洪小平

图1 水下无人集群间的水声定位通信一体化应用场景图

研究问题及研究内容：
【问题一】时变多普勒特性：声信号在水下传播过程中，收发平台间的相对运动、水流的运动形成多普勒效应，且由于水下声速较低，使得多普勒效应不仅表现为信号频率的变化，还表现为信号的脉宽变化，对通信系统的设计提出了挑战。水声信号在传输过程中，会经过水面及水底反射到达接收端，且不同的路径具有不同的多普勒，进一步恶化通信系统的性能。因此，设计通信系统时，首先要考虑多普勒的估计与补偿，针对该问题，研究的内容包括：
（1）时变多普勒信道的建模及接收信号的生成；
（2）基于OFDM信号的时变多普勒估计；
（3）基于直扩信号的时变多普勒估计；
（4）基于脉冲对的多普勒估计。
【问题二】复杂多途下的单载波均衡：单载波作为最早引入水声通信的相干通信技术，用于解决非相干通信速率低的问题，已广泛应用于水下通信系统的设计。在参与设计的单载波通信系统，当信道多途结构较为简单，多途扩展较小时，系统性能较为稳定，能够达到预期的设计效果；当信道多途结构较为复杂，多途扩展较大，特别是信道呈现簇状，第1簇信道结构较为清晰，第2簇由于水下的强漫反射使得信道抽头特别密集且能量很高，此时常用的时域均衡技术性能将极具恶化，使得单载波技术难以应用于该类信道结构。针对该问题，研究内容包括：
（1）频域单载波均衡算法研究；
（2）多通道时域均衡算法研究；
（3）复杂多途信道估计与建模。
【问题三】基于MT-FSK的非相干通信：目前在设计通信系统时，大部分采用的是低速率的FH-MFSK跳频通信和高速率的SC-BPSK单载波通信两种体制，以应对不用的信道条件。单载波通信适用于信道结构较为简单的水声信道，而跳频通信几乎是恶劣水文条件下的最佳选择，但是其通信速率低使其应用受限。在水下通信系统设计，一种常用的应用需求是短时间内发送10字节左右的短报文，以传递位置、心跳或者指令等状态信息，来建立水下周期通信，维持水下无人集群链路。在该场景下，通信成功率要求并不高，理想的方案是采用高速率的非相干通信，以解决相干通信对信道的敏感性，并兼顾一定的通信速率。针对该问题，开展基于MT-FSK的非相干通信研究，研究内容包括：
（1）MT-FSK在该场景下的可行性分析；
（2）MT-FSK的低复杂度发射机设计及峰均比抑制；
（3）MT-FSK的信号设计及符号映射；
（4）MT-FSK的低复杂度接收算法设计。
【问题四】高可靠性水声指令通信：在某些应用场景，水声通信对发送数据率并不高，而是追求极高稳健性传输，以实现应急指令传输。针对水下应急指令通信需求，开展高可靠性指令通信研究，主要关注强干扰、高噪声、运动平台下的指令信号设计，实现低信噪比、复杂时变多途信道下的水声通信。重点研究内容包括：
（1）低信噪比下的信号检测技术；
（2）低速率高可靠性指令通信体制研究；
（3）强干扰下的通信性能分析；
（4）低复杂度指令通信系统设计的可行性分析。
【问题五】低复杂度模块化通信算法设计：通信系统在设计的最后一步是考虑平台实现问题，在硬件平台实现通信算法，需要考虑的因素包括：1、算法的复杂度；2、内存的占用情况与调度；3、算法的模块化。以跳频通信系统为例，通信算法的实现包括以下模块：1、信源编译码；2、CRC校验及其解校验；3、信道编译码；4、比特交织及解交织；5、符号映射及解映射；6、信号调制及解调；7、信号帧结构设计；8、信号检测；9、信道估计及多普勒估计。针对上述问题，重点研究内容包括：
（1）低复杂度低内存的软解调译码器设计；
（2）稳健低复杂度信号检测算法设计；
（3）低复杂度多普勒估计与补偿算法设计；
（4）低复杂度信号调制及解调算法设计。