浅水时变多途水声信道建模制造技术

本发明专利技术公开了一种浅水时变多途水声信道建模方法，本发明专利技术采用理论分析结合试验验证的方法对水声信道进行建模，将水声信道衰落建模为大尺度衰落和小尺度衰落，即水声信道可以表示成多簇具有不同幅度、时延和相位的路径，大尺度衰落参数采用基于射线理论模型的BELLHOP软件计算得到，小尺度衰落参数中的幅度建模为莱斯分布，时延建模为AR(p)模型，相位建模为[0,2π]的均匀分布，多普勒建模为确定性多普勒和随机多普勒，该模型与实测信道吻合良好，该模型可以为水声通信接收机设计以及网络性能评估和优化配置等提供支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线信道建模领域，涉及一种浅水时变多途水声信道建模方法。
技术介绍
水声信道的复杂特性对水声通信系统以及水声通信网络的设计提出了很大的挑战。为了更好的设计水声接收机以及实现网络资源的优化配置，对抗水声信道引入的干扰，对水声信道特性的掌握十分必要。水声通信是一门非常注重试验的学科，而水声外场试验条件非常艰苦，经常要耗费大量的人力、物力和财力，而且具有不可重现性。因此如何能够建立一种能够模拟真实水声信道环境的信道模型，对于水声通信系统和网络的设计与性能评估等具有重要的研究意义。目前对水声信道建模主要从两个方面出发：一是通过理论分析给出信道不同物理参数的统计模型，如幅度、时延的分布特性，各个参数的时间、空间相关特性等，然后通过试验数据进行验证；二是通过分析实测数据得到的各个参数的统计模型，然后根据该结果对信道进行建模。水声信道非常复杂，引起水声信道结构和组成的因素非常多，通过理论分析去建模水声信道相当困难，但是仍然可以通过理论分析给出影响信道结构的主要因素。通过实测数据分析的结果进行信道建模，可以更接近实际的水声信道，但是具有很大的局限性。水声信道特性受时间、地理位置、声源/接收机位置、距离等非常多的因素的影响，且测试的结果也受到测试信号和信号处理方法的影响，比如有限带宽、有限时间/频率分辨率等，但是该方法仍然可以对信道建模起到一定的指导作用。参考文献1(B.Tomasi,G.Zappa,K.McCoy,P.Casari,andM.Zorzi.Experimentalstudyofthespace-timepropertiesofacousticchannelsforunderwatercommunications[C].inProc.IEEEOCEANSConference.Sydney,NSW,2010,pp:1-9)根据已知的试验地点的环境模型重复运行BELLHOP模型产生一系列信道冲激响应，然后根据该结果进行估计信道的统计特性，环境的变化如温度和盐度等考虑进该模型里，然而由于只考虑了部分环境参数，而没有考虑水面起伏等因素，导致仿真结果和实际测量结果存在差异。参考文献2(P.Qarabaqi,M.Stojanovic.StatisticalCharacterizationandComputationallyEfficientModelingofaClassofUnderwaterAcousticCommunicationChannels[J].IEEEJournalofOceanicEng.2013,38(4),pp:701-717)提出了一种水声信道建模方法，考虑了发射机/接收机的相对运动、水面风浪引起的运动以及漂浮等因素引起的多普勒频偏，并考虑了小尺度衰落模型，但是将小尺度衰落参数时延建模为AR(1)模型，拟合结果实验结果偏差较大。本申请采用理论分析结合实验的方法对浅水水声信道进行建模，建模结果与实验结果拟合较好。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种浅水时变多途水声信道建模方法，能够减少通过实验手段对通信算法进行性能评估带来的人力、物力和财力等的消耗，从而有效提高算法开发效率。实现本专利技术目的技术方案：步骤1：设置仿真环境参数，计算大尺度衰落参数αp,0和τp,0，αp,0为复幅度，其中仿真参数包括水域深度、发送和接收节点布放深度、发送和接收节点之间的距离，声速梯度分布、水底水面反射系数、发射换能器开角等，设置不同的仿真频率，运行BELLHOP计算得到不同频率下的传输函数H(f)，将H(f)进行反傅里叶变换，得到信道冲激响应，该结果为某一时刻的大尺度衰落参数；步骤2：设置小尺度衰落参数，设定散射路径数目Sp，各个散射路径幅度αp的方差时延τp的方差时延服从AR模型的阶数p，AR(p)模型的各个参数；步骤3：设置多普勒参数，设置确定性多普勒因子ap,0或者等价的匀速运动速度vp,0，设置随机多普勒因子ap,i的方差本专利技术具有的有益效果：本专利技术通过理论分析结合实验验证，建模了一种浅水时变多途水声信道模型，该模型可以很好的模拟浅水水声信道的多途效应、时变特性等，可以用于分析水声信道对信号引入的干扰，从而对水声通信和网络算法的性能进行评估及预测，并合理设计接收机算法以及网络性能优化，可以有效的减小通过外场实验验证带来的人力、物力、财力等的损耗，同时可用于大量的重复的仿真，解决外场实验中的不可重复性和不可重现性。