学号：22021110314   姓名：李诗瑶

【嵌牛导读】：二十一世纪是信息化时代，各种新的通信方法和技术日新月异，通信系统的应用涵盖了人类生活的方方面面。海洋是人类生存发展的重要基础，水声通信技术在海洋资源开发利用的过程中发挥着重要作用。近些年来，水下通信技术成为了海洋科技中的研究热点之一。

【嵌牛鼻子】：通信方法 扩频 水声通信

【嵌牛提问】：什么是水下通信技术？海洋水下通信的信道复杂在哪里？

【嵌牛正文】：

 第一章       绪论

二十一世纪是信息化时代，各种新的通信方法和技术日新月异，通信系统的应用涵盖了人类生活的方方面面。海洋是人类生存发展的重要基础，水声通信技术在海洋资源开发利用的过程中发挥着重要作用。近些年来，水下通信技术成为了海洋科技中的研究热点之一。

然而进行水声通信的信道极为复杂，海水介质对高频分量衰减严重，低频段又存在很大的噪声干扰，因此水声通信的带宽十分有限。此外，水声信道混响强、多普勒、多径效应严重，并具有时变、空变、频变特性。因此对于水声通信的研究将比无线通信困难得多。提升水声扩频通信技术的抗干扰能力，降低水声通信误码率，对于海洋资源开发、海洋灾害预测、海洋生态保护等多个领域有着重要意义。

扩频通信技术抗干扰能力强、隐蔽性好，能够在较低的信噪比下实现信息的可靠传输，在水声信道下有着稳定而可靠的表现。扩频技术有效提升了水声通信系统的抗干扰能力,对于研究水声通信具有重要的意义。扩频通信现已广泛的应用于水声通信领域，在水声通信系统中通常用于传输指令、命令等关键信息。

第二章       水声通信概述

二十一世纪是信息化时代，各种新的通信方法和技术日新月异，通信系统的应用涵盖了人类生活的方方面面。中共十九大提出“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”的建设目标，鼓励广大学者建设海洋开发平台，这一切都离不开水声通信技术的发展。

由于水声信道复杂多变，误码率成为了衡量水声通信技术的首要指标之一。因为扩频通信技术具有很强的抗干扰能力，现已广泛的应用于水声通信领域，在水声通信系统中通常用于传输指令、命令等关键信息，但由于水声信道可用频带窄，扩频通信技术在水声通信中的的抗干扰能力相当有限[1-2]。

提到早期的水声通信技术，就不得不提到“Gertrude”，这是一种由美国海军开发的水下电话系绀[3]。现如今依然能在很多的水声通信应用中见到“Gertrude”的身影，例如著名的美国深潜器“阿尔文号”[4]。水声通信技术最初采用的是模拟通信，并逐步发展到如今的数字通信[5]。20世纪80年代，水声通信开始采用频移键控(FSK)调制技术，并在深海垂直通信中采用相干通信[6]。美国Datasonic公司生产的ATM850是第一代水声调制解调器(Modem)，ATM850采用了非相干通信并与跳频技术相结合[7]。到了20世纪90年代，科研人员开始采用自适应均衡器来克服多途信道的影响。20世纪90年代后期，高性能的非相干水声通信设备出现，例如美国Benthos公司开发的遥控声呐系统[8]。

水声信道相较于无线通信信道具有很明显的特殊性，水声信道是一个噪声严重、带宽窄、多途效应严重的信道，同时又是一个时变、空变、频变的信道。水声通信技术的进步和对水声信道的研究是分不开的。

伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)的科研人员对水声信道的衰落模型和统计特性进行了分析[9]。研究认为背景噪声虽然常被表征为高斯噪声，但实际上噪声不是白噪声，而是具有衰减的功率谱密度。研究表明水声通信的带宽与通信距离有关，并且尽管总的可用带宽很低，但是在相对于中心频率的意义上，声通信系统本质上是宽带的，带宽也是和中心频率有关的函数。

TC Yang教授的团队对浅海信道特性进行了研究，分析了在各种条件下采集的浅海数据以说明海洋环境，如海面波和随机海洋介质对信号特性的影响。所研究的信道特性包括幅度和相位的变化、各个路径的时间相干性以及不同时间尺度下多路径的时问和空间相干性[10]。

