Page 57 - 应用声学2019年第4期

第 38 卷 第 4 期 张友文等： 近程高速水声毫米波通信仿真与试验验证 517

technology. The super-Nyquist transmission technology and high-order modulation bring great challenges to
the receiver as follows: (1) super-Nyquist transmission technology introduces severe inter-symbol interference
(ISI), (2) symbol detection of high-order modulation systems requires high accuracy of channel estimation. In
order to address the above problems, an iterative channel estimation is proposed for a soft feedback based
DFE. Simulation results show that the proposed receiver can achieve an error-free transmission at 15 dB under
the condition of more serious multi-path fading channel when 128QAM high-order modulation is adopted.
The pool test also demonstrates that the net data rate of 900 kbps can be achieved under the condition of
slow motion of the transmitting platform when the communication bandwidth is 300 kHz, the communication
symbol rate is 300k symbols/second for 64QAM modulation, and the corresponding spectrum utilization rate
is up to 6 Bits/second/Hz.
Key words Underwater acoustic millimeter communication, Channel estimation, Channel equalization,
Iterative receiver, Precoding

通信，从母船到水下 AUV 的通信采用宽辐射角的
0 引言
低带宽水声通信链路，而 AUV 至母船的上联链路
采用的是高指向性的光学链路。文献 [21] 中提出了
近年来基于无线毫米波频段 (即载波波长在毫
一个用于水下滑翔机的声学和激光通信系统，初
米量级的通信频带，对于陆地无线通信来说其毫米
步的水池试验证明了该系统的可行性。最近出现
波频带一般在 30 GHz ∼ 300 GHz，其对应的波长
了高速的水声通信的研究，文献 [22] 中提出了一种
在1 mm ∼ 10 mm 之间) 的无线通信技术吸引了大
短距离垂直链路视频传输的水声通信系统，湖试试
量的研究兴趣 [1] ，由于毫米波频段有大量有效频段
验验证了系统的可行性，该系统采用正交频分复用
进而使得其成为未来 5G 无线通信的有效候选频段
之一 [2] 。在水声领域实际上也存在着这种类型的 技术 (Orthogonal frequency division multiplexing,
毫米波频段，即声波波长在毫米量级的水声频段， OFDM) 调制体制，视频的压缩采用 MPEG-4 格式，
对于水声的毫米波频段来说其对应的频率范围为 试验验证了在200 m的通信距离上该系统能够实现
150 kHz ∼ 1.5 MHz，在以往的传统应用中有时候 90 kbps 的通信速率。文献 [5] 中提出了一种具有实
这个频带范围被人称作高频或是超声频段 [3−7] 。在 时视频传输能力的水声调制解调器，该modem采用
过去几十年间，该频段在军事或商业上有着大量的 了基于自适应重采样技术的迭代接收机技术，水池
应用，典型的应用包括用于海底地形测量的高分辨 试验表明该调制解调器在 12 m 的通信距离上可以

的二维或是三维成像声呐以及高精度多普勒计程 达到 1.2 Mbps 的通信速率。另外，近期几个基于超
仪 [8−16] 。 声医学频段的通信试验证明了可以透过人体组织
在近程高速通信领域一般采用两种信息载体： 进行实时视频的数据传输。因此，在近岸工程应用
(1) 可视的蓝绿激光；(2) 声波。对于基于光波的水 领域(如海洋、石油和天然气领域)，由于对安装平台
下通信来说，其通信性能受到海水的浑浊度以及 的要求较少，基于声学的水下通信技术相比于光学
发射接收平台的稳定性的影响。文献 [17–18] 测量 通信系统具有明显的优势。
了水下光学信道的空间与时间弥散度与光波束指 大量试验表明水声信道是一个典型的严重双
向角以及水体浑浊度之间的关系，测量结果覆盖到 扩 (即多途扩展和多普勒扩展) 信道，其双扩特性严
1 GHz。文献[19]中给出了在非常清澈的深海(消光 重地制约了水声通信的性能。为了提高近程水声通
系数为 0.05 m −1 ) 环境下的光波通信结果，试验表 信系统的通信能力，本文基于水声毫米波频段，提出
明在100 m范围内可以实现1 ∼ 10 Mbps 的无误码 了一种基于迭代信道估计的水声毫米波迭代接收
传输的通信性能；但是在典型的近岸海域，其消光 机技术，为了进一步提高系统的频谱利用率，基于
系数非常大(2.8 m −1 )，在该条件下的可靠通信距离 高阶调制并采用了超奈奎斯特发射技术，仿真及水
一般只有1.8 m左右。文献[20]中提出了一种光 - 声 声信道水池试验验证本文提出系统的有效性及可
复用的混合通信方式用于母船与水下 AUV 之间的 靠性。