附图说明图1为时变多途水声信道建模流程；图2为莲花湖试验位置图；图3为莲花湖声速梯度分布；图4为实测时变信道系统函数(a)冲激响应；(b)传输函数；(c)扩展函数；(d)双频函数；图5为各个路径增益的概率密度分布与莱斯分布拟合结果(a)第一条路径增益；(b)第二条路径增益；(c)第三条路径增益；(d)第四条路径增益；图6为信道冲激响应的时间相干系数(a)移除确定性多普勒之前的相干系数；(b)移除确定性多普勒之后的相干系数；图7为0～20s时间内，未移除确定性多普勒之前，p取不同值时，AR(p)数据拟合与实验数据对比结果(a)p＝1时的拟合结果；(b)p＝2时的拟合结果；(c)p＝4时的拟合结果；(d)p＝8时的拟合结果；具体实施方式下面结合具体实施例，进一步详细说明浅水时变多途水声信道建模方法及其有益效果。(1)基本模型常用的时变多途水声信道的时域表达式如下式所示：其中，信道h(τ,t)共P条路径，第p条路径复增益为αp(t)，时延为τp(t)。考虑存在多普勒的情况，假设不存在加速度，设第p条路径的多普勒因子为ap，则式(1)可以表示为其中，多普勒因子定义为ap＝vp/c，vp为第p条路径在水平方向的运动速度，且定义相向运动为正，相对运动为负，c为水中声速。由于散射作用，每条路径都扩展为一簇路径，设每簇路径中包含I条子路径，则式(2)可以重新表示为其中，αp,i(t)、τp,i(t)和ap,i(t)分别是第p簇路径中的第i条路径的复增益、时延和多普勒因子。这里，τp,i(t)指的是由信号传播引起的时延，总的路径的时延还包括多普勒引起的时延ap,i(t)t。信道冲激响应实际是一系列本征声线的叠加，由于散射作用，每条本征声线扩展为一簇路径，因此每簇路径可以表示为主路径和其散射路径的叠加，则路径复增益和时延可以重新表示为其中，αp,0和τp,0定义为大尺度衰落参数，为该簇路径中的较为平稳的路径参数，可以通过运行BELLHOP计算得到。δαp,i和δτp,i定义为小尺度衰落参数，该参数可以通过理论分析结合试验数据分析的方法获得。信道时延一方面是由于信号传播引起的，一方面是由于多普勒频偏引入的。同样的，考虑散射作用，多普勒频偏也可以表示其中，均值ap,0可以看做是确定性多普勒，δap,i可以看作是随机多普勒。假设确定性多普勒由匀速运动引起，引起匀速运动的主要原因包括收发端的主动运动和风浪引起的相对运动等，只考虑其中的匀速部分，而非均匀运动引起的多普勒归为随机多普勒中，引起非均匀的运动还包括内波、湍流等。因此，多普勒可以建模为确定性多普勒和随机多普勒两部分，确定性多普勒可以通过设置等价的相对运动速度计算得到，随机多普勒假设服从高斯分布。(2)大尺度衰落由于地理位置和声速的不确定性将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种浅水时变多途水声信道建模方法，其特征在于：步骤1：设置仿真环境参数，计算大尺度衰落参数αp,0和τp,0，αp,0为复幅度，其中仿真参数包括水域深度、发送和接收节点布放深度、发送和接收节点之间的距离，声速梯度分布、水底水面反射系数、发射换能器开角等，设置不同的仿真频率，运行BELLHOP计算得到不同频率下的传输函数H(f)，将H(f)进行反傅里叶变换，得到信道冲激响应，该结果为某一时刻的大尺度衰落参数；步骤2：设置小尺度衰落参数，设定散射路径数目Sp，各个散射路径幅度αp的方差时延τp的方差时延服从AR模型的阶数p，AR(p)模型的各个参数；步骤3：设置多普勒参数，设置确定性多普勒因子ap,0或者等价的匀速运动速度vp,0，设置随机多普勒因子ap,i的方差。

【技术特征摘要】
1.一种浅水时变多途水声信道建模方法，其特征在于：步骤1：设置仿真环境参数，计算大尺度衰落参数αp,0和τp,0，αp,0为复幅度，其中仿真参数包括水域深度、发送和接收节点布放深度、发送和接收节点之间的距离，声速梯度分布、水底水面反射系数、发射换能器开角等，设置不同的仿真频率，运行BELLHOP计算得到不同频率下的传输函数H(f)，将H(f)进行反傅里叶变换，得到信道冲激响应，该结果为某一时刻的大尺度衰落参数；步骤2：设置小尺度衰落参数，设定散射路径数目Sp，各个散射路径幅度αp的方差时延τp的方差时延服从AR模型的阶数p，AR(p)模型的各个参数；步骤3：设置多普勒参数，设置确定性多普勒因子ap,0或者等价的匀速运动速度vp,0，设置随机多普勒因子ap,i的方差。2.根据权利要求1步骤1中所描述的大尺度衰落参数计算方法，其特征在于：在短时间内认为大尺度衰落参数不变，根据环境参数，运行基于射线声学理论的BELLHOP软件计算得到某一时刻的大尺度衰落参数，随着时间的推移，环境参数比如收发节点距离、水域深度等发生变化，重新根据新的环境参数计算新的大尺度衰落参数，从而得到一系列随时间变化的大尺度衰落的信道冲激响应。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹艳玲，张宇，沈维政，
申请(专利权)人：东北农业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23