一種AUV移動OFDM水聲通信系統設計

李 斌, 鄭思遠, 曹秀嶺, 童 峰

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一種AUV移動OFDM水聲通信系統設計

李 斌1,2, 鄭思遠1,2, 曹秀嶺1,2, 童 峰1,2

1.廈門大學 水聲通信與海洋信息技術教育部重點試驗室, 福建 廈門, 361002; 2.廈門大學 海洋與地球學院, 福建 廈門, 361002)

針對水聲信道多徑效應和多普勒頻偏對移動正交頻分復用(OFDM)水聲通信產生的嚴重載波間干擾(ICI)和碼間干擾(ISI), 采用時頻差分編碼方案, 互相關函數方法進行多普勒估計, 變采樣率重采樣進行多普勒補償, 設計并實現了一種面向自主式水下航行器(AUV)的、易于工程實現的低復雜度移動OFDM水聲通信系統。該系統能夠有效避免殘余多普勒補償的問題, 同時對多徑信道表現出一定程度的穩健性。海試結果表明, 該系統可在淺海信道復雜多徑和一定多普勒影響的條件下正常工作, 實現了移動OFDM水聲通信。

自主式水下航行器; 移動通信; 正交頻分復用; 時頻差分; 多普勒估計

0 引言

隨著海洋資源開發利用的深入, 自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)作為探查和利用海洋的重要載體, 因其安全性、靈活性及功耗低等優點, 被廣泛應用于海底地形地貌勘探、海洋資源勘測、海底管網鋪設與維護、水聲網絡動態通信中繼及水下情報搜集等領域[1-3]。水聲通信技術在掌握AUV在水下的活動情況以及將AUV攜帶的各種傳感器數據實時上傳給水面控制母船中扮演著至關重要的角色, 然而由于AUV實時移動的特性, 導致其所對應的水聲信道具有高動態的多徑和多普勒雙重擴展特征, 嚴重影響了AUV和母船之間的實時信息交互。

正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)具有較高的數據傳輸效率、頻譜利用率以及較強的抗多徑能力, 能夠有效抵抗碼間干擾(inter-symbol interference, ISI), 近年來成為AUV水聲通信的研究熱點[4-5]。然而, 與傳統的單載波通信系統相比, OFDM通信系統對多普勒頻偏和相位噪聲更加敏感, 且AUV在水下的姿態傾角實時變化, 航速受流的影響起伏不定[6], 產生的多普勒偏移和相位噪聲會嚴重破壞OFDM子載波的正交性, 使其在水聲通信中的應用受到信道時變性和多普勒頻偏的限制[7-8]。因此, 想要達到穩定的通信性能, 必須要對水聲信道中廣泛存在的多徑和多普勒進行實時跟蹤和補償?？蒲泄ぷ髡邔Υ瞬扇×艘幌盗械拇胧? 王巍等[9]利用頻域變采樣的方法實現了多普勒的快速補償, 并結合編碼反饋校驗技術對系統的多普勒變化進行實時跟蹤測量。馮成旭等[10]改進了基于冗余循環前綴OFDM頻域均衡算法, 引入多級緩沖和判決反饋機制, 實現了對水聲信道中多徑效應的有效抑制。普湛清等[11]提出基于時頻聯合搜索的多普勒跟蹤與快速補償算法, 實現了對無人水下航行器平臺時變多普勒的實時跟蹤與快速補償。然而由于水聲信道的強時變及多普勒頻移特性, 信道的精準估計往往十分困難, 上述信道估計與均衡算法性能可能受到參數設置、信噪比及算法收斂性等因素的嚴重影響。

差分編碼因其強抗干擾能力、復雜度低及信道適應性好等優點被廣泛用于水聲通信中。在單載波系統中, 差分編碼通常僅在時域上進行, 而對于多載波的OFDM系統而言, 差分編碼既可在時域上進行, 也可在頻域上進行。Hass等[12]的研究表明, 在多徑效應嚴重的信道中, 時域差分編碼效果更優; 在多普勒頻移嚴重的信道中, 頻域差分編碼效果更為顯著。而在實際水聲信道中, 多徑效應和多普勒頻偏往往同時存在, 即存在非一致性的多普勒, 因此考慮在時域及頻域上進行雙重差分調制解調, 即時頻差分OFDM方案[13], 該方案系統復雜度低, 適合于硬件設計實現, 因此成為研究的熱點[14-16]。時頻差分編碼系統的載波利用率僅為50%, 這會導致系統傳輸效率下降。但相較傳統的抗多徑及多普勒算法而言, 在滿足數據傳輸速率的前提下, 時頻差分編碼方案仍不失為一個較好的選擇。

