[发明专利]一种面向水声通信的非平稳几何随机信道建模方法

说明书

本发明公开了一种面向水声通信的非平稳几何随机信道建模方法，主要包括：用两组双簇模型分别描述海底和海面随机分布的散射体；随机生成散射体和收发端之间的角度、距离和功率参数；根据几何关系和随机分布得到收发端之间时变的距离和时延，由此建立收发端之间的信道冲激响应、传输函数、时间自相关函数和空间互相关函数并进行分析。本发明能够模拟浅海域水声信道中的强多径效应、时域非平稳性、频域非平稳性、宽带特性，丰富了水声非平稳信道建模的方法，信道统计特性的研究对浅海域水声通信系统设计与评估具有实用价值。

技术领域

本发明涉及信道建模的技术领域，特别是涉及一种面向水声通信的非平稳几何随机信道建模方法。

背景技术

信道建模技术是通信系统设计、优化、调整的研究基础，对无线通信系统的各个方面都具有非常重要的作用。传统的水声信道建模方法大多是基于水声波动方程的，这样计算得到的水声信道模型复杂度高。其他利用随机信道建模方法所建立的水声信道模型为了简化建模的环境，大多数是在宽平稳不相关假设下进行的信道建模，这违背了水声信道天然的非平稳特性，一些支持信道非平稳性变化的信道模型却没有考虑到海表面上散射体上下起伏的随机运动和粗糙的海表面反射所带来的能量的损失；近年来仅有几个考虑的因素相对而言较为完善的水声信道的建模方法，但是所有目前现存的基于几何的水声信道建模法都是在二维平面内的建模，这和水声信道的实际情况是有所违背的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向水声通信的非平稳几何随机信道建模方法，用以解决背景技术中提及的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种面向水声通信的非平稳几何随机信道建模方法，所述建模方法包括如下步骤：

步骤S1、通过两组双簇模型分别描述海底和海面随机分布的散射体，建立浅海域水声信道几何模型；

步骤S2、根据海洋声学领域的经验公式计算水声信道大尺度衰落；

步骤S3、随机生成散射体和收发端之间的角度距离参数和散射簇的功率参数；

步骤S4、根据几何关系和随机分布得到收发端之间时变的距离和时延；

步骤S5、建立收发端之间信道的冲激响应、传输函数、时间自相关函数和空间互相关函数。

进一步的，在所述浅海域水声信道几何模型中，随机分布在海底和海表面的每一个散射簇中的散射体均服从3D椭圆高斯分布。

进一步的，所述散射簇两两组合可以分为四类，分别对应海面散射簇到海面散射簇、海面散射簇到海底散射簇、海底散射簇到海面散射簇以及海底散射簇到海底散射簇这四种非直达径的情形，为后续表达方便，分别用SS、SB、BS、BB来表示这四种非直达径情形。

进一步的，在所述浅海域水声信道几何模型中，位于海面的散射簇还存在随着海表面上下起伏的随机运动，该随机运动使得海面散射簇在竖直方向产生了偏离平均高度的随机高度，并且该随机高度被建模为服从2D的高斯分布。

进一步的，在所述步骤S2中，所述的海洋声学领域的经验公式的表达式为：

TL＝10lgr+α(f)r×10^-3

公式中，α(f)表示吸收系数，单位dB/km，其自变量f的单位是kHz，r表示传播距离，单位为m。

进一步的，所述S3具体包括：

所述S301、根据典型测量参数设置给定时延以及传播损耗因子的数值，再根据功率的计算公式计算得到对应于每对散射簇的每条路径的功率损耗，其中所述的功率的计算公式的表达式为：