣率為75 kHz，信號中心頻率為15.5 kHz，帶寬5 kHz，采用BPSK調(diào)制。信號幀結(jié)構(gòu)為同步、保護間隔和信號段 3個部分，如圖 6所示。同步頭由掃頻信號組成，保護間隔用于避免同步頭多徑對信號段的干擾，信號段由信息調(diào)整序列組成。信號發(fā)射間隔為4 h，實驗持續(xù) 15 d，進行長時水聲通信數(shù)據(jù)采集與性能評估分析。

表1 水聲通信系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of underwater acoustic communication system

圖5 廈門港地圖Fig. 5 Map of Xiamen Port

圖6 信號幀結(jié)構(gòu)Fig. 6 Frame structure of signal

3 實驗結(jié)果與分析

本文接收機采用CE-DFE結(jié)構(gòu)[9]對發(fā)射信號進行恢復(fù)，采用 NNCLMS[10]對廈門港浮標長時水聲通信實驗采集的數(shù)據(jù)進行信道估計。從圖 7中可以看出在觀測時間360 h中，信道的稀疏結(jié)構(gòu)保持基本穩(wěn)定，但是多徑的相關(guān)參數(shù)隨著觀測時間在不斷變化。

圖7 海試實驗信道響應(yīng)Fig. 7 Channel response of sea trial

結(jié)合觀測時間和信噪比（SNR）與原始誤比特率（BER）的關(guān)系圖圖8和圖9，隨著觀測時間的變化，信噪比在 25 dB的變化范圍內(nèi)顯著變化，原始誤比特率在 10–1和 10–2范圍浮動，但二者并沒有明顯的正相關(guān)或負相關(guān)關(guān)系。這是因為，在超過一定閾值信噪比的條件下，淺海水聲通信影響B(tài)ER的主要因素并非SNR，而是信道多徑結(jié)構(gòu)等其他因素的影響。

圖8 在觀測時間中SNR變化圖Fig. 8 SNR variation diagram over observation time

多徑峰值起伏是衡量信道多徑穩(wěn)定性的一個重要因素。從觀測時間與多徑峰值起伏關(guān)系圖圖10中，可以看到多徑峰值起伏隨著觀測時間的變化在一直變動。結(jié)合圖9和圖10進一步分析，可以看出在多徑峰值起伏變大時，即信道多徑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信道環(huán)境變差，其對應(yīng)的BER升高；而在時延多徑峰值起伏變小的時候，其對應(yīng)的BER降低。兩者存在一定的正相關(guān)關(guān)系。

圖9 在觀測時間中BER變化圖Fig. 9 BER variation diagram over observation time

圖10 在觀測時間中主徑峰值起伏變化圖Fig. 10 Variation diagram of main multipath time delay variance in observation time

圖11是海試實驗場地中一天的溫度場變化圖，從中可以看出，某天開始的5 h左右，海水表層開始逐漸升溫。根據(jù)射線聲學(xué)模型和Snell定律可知聲線將向下彎曲[11]，導(dǎo)致更多的聲損失，這將導(dǎo)致信噪比下降，誤碼率上升；隨著海水表面的持續(xù)升溫以及風(fēng)浪涌動等海水運動導(dǎo)致的海水混合，海水溫度趨于相同，導(dǎo)致信噪比上升和誤碼率下降；另外，海洋環(huán)境中表面風(fēng)速的增加會造成表層海水的劇烈運動，表層海水的上下起伏導(dǎo)致水聲信道多徑結(jié)構(gòu)在不斷變化；海水運動同時會產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡的空化效應(yīng)也將造成信噪比的下降和誤碼率的上升。

圖11 溫度剖面圖Fig. 11 Temperature profile

以上實驗結(jié)果與分析均可以看出水聲信道時變性對通信性能的影響。同時，實驗測試了北斗模塊短報文信息傳輸功能，實現(xiàn)遠程狀態(tài)顯示，測試了水聲通信模塊定時水聲通信和 USB數(shù)據(jù)儲存功能，驗證了面向長時水聲通信數(shù)據(jù)采集與評估的浮標可行性。

4 結(jié)束語

本文面向長時水聲通信數(shù)據(jù)采集與評估，設(shè)計并實現(xiàn)了一套淺海水聲通信浮標，浮標廈門港海試實驗數(shù)據(jù)表明，收發(fā)位置、溫度、風(fēng)速、海面海底地形等都會影響水聲信道的沖激響應(yīng)。因此對應(yīng)不同的海洋環(huán)境參數(shù)，會得到不同的信道沖激響應(yīng)，即可以將海洋環(huán)境參數(shù)作為特征值。將浮標得到的大量環(huán)境數(shù)據(jù)和對應(yīng)的信道沖激響應(yīng)，從而豐富水聲通信數(shù)據(jù)集，應(yīng)用于人工智能水聲通信研究。

淺海實驗表明，本文所設(shè)計的淺海水聲通信浮標可實現(xiàn)長時水聲通信數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)評估，并通過廈門港為期15 d的長時通信海試驗證了系統(tǒng)有效性。

下一步計劃進一步完善太陽能電池板供電方案，北斗定位以及遠程功能控制功能，實現(xiàn)長時間水聲數(shù)據(jù)傳輸與采集，構(gòu)建深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型，依托本文面向長時水聲通信數(shù)據(jù)采集與評估的淺海水聲通信浮標平臺，開展人工智能優(yōu)化水聲通信研究。