文中針對移動OFDM水聲通信中多普勒估計和補償問題, 設計并實現了一種面向AUV的、易于工程實現的低負載移動OFDM水聲通信系統, 該系統采用時頻差分編碼方案, 互相關函數方法進行多普勒估計, 并利用變采樣率重采樣進行多普勒補償。海試結果表明, 該系統可在淺海信道復雜多徑和一定多普勒影響的條件下正常工作, 實現移動OFDM水聲通信。

1 系統原理介紹

1.1 時頻差分OFDM

時頻差分算法利用相鄰符號及相鄰子載波之間的相位差或幅值差進行檢測, 通過時域和頻域上的差分計算即可有效抑制信道變化的影響。此外, OFDM調制技術能夠有效對抗多徑效應的影響, 且較單載波系統而言具有較高的頻帶利用率, 故文中采用時頻差分OFDM水聲通信方案, 設計并實現了一種面向AUV的移動水聲通信系統, 系統實現框圖如圖1所示。

圖1中, 系統的實現流程如下: 1) 信源端輸入信號, 將輸入信號轉成二進制數據格式, 并進行信道編碼, 其中包括卷積編碼和等差交織編碼; 2) 通過串并轉換將編碼后的串行數據轉換為低比特并行數據流, 然后利用四相相對相移鍵控(differential quadrature reference phase shift keying, DQPSK)方式進行時頻差分編碼, 將時域信號轉換成頻域信號; 3) 對差分編碼后的信號進行傅里葉逆變換(inverse fast Fourier transform, IFFT)運算, 將頻域信號還原成時域信號并添加循環前綴; 4) 對通過并串轉換后的數據進行添加同步幀操作, 同步幀采用對多普勒頻偏不敏感的線性調頻(linear frequency modulation, LFM)信號; 5) 將添加同步后的信號經數模轉換、功率放大后發射至水聲信道中, 經信道傳輸后, 在接收端對接收信號進行同步檢測, 然后進行與發射端相反的解調過程, 最終得到輸出信號數據。

假設在OFDM系統中, 第個OFDM符號第個子載波上差分調制前的數據信息

差分調制后的數據信息

則第+1個子載波可表示為

故經過差分調制后相鄰OFDM符號上相同位置子載波相位存在以下關系

而同一個OFDM符號上相鄰子載波相位則存在以下關系

假設接收端接收到的第個OFDM符號第個子載波的數據信息為

第個OFDM符號第+1個子載波表示為

分別提取第個子載波中第個和與之相鄰的前一個OFDM符號的相位信息, 由式(4)和式(6)經差分解調, 可得

分別提取第+1個子載波中第個和與之相鄰的前一個OFDM符號的相位信息, 由式(5)和式(7)差分解調, 可得

利用第+1個子載波得到的相位信息對第個子載波的相位信息進行修正, 可得

1.2 多普勒估計與補償

OFDM系統利用多載波調制方式, 對頻率的偏移十分敏感。多普勒頻偏不僅會破壞各子載波間的正交性, 還會導致信號伸縮, 各子載波輸出幅值減少, 從而引起強烈的ISI。尤其對于面向AUV的移動水聲通信場景, 若想獲得穩健的通信性能, 多普勒的估計和補償至關重要。

文中采用互相關函數方法對水聲信道中存在的多普勒進行估計。將本地多普勒估計信號人為添加不同的多普勒頻偏, 分別與接收到的多普勒估計信號做相關運算, 找出相關性最強位置對應的多普勒頻偏, 即為估計的多普勒頻偏值, 算法的實現框圖如圖2所示。

在利用互相關函數方法估計得到多普勒頻偏后, 常規的多普勒補償方案是利用插值或抽取的方式[19-20]對接收信號進行重采樣, 再對接收數據進行殘余多普勒補償, 此時各子載波的殘余多普勒可近似為載波頻偏(carrier frequency offset, CFO)。文中直接利用變采樣率重采樣的方式進行多普勒補償, 從而避免了傳統OFDM還需進行CFO補償的問題。

2 海試試驗驗證

2.1 試驗參數設置

為驗證文中提出的面向AUV的移動水聲通信系統在移動場景下的通信性能, 于2018年1月18日在廈門港附近海域進行了試驗。試驗海域平均水深約10 m, 發射換能器固定在船A上, 船A錨定, 接收換能器固定在船B上, 船B以3 kn的速度駛向船A, 用于模擬AUV移動場景。發射換能器與接收換能器布放深度均為3 m, 試驗開始前兩船相距約1.1 km。海試試驗的參數如表1所示, 試驗海域環境如圖3(a)所示, 試驗時天氣晴朗, 風速較大, 海流較為湍急, 聲速梯度曲線如圖3(b)所示, 在2.5~3.5 m間形成微弱正梯度。