水声信道研究不断深入：从深水信道到浅水信道，从冷水信道到温水信道。文献[11]研究了一种更具挑战性的信道，沿海地区的声信道。海浪带中的浅滩表面重力波导致了以强烈、快速波动为特征的时变信道冲激响应。同时该区域的水声信道易出现聚焦和焦散现象，这种现象对相位相干水声通信系统的可靠性提出了挑战。实验人员利用实验数据和采集数据过程中测量的表面波剖面传播模型研究了导致聚焦的原理，并证明了聚焦现象和高强度快速波动脉冲对算法估计精度的影响。

以上对于水声信道的研究对于未来水声通信的深入发展都有着重要的意义。近些年来国内相关科研机构院所也展开了对水声通信技术的研究并取得了一定的成果。中科院声学所设计并实现了一个水下实时数字语音通信系统，该系统能够实现6km和11km上的高质量通信。西北工业大学进行了OFDM水声通信湖试实验，在5km水平距离上的传输速率为9kbps。厦门大学的水声通信系统在通信距离10km内能够可靠接收数字图像[12-13]。2016年5月24日，哈尔滨工程大学水声学院乔钢教授所在的507团队发明了水下多用户、全双工水声通信方法，设计了具有全双工通信能力的水声通信机。该通信机属国际首创，同时攻克了过去水声通信中一直存在的收发无法同时工作这一难题，并实现了5km上的双向同步数据传输。

第三章       扩频技术优势

扩频通信技术是由海蒂·拉玛(Hedy Lamarr)提出的一项信息通信技术，最初主要应用于军用通信，相比于传统的水声通信方式，扩频通信具有很多无可比拟的优点，这使得扩频技术在军用和民用领域都有广泛的应用空间。

首先，扩频通信系统具有很强的抗干扰能力，有用信号的功率会被分散到很宽的频带内，甚至在干扰信号的功率比有用信号的功率还要高时，扩频信号仍能不受干扰的进行传输。

其次，扩频通信具有高隐蔽性、低截获概率，扩频信号很容易淹没在噪声中并难以被发现，也不易被敌方截获，军事应用潜力巨大。

最后，扩频通信易于实现码分多址，通过分配给不同用户不同的伪随机序列，众多用户就可以使用同一频率通信且互不干扰。

1950年前后，扩频技术开始发展，然而直到九十年代，国外才有了将扩频技术应用在水声通信中的研究报告。1994年加拿大的 T. C. Austin 基于扩频通信技术开发了一种超短基线水下声学跟踪系统，该系统具有良好的抗干扰性和更高的分辨率，显著提升了水下跟踪系统的性能[14]。

1997年法国的G.Loubet和V. Capellano在地中海相距20Km、信噪比为-14dB的水声信道中进行了水声扩频通信实验，结果完成了通信速率为7bit/s，误码率为0.2%的水声通信试验。该实验验证了水声扩频通信优良的抗噪声性能[15]。

2001 年中国科学院声学研究所的陈岩、张建兰等人在密云水库相距6Km、信噪比低于0dB的水声信道中完成了误码率为10-3的水声扩频实验。实验使用分集技术在发送数据前，由发送端发送同步信号供接收端求得信道响应函数，并在发送过程中对响应函数进行修正，结果对多径效应完成了多径合并，降低了通信误码率[16]。

2007 年哈尔滨工程大学的王蕾提出了M元分组扩频水声通信，该方法将与发送数据对应的扩频码叠加后并行传输，在接收端对接收信号进行相关解扩，通过仿真验证表明该方法成倍的提高了通信速率[17]。

由以上实验确实可以看出，扩频技术大大提升了水声通信技术的抗干扰能力，降低水声通信误码率，对于海洋资源开发、海洋灾害预测、海洋生态保护等多个领域有着重要意义。但是相比于无线扩频通信的不断发展，水声扩频通信技术的发展是远远落后的。

第四章      扩频技术应用于水声通信

4.1扩频技术介绍

4.1.1传统直接序列扩频研究现状

直接序列扩频可以简称为直扩，直扩技术已经在军用通信中应用了半个多世纪，主要是用于对抗外来强干扰和信息保密。在商用领域，基于扩频理论的CDMA移动通信已经成为各种移动通信体制的主流。直扩技术不仅是在通信中有着广阔的应用空间，在雷达、导航、遥控、测量等领域都可以采用直接序列扩频方式。美国的全球定位系统(GPS)采用了扩频体制进行导航授时，定位精度较高[18]。

