[发明专利]一种高精度水声通信信道建模方法

说明书

本发明公开了一种高精度水声通信信道建模方法，分析海面起伏对多路径时延和多普勒的影响，并在PARASTOO的时变信道模型中考虑此影响，从而优化其时变信道模型，在不增加计算量的情况下实现高精度水声通信信道建模。并用WAFO模型模拟海面起伏验证了该方法可行性。本发明第一步构建信道大尺度变化模型，用一阶AR过程模拟声源和接收机的随机运动；第二步根据仿真环境要求用bellhop模型或者镜像模型计算多路径时延和衰减信息；第三步根据海面起伏数据，用一种近似模型来分析海面起伏对多路径时延和多普勒的影响；第四步分析小尺度散射模型，将每条路径散射为多条子路径，分析子路径的时延和多普勒影响；第五步分析收发平台运动的多普勒影响；第六步将多径耦合，并考虑海面起伏的影响，构造时变信道冲击响应。

技术领域

本发明涉及声学领域，具体涉及水声通信信道建模技术，主要是一种高精度水声通信信 道建模方法。

背景技术

在构建水声通信系统时，如通信信号的波形、带宽和功率等诸多因素的分析设计需要考 虑水声信道的影响。所以高精度的水声信道模型对通信系统构建至关重要。BELLHOP是一 种分析波导声压场的模型。该模型应用十分广泛，其在设定海洋环境下，应用射线理论分析 信道函数、传播损失等，但此模型未考虑实际海洋环境参数的时变特性。近年来，时变信道 仿真模型的关注度越来越高。PORTER等提出了一种基于BELLHOP的时变信道估计方法， 该方法通过跟踪多个相关波束来分析时变信道对发射信号的影响，但该算法计算量巨大。 PARASTOO提出了一种水声通信信道统计建模方法，其将实际环境参数的不确实性分类为两 种，分别是大尺度效应和小尺度效应，并用AR过程建模。该方法构建了时变水声信道模型， 并减小了计算量。海面起伏是造成信道时变的一个重要因素，但由于海面起伏变化周期很短， 若反复调用BELLHOP模型来模拟海面变化，将大幅度增加计算量，所以PARASTOO的方 法分析过程中未考虑海面起伏模型，只设定一个起伏速度用于分析多普勒，未考虑起伏高度 对时延等的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种高精度水声通信信道建模方法, 可以模拟海洋时变信道，在PARASTOO的时变信道模型中分析考虑海面起伏对多路径时延 和多普勒的影响，优化其时变信道模型，在不增加计算量的情况下实现高精度水声通信信道 建模。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种高精度水声通信信道建模方法，包含 如下步骤：

(1)构建信道大尺度变化模型，用一阶AR过程模拟声源和接收机的随机运动。

收发平台距离失配是造成大尺度变化的主要原因之一。大尺度变化的影响反应在各路径 传播距离和时延。路径长度的变化为Δl_p随机变化。时延的改变量由Δl_p决定。 路径增益h_p用l_p表示为

其中a₀为信号中心频率处的吸收系数。实际分析过程中用一阶AR过程模拟声源和接收机的 大尺度变化。

(2)根据仿真环境要求用bellhop模型或者镜像模型计算多路径时延和衰减信息。

等声速环境用镜像模型来分析多路径时延和衰减信息，声速随深度变化时用bellhop模型 来分析。

(3)根据海面起伏数据，用近似模型来分析海面起伏对多路径时延和多普勒的影响。

图1中长虚线表示BELLHOP模型或镜像模型计算的平整海面环境下某条海面反射路径， 随着时间变化，海面起伏，此路径长度发生变化，改变量为Δ，可用下面表达式近似，

Δ(u,t)≈h(u,t)cos(θ) (3)