表1 海試試驗參數設置

2.2 試驗結果與分析

圖4給出了試驗海域的信道時變沖激響應, 由圖中可以看出, 信道中存在顯著的多徑擴展和時變特性, 且由于收發平臺的相對運動產生了明顯的多普勒頻偏。此時, 相鄰OFDM符號的同一子載波或同一OFDM符號相鄰子載波間的相位偏移起伏較大, 超出了DQPSK的檢測閾, 此時解調的誤碼率顯著增加, 僅采用時頻差分編碼方案已無法有效解決由收發平臺較大尺度移動引起的多普勒問題。

文中采用互相關函數方法對水聲信道中存在的多普勒進行估計, 在較為復雜的多徑效應和較大尺度相對運動的背景條件下實現了多普勒估計和補償。圖5(a)給出了多普勒頻偏的估計結果, 根據估計結果對接收信號進行變采樣率重采樣補償后, 解調得到的誤碼率結果如圖5(b)所示。由圖5(b)可以看出, 僅利用時頻差分編碼方案在較大尺度移動背景下系統解調的原始誤碼率均很高, 大約在0.5左右, 屬于解調失敗。但經過頻偏補償后, 解調誤碼率降低了2個數量級至10–3, 11幀信號中的第2, 3, 7, 9和10幀信號信道編碼能夠完全糾正錯誤解碼, 誤碼率降至0, 系統的通信性能得到顯著改善。

3 結束語

文中針對移動OFDM水聲通信中多普勒估計和補償問題, 設計并實現了一種面向AUV的低復雜度移動OFDM水聲通信系統, 該系統采用時頻差分編碼方案、互相關函數方法進行多普勒估計, 并利用變采樣率重采樣進行多普勒補償, 有效避免了傳統OFDM還需補償CFO的問題, 具有實現簡單、復雜度低等優點。海試試驗結果表明, 該系統可在淺海信道復雜多徑和一定多普勒影響的條件下正常工作, 實現了1.1 km通信距離、10-3誤碼率的移動OFDM水聲通信。

[1] Alaaeldeen M E A, 段文洋.自主水下航行器發展概述[J].船舶力學, 2016, 20(6): 768-787.Alaaeldeen M E A, Duan Wen-yang.Overview on the Development of Autonomous Underwater Vehicles(AUVs) [J].Journal of Ship Mechanics, 2016, 20(6): 768-787.

[2] Paull L, Saeedi S, Seto M, et al.AUV Navigation and Localization: A Review[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2014, 39(1): 131-149.

[3] Blidberg D R.The Development of Autonomous Underwater Vehicles(AUV); A Brief Summary[J].IEEE Icra, 2001, 17(5): 209-212.

[4] Bereketli A, Tumcakir M, Yazgi I, et al.Connectivity Analysis of an AUV Network with OFDM Based Communications[C]//2017 IEEE Underwater Technology.Busan: IEEE, 2017.

[5] Yang Z, Huang J, Han J, et al.System on High-Speed Underwater Acoustic Communication with Multi-carrier [C]//2008 9th International Conference on Signal Processing.Beijing: IEEE, 2008.

[6] Lionel L, Bruno J.Robust Nonlinear Path-Following Control of an AUV[J].Journal of Oceanic Engineering, 2008, 33(2): 89-102.

[7] Pollet T, Van Bladel M, Moeneclaey M.BER Sensitivity of OFDM Systems to Carrier Frequency Offset and Wiener Phase Noise[J].IEEE Transactions on Communications, 1995, 43(234): 191-193.

[8] Zhang Y, Liu H.MIMO-OFDM Systems in the Presence of Phase Noise and Doubly Selective Fading[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2007, 56(4): 2277- 2285.

[9] 王巍, 尹艷玲, 劉凇佐, 等.基于頻域變采樣的OFDM水聲移動通信多普勒補償算法[J].聲學技術, 2013, 32(1): 54-58.Wang Wei, Yin Yan-ling, Liu Song-zuo, et al.Doppler Compensation of Using Frequency Domain Resampling in Underwater Acoustic Mobile OFDM Communication[J].Technical Acoustics, 2013, 32(1): 54-58.

[10] 馮成旭, 許江湖, 羅亞松.消除冗余循環前綴的水聲信道OFDM頻域均衡算法[J].哈爾濱工程大學學報, 2014, 35(4): 482-487.Feng Cheng-xu, Xu Jiang-hu, Luo Ya-song.Frequency- domain Equalization Algorithm to Eliminate Redundant Circular Prefix for OFDM Underwater Acoustic Communications[J].Journal of Harbin Engineering University, 2014, 35(4): 482-487.