在20世纪70年代初，我国正式开始将扩频技术作为一类重点项目进行研究，我国的军用扩频测控网采用了直接序列扩频技术，该测控网服务于具有特殊保护要求的军用航天器，负责军用航天器状态监测、测量和控制管理任务，以保障军用航天器的正常运行。

针对直扩信号的研究主要集中在两个方面：信号的检测和参数的估计。近些年来对于这两方面的研究都取得了一定的进展，具体来说：直扩信号的检测方法主要有：

1．能量检测法，这种方法最早由H．urkowitz在20世纪60年代提出，利用的是信号加噪声的能量大于噪声能量的理论以及通信信号能够长时间侦听接收的特点；

2．载波检测法，目前常用的有平方倍频法、循环谱检测法和高阶谱法；

3．率线检测法。

至于在直扩信 号参数估计方面，现有的伪噪声码速率估计方法有：幂律包络检测、预滤波延迟相乘(PFDM)法、周期谱估计法等。

伪噪声码周期是直扩信号的另一个重要参数，常用估计方法为：倒谱法、二次功率谱法、参数隐周期特征分析法(PHcFA)、基于四阶累计量2-D切片方法和小波分析法等。

4.1.2 多载波扩频研究现状

多载波系统通过串并变换(S/P)把数据流分解成若干低速信息比特流，再用形成的低速数据去调制各自相应的子载波，从而形成多个并行发送的低速率符号。此时的数据传输速率较低，码元周期加长，相对于码元周期来说，时延扩展较小，从而能较容易的避免符号间串扰和多径干扰。同时CDMA技术已经成为第三代移动通信的主流技术，CDMA技术具有无可争辩的竞争力。但是CDMA的容量受到多址干扰和频率选择性衰落引入的干扰的限制。因此自然考虑将上述两种技术结合以兼具二者优点，自1993年开始，陆续出现了结合多载波和CDMA方法的讨论，多载波扩频通信技术逐步得到发展。多载波扩频通信既能抵抗多径效应引起的符号间干扰，又继承了CDMA用户容量高的优点。

实验人员在挪威奥斯陆峡湾附近水域进行了水下通信实验，比较了直接序列扩频水声通信系统和多载波扩频水声通信系统的性能。信道为时变水声衰落信道，实验采用的中心频率为14kHz，带宽7kHz。第一种方案是直接序列扩频，扩频码片长度为7，能够在单个载波上实现1000bps的数据速率。第二种方案是多载波扩频，子带个数为7。直扩接收机在符号解扩前在码片上进行均衡，而多载波扩频则具有联合多频带均衡和解扩的特征。直扩系统对于快速变化的信道具有最佳的跟踪潜力，而多载波扩频则在缓慢变化的信道中具备最佳性能[19]。

4.1.3 伪随机序列研究现状

对伪随机序列理论与应用的研究可分为三个阶段：(1)1948年以前的纯数学理论研究阶段；(2)1948．1969年的线性序列研究阶段；(3)1969年至今的非线性生成器研究阶段。

最典型的线性二进制序列就是m序列，m序列也是目前序列研究中理论最完备、应用最广泛的一种伪随机序列。m序列具有理想的自相关性，经m序列扩频的信号可以在接收端通过相关器解调出来。1967年，美国学者Gold R基于m序列提出了另一种常用线性序列，即Gold序列。Gold序列具有理想的三值互相关特性且数量远超m序列。1969年，学者Massey发表文章“移位寄存器综合与BCH译码”，伪随机序列的究开始转变为构造非线性序列生成器[20]。非线性序列的代表是Bent序列，它由美国学者Olsen J D、Scholtz R A和Welch L R最早提出，并由No J s等人推广到一般情形[21]。Bent序列这一非线性序列具有平衡性好、复杂度高等优点。此外GMW序列和NO序列也都是具有良好实用价值的非线性序列。

混沌序列拥有着良好的保密性和序列长度选择的任意性，因此混沌序列可以应用在对保密性要求较高的水声通信中。文献[22]研究了混沌序列水声扩频通信系统，并设计了一种基于双状态空间自适应滤波方案以便同时估计接收到的混沌信号和相关符号状态。

