[发明专利]一种基于轨道角动量复用技术的水声通信方法及系统

说明书

本发明提供了一种基于轨道角动量复用技术的水声通信方法及系统，包括：向声源阵列中的每个阵元施加激励信号；在每个子信道内对所述激励信号进行调制，以获得每个子信道内携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号；对所述携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号进行信道复用，驱动声源阵列产生信道复用后的OAM螺旋声场；接收所述OAM螺旋声场信号，并对接收到的信号进行解复用处理，以获得每个独立OAM拓扑荷上加载的子信道信息；对解复用后的信息进行解调，获取所述原始数字基带信号。所述方法大幅提高了基于水下声波的通信传输的信道容量和传输速率。

技术领域

本申请涉及水声通信技术领域，尤其涉及一种基于轨道角动量复用技术的水声通信方法及系统。

背景技术

海洋拥有广阔的空间和大量的资源，同时海洋环境的变化又对人类的财产安全造成巨大的威胁，对于海洋资源的开发利用和海洋环境的监测预警离不开实时可靠的水下通信技术，然而由于电磁或光波在水中固有的高损耗特性，导致其难以像在空气中那样进行远距离高速通信，就目前已知的能量辐射形式而言，声波在水中的衰减较小，是水下无线通信的最佳载体。

但是，由于声波在水中的衰减与声波频率呈正相关，高频声波难以进行长距离传播，而低频声波由于其频带较低，导致通信容量难以提高，因此，为了同时兼顾长通信距离与高通信速率，借鉴电磁通信领域的研究方法，水声通信技术开始采用一些高级调制格式如多进制数字振幅调制(MASK)、多进制数字频率调制(MFSK)、多进制数字相位调制(MPSK)。由于水声远距通信固有的低频障碍，且其可利用的频段又十分有限，导致即使采用了高级调制格式，通信速率仍然远远不能达到要求，所以必须结合信道复用技术来提高信道容量，如目前正在研究的正交频分复用技术(OFDM)，但是，因为OFDM的发送信号是由许多相互正交子载波上的发送信号的叠加而成的，所以OFDM系统容易受到多普勒频偏的干扰，且由于长距水声通信所固有的低频窄带宽限制，导致可通信频段内OFDM可利用的子载波数量十分有限。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种基于轨道角动量复用技术的水声通信方法及系统，通过采用声波轨道角动量(OAM)的新型自由度，提供信息传输复用方式，并结合二进制振幅键控调制(OOK)的高级调制格式，大幅提高基于水下声波的通信传输的信道容量和传输速率。

本发明的第一方面提供了一种基于轨道角动量复用技术的水声通信方法，包括：向声源阵列中的每个阵元施加激励信号；在每个子信道内对所述激励信号进行调制，以获得每个子信道内携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号；对所述携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号进行信道复用，驱动声源阵列产生信道复用后的OAM螺旋声场；接收所述OAM螺旋声场信号，并对接收到的信号进行解复用处理，以获得每个独立OAM拓扑荷上加载的子信道信息；对解复用后的信息进行解调，获取所述原始数字基带信号。

进一步的，所述声源阵列具有n个独立可驱动的阵元，所述阵元分布于半径为一个声波波长的圆周上，其中n≥3。

进一步的，每个阵元所施加的激励信号为：

U_i(t)＝A·exp[i(2πft+lθ_i)]，

其中，A为声波振幅，l为拓扑荷数，为各阵元与参考阵元的顺时针夹角，n为声源阵列上独立可驱动的阵元数，i为顺时针顺序的阵元标号，其中i＝0,1,2,...,n-1，t为时间。

进一步的，所述每个子信道内携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号为：

U_i^s(t)＝S(t)·U_i(t)＝S(t)·A·exp[i(2πft+lθ_i)]，

其中，S(t)为基带数字信息。

进一步的，当复用的信道数量为R时，声源阵列的第i个阵元的阵元驱动信号为：