[11] 普湛清, 王巍, 張揚帆, 等.UUV平臺OFDM水聲通信時變多普勒跟蹤與補償算法[J].儀器儀表學報, 2017, 38(7): 1634-1644.Pu Zhan-qing, Wang Wei, Zhang Yang-fan, et al.Time- variant Doppler Tracking and Compensation in Under- water Acoustic OFDM Communication for UUV Platform[J].Chinese Journal of Scientific Instrument, 2017, 38(7): 1634-1644.

[12] Haas E, Kaiser S.Two-dimensional Differential Demodulation for OFDM[J].IEEE Transactions on Communications, 2003, 51(4): 580-586.

[13] Haas E, Kaiser S.Analysis of Two-dimensional Differential Demodulation for OFDM[C]//Global Telecommunications Conference.San Francisco: IEEE, 2000.

[14] Gong M, Ji Y, Han H, et al.Two-dimensional Differential Demodulation for 64-DAPSK Modulated OFDM Signals [C]//2010 7th IEEE Consumer Communications and Networking Conference.Las Vegas: IEEE, 2010.

[15] Gong M, Han H, Zhang C, et al.A Low Complexity Two dimensional Differential Demodulation for OFDM Systems[J].AEU-International Journal of Electronics and Communications, 2011, 65(11): 893-900.

[16] 周躍海, 江偉華, 陳磊, 等.采用時反和時頻差分OFDM的水聲語音通信方法[J].應用聲學, 2015, 34(4): 283-290.Zhou Yue-hai, Jiang Wei-hua, Chen Lei, et al.Underwater Acoustic Speech Communication Using Time Reversal and Time-frequency Differential OFDM Methods[J].Applied Acoustics, 2015, 34(4): 283-290.

[17] Song A, Badiey M, Mcdonald V K, et al.Time Reversal Receivers for High Data Rate Acoustic Multiple-Input– Multiple-Output Communication[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2013, 36(4): 525-538.

[18] Yao T, Zhao W, Zhang Q, et al.Estimation of Doppler- Shift Based on Correlation-Peak Waveform[C]//Interna- tional Conference on Communications, Circuits and Systems.Kokura: IEEE, 2007: 99-102.

[19] 張翔.水聲通信中多普勒頻移補償的仿真研究[J].系統仿真學報, 2005, 17(5): 1172-1174.Zhang Xiang.Simulation Research on Doppler Compensation for Underwater Acoustic Communications[J].Jour- nal of System Simulation, 2005, 17(5): 1172-1174.

[20] Sharif B S, Neasham J, Hinton O R, et al.Doppler Compensation for Underwater Acoustic Communications[C]// Oceans’99.MTS/IEEE.Riding the Crest into the 21st Century.Conference and Exhibition.Conference Proceedings.Seattle: IEEE, 1999.

Design on Mobile OFDM Underwater Acoustic Communication System for an AUV

LI Bin1,2, ZHENG Si-yuan1,2, CAO Xiu-ling1,2, TONG Feng1,2

(1.Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology of Minister of Education, Xiamen University, Xiamen 361002, China; 2.College of Ocean & Earth Sciences, Xiamen University, Xiamen 361002, China)

For the serious effects of inter-carrier interference(ICI) and inter-symbol interference(ISI) caused by the multipath and Doppler shift on mobile orthogonal frequency division multiplexing(OFDM) underwater acoustic communication in underwater acoustic channel, the time-frequency differential coding, cross-correlation function and resample with variable sampling rate are adopted to resist the Doppler effect.Subsequently, a low-complexity mobile OFDM underwater acoustic communication system, which is easily implementable in engineering, is designed for an autonomous undersea vehicle(AUV).The communication system can avoid the residual Doppler compensation effectively, and it shows a certain degree of robustness to multipath channel.Sea trial results show that the system can work normally under shallow sea channel with complex multipath and certain Doppler effect, and realize mobile OFDM underwater acoustic communication.

autonomous undersea vehicle(AUV); mobile communication; orthogonal frequency division multiplexing(OFDM); time-frequency differential; Doppler estimation

U674.941; TN929.3

A

2096-3920(2018)06-0612-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.06.016

2018-11-07;

2018-12-01.

國家自然科學基金項目資助(11574258).

李 斌(1990-), 男, 在讀博士, 主要研究方向為水聲通信與水聲信號處理.

李斌,鄭思遠,曹秀嶺,等.一種AUV移動OFDM水聲通信系統設計[J].水下無人系統學報, 2018, 26(5): 612-617.

(責任編輯: 陳 曦)