4.2扩频技术在水声通信中的发展

因为水声通信速率低，导致扩频技术在水声通信中发展受限。在此背景下，众多学者对直接扩频技术提出改进显著的提升了水声扩频通信的通信速率。2006年西北工业大学的韩晶，黄建国等提出了一种正交M-ary/DS扩频技术，该技术结合并行M-ary扩频和正交直接扩频技术(Direct Sequence Spread Spectrum，DS)，在距离25Km信噪比0dB时，采用长度为127的Gold序列对480个符号进行传输实验，通信速率为220.5bit/s。该方法与使用相同扩频码的直接扩频相比，带宽利用率与通信速率得到显著提升[23]。

2008年西北工业大学的何成兵、黄建国等提出循环移位扩频水声通信技术，该方法在发射端根据待发送信息对扩频码进行循环移位编码。实验在距离15Km通信带宽为2KHz时，通信速率达到438bit/s，误码率为10-2。实验结果表明该方法具有复杂度低、带宽利用率高、适合多用户通信等优点[24]。

2012年哈尔滨工程大学的殷敬伟、张晓等提出了差分相干解调法的DS/BDPSK水声通信技术。该方法先对待发送信息进行扩频，然后对扩频后的序列进行差分编码，最后对其进行载波调制，通过实验结果表明，该方法与 BPSK 调制法相比，DS/BDPSK调制法有更强的抗多普勒性能，且该方法在抗多径、抗干扰方面有很好的表现[25]。

2012年哈尔滨工程大学的于洋、周锋等提出了正交双通道码元移位键控扩频水声通信技术，该方法利用正交码元构建多通道，且利用码元相位传输信息。实现了在104bit数据量，4KHz带宽条件下，通信速率为580.6bps误码率为10-4量级的有效通信[26]。

2017 年哈尔滨工程大学的何秀梅提出MIMO扩频水声通信技术，该方法结合MIMO技术有效提高了传统扩频通信技术的频带利用率。通过水池实验验证，在频带 为 10KHz-14KHz，载波频率为12KHz，扩频码选用长度为128的正交组合序列时，通信速率为531.25bps[27]。

2017 年许昌学院的于洋、张柯等提出M元CDMA水声扩频通信技术，该方法通过M元多通道技术提高了传统扩频通信技术的通信速率，通过仿真表明该方法与传统CDMA通信技术相比，在通信速率和抗干扰方面有很大提升，对水声组网有很大的参考价值[28]。

2018年厦门理工学院的伊锦旺提出Chip-BOK(binary orthogonal keying)扩频水声通信技术，该方法利用线性调频(chip)信号良好的抗干扰性能和抗多径特性，使用二进 制正交键控对其进行调制。通过仿真表明该方法在多径信道中有着良好的表现[29]。

2018 年哈尔滨工程大学的吕曜辉提出基于混沌正交组合序列的 M 元码分多址水声通信技术，该方法采用了3584 条正交混沌序列，完成了7个水下节点的组网通信，每个用户间的传输速率为70bit/s[30]。

综上所述，水声扩频通信主要用于实现稳健的水下通信。

第五章      总结

总的来说，水声扩频通信具有以下优点：

1、抗干扰能力强。水声扩频通信系统具有较强的抗干扰能力，在信号信噪比很低时，扩频信号仍能不受干扰的进行传输。即便采用同类型的信号进行干扰，因为不能准确得到伪随机序列的码型，干扰也很难起到太大的作用。

2、保密性好。由于不同路信号或不同用户的信号采用不同的伪随机序列扩展频谱，接收方只有知道扩频序列的正确形式才能恢复出原始信息数据。因此扩频通信技术可靠性高，保密性好。

4、抗多径干扰性能好。水声扩频通信系统中包含扩频调制和解扩的过程，这将有效地从多径信号中分离出最强的有用信号，或将多径信号中码序列相同的信号叠加，这样能够有效消除无线通信中由于多径干扰造成的信号衰落。

5、易于实现码分多址。利用不同伪随机序列之间的自相关和互相关特性，分配给不同用户不同的伪随机序列，就可以区分开不同用户的信号，就可以实现码分多址通信。

同时水声扩频系统也存在一定的缺点：

1、系统占用带宽较宽。

2、采用扩频技术的CDMA多址方式在通信系统实现上较为复杂。

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