水陆声电联合通信组网技术研究

论文摘要

随着人们对海洋资源的进一步研究和利用,水声通信越来越受到人们的重视。现有大部分研究着重于如何提高水声信道带宽的利用率以及降低误码率,较少关注实时性。而事实上,在海洋地震监测,海洋军事等应用中,水声通信系统对实时性的要求都非常高。如何去减少通信时延,提高水声通信的实时性也应当成为水声通信领域的研究重点。目前,陆上无线通信技术直接应用到水声信道存在诸多的问题,如:水声信道时延大、水声换能器能量受限、信道带宽窄,多径效应严重、码间干扰突出等。本文围绕水声信道延时大的弊端开展研究,对于实时性要求高的系统来说,水声通信较长的传输时延是个不可忽略的因素。超声在水中传输平均传输速度为1500m/s,而电磁波在空中的传输速度为3×108m/s,这意味着在远距离水声通信中传输信令的时间开销也不可以忽略不计。可以得知,陆上的无线通信协议并不完全使用于水声通信当中。因此,水声通信中如何去寻找可用的信道并且有效保证通信的实时性,成为了亟需解决的问题。为此,对于特定的实时性要求高的应用场合,结合水声信道的特殊性,本文提出了一种水陆声电联合通信的通信组网方法,针对水声延迟大的特点,通过频谱预测寻找多个可用的信道,并进行多信道的数据并行传输。本文的主要工作和创新点如下:1.水声信道的环境特殊,进行水声信道建模时需要考虑的因素包括信道的带宽、传输时延、多径效应、多普勒效应、起伏效应、传输衰减等。本文对几种经典的水声信道模型进行了研究和分析。2.详细分析了认知无线电中有关频谱检测和频谱预测的算法研究,重点对3个经典的预测模型:马尔科夫链模型、ON-OFF模型、POMDP模型进行了研究。由于马尔科夫链预测模型具有更低的预测错误率,因而本文针对水声信道时延大,信道预测错误率较高的特点,采用了该频谱预测算法。MATLAB仿真结果显示该模型比ON-OFF模型的预测错误率更低。3.针对水声信道传输时延大,实时响应较慢的特点,本文提出一种声电联合通信的通信方法,利用认知无线电中的马尔科夫链算法寻找可用信道,在所得有用信道中采用多信道组合并行发送数据,并联合通信浮标实现水声通信。本文给出了该方法的实现方法和工作流程并利用MATLAB软件对其性能做了仿真,结果显示该方法能大大减少退避碰撞时延,提高了通信的实时性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水声通信网的研究背景和意义
• 1.3 水声通信的国内外发展概况
• 1.4 论文研究的主要内容和工作安排
• 第二章 水声通信的特性研究
• 2.1 概述
• 2.2 水声信道特性
• 2.2.1 海洋的声速和声传播损失
• 2.2.2 海洋环境噪声
• 2.2.3 严重的多普勒效应
• 2.2.4 水声信道中的多径效应
• 2.3 水声信道模型
• 2.3.1 射线理论模型
• 2.3.2 简正波模型
• 2.3.3 多路径展开模型
• 2.3.4 快速声场模型
• 2.3.5 抛物线方程模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 频谱感知和频谱预测
• 3.1 概述
• 3.2 认识无线电的频谱感知技术
• 3.2.1 能量检测法
• 3.2.2 匹配滤波器法
• 3.2.3 循环平稳特征检测
• 3.2.4 合作检测
• 3.3 频谱感知面临的困难
• 3.4 认知无线电的频谱预测
• 3.4.1 ON-OFF 模型
• 3.4.2 马尔科夫链模型
• 3.4.3 POMDP 模型
• 3.5 基于Markov 模型的水声信道频谱预测
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于多信道的声电联合通信组网方法
• 4.1 概述
• 4.2 传统通信方法应用于水声通信的难处
• 4.3 基于水陆声电联合通信的通信模型
• 4.3.1 水声通信系统的应用场景模型
• 4.3.2 预测可用信道的方法和步骤
• 4.3.3 系统通信的方法和步骤
• 4.4 模型的仿真与分析
• 4.4.1 单信道下的通信时延对比分析
• 4.4.2 多信道并行传输与单信道传输的通信时延对比分析
• 4.4.3 信道负载不同时的通信时延对比分析
• 4.4.4 多信道并行传输与单信道传输的吞吐量对比
• 4.5 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间所取得的研究成果
• 致谢
• 附件