[发明专利]一种时变水声信道容量仿真模型

说明书

技术领域

本发明涉及水声通信领域，尤其涉及一种时变水声信道容量仿真模型。

背景技术

随着海洋开发大战略的实施以及海上军事行动的实际需要,利用水下声信道进行信息传输的需求大大增加。水声通信的目的在于高速、可靠地将信源信息经过水声信道传输到信宿，其中水声信道容量作为一个非常重要的衡量水声信道状况的因素，具有很大的研究意义和价值。目前，计算水声信道容量主要包括实地测量和计算机仿真建模两种方法。

实地测量是获得时变水声信道容量的最直接、最可靠的方式。通过对信道容量进行实时的测量可以最真实的反映某水声信道的信息传输能力，并且可以得到信道的随机性和时变性信息，且数据有极大的参考价值。但实验成本高，而且费时费力。

而利用计算机仿真可以更方便、灵活地来描述信道的一些重要特征，而且不必花费大量的时间和资金来进行现场测量。能够在一定程度上节约湖试和海试的成本，并缩短水声通信设备的研制周期。通过信道建模我们可以从数学和物理等更深的层次来研究和理解道中决定信息传输能力的主要因素，获得的一些结论在进行信道性能仿真研究、水声传输系统的设计、实际测量等方面都有重要的指导意义。

水声信道建模作为水声领域中重要且薄弱的环节，也是计算机和通信中的热门研究领域。针对时变的、随机的、复杂的水声信道环境建立准确的信道模型，是设计水声通信系统和评估系统性能好坏的重要因素。根据水声信道的特点，水声信道可以建立以下几类模型：

一、静态的水声传播模型

对于实际海洋信道，往往按其物理和几何特征分成几种特殊类型来讨论，以求得波动方程的近似解；不同的解的形式形成了不同的声场模型，一般常用的声场模型有以下五种：射线理论模型、简正波模型、多途扩展模型、快速场模型、抛物线方程(PE)模型。

二、动态的随机统计的水声信道模型

实际上，水声信道是非常复杂和多变的，如海洋由于随机界面波动，不均匀的介质，以及海水温度微结构，内波，浮游生物和气泡等引起的散射效应，使得声信道随时间变化。这些不确定性只能用统计的方法来描述。

随着人们对水声信道容量的研究，实地测量和传统的水声信道容量仿真模型虽然都比较简单方便，但都存在着或多或少的缺点和不足。

一、实地测量：

实地测量虽然直接、可靠，但成品高，费时费力。而且特定的实验条件下，某些参数固定不便于调整，对分析研究信道性能造成了一定的障碍。其中水声信号的缓慢变化是十分重要的，但在外海条件下很难进行现场实验。

二、信道建模：

虽然建模方便灵活、便于研究，但要想获得完全符合实际应用环境的水下通信信道的解析模型在目前是不可能的，我们只能在假设一些理想条件的前提下，针对水声信道影响信号传输和接收的主要干扰因素加以考虑，建一个半经验的模型。对于目前的水声信道容量模型，分别存在以下不足：

1、传统的静态水声传播模型：

经典的水声传播模型是一种静态模型，是对实际水声信道的简化，没有涉及水声信道的时变特性。在应对一些随机的、时变的、不确定的环境因素下存在一定的忽视，从而导致计算得到的信道容量不准确。

静态的水声传播模型处理问题的能力都比较有限。如射线理论和水平分层的简正波理论只能计算水平不变的问题，而抛物线方程理论及耦合简正波理论可以处理水平变化的二维声传播问题。而且不同的水声传播模型都有着各自的缺点：

(1)经典射线模型：

虽然描述声场物理图像清晰，便于分析理解。但焦散线上能量无限大及存在声影区，而且射线理论不考虑传输中声能的衰减，也未考虑到随机信道的变化。

(2)经典简正波模型：

虽然精度较高，但是计算量大，不适合处理高频深海问题。而且本征方程的求解是难以解决的问题，绝大多数海洋环境中只能通过数值近似方法求解。因此，简正波模型在实际工程应用中受到限制，目前国内外学者正致力于研究快速精确的声场模型。

(3)耦合简正波模型

对于非水平分层介质问题，对海底地形、声速、密度等海洋环境参数变化剧烈的传播问题只能用耦合简正波方法，但其计算量非常巨大，对于实际应用是不可取的。

2、统计的水声信道容量模型：