水声信道建模与仿真
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Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｍ ｏｄｅｌｉｎｇ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｈａｎｎｅｌ（ＵＡＣ）ｉｓ ｕｓｅｆｕｌ ｆｏｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｖｉａ ｓｉｍｕｌａ— ｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｕｓ ａｖｏｉｄｉｎｇ ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ ｏｃｅａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒａｙ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｗｏ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｃｏ— ｈｅｒｅｎｔ ｍ ｕｌｔｉｐａｔｈ ｃｈａｎｎｅｌ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｉｍ ｅ ｖａｒｙｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌ ｍｏｄｅ１．Ａｌｔｈｏｕｇｈ ｔｈｅｙ ａｒｅ ｓｔｉｌｌ ｎｏｔ ｐｅｒｆｅｃｔ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｒｅａｌ ｃｈａｎ— ｎｅｌ，ｉｔ ｄｉｄｎ’ｔ ｈｉｎｄｅｒ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐｒｅｄｉｃｔ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂｅｃａｕｓｅ ｉｔ’Ｓ ｒｅａｌｌｙ ｒｅｖｅａｌ ｓｏｍ ｅ ｃｈａｒａｃ— ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｈａｎｎｅ１．
文献 Ｅ１］建立 了一个基 于静 态信 道 脉 冲 响应 的 信道仿 真 器 ，但 没有 考虑信 道 的多 普勒 效 应 。文 献 ［２］建立了一种时变信道模型 ，其将每根本征声线 的 幅度和 相位视 作一 个 随机过 程 ，时延 固定 。但 是 其无法 给 出本征 声线 幅度 、相位 变化 规 律 与运 动 之 间 的准确 物理 关 系 。本 文 在 分 析 水 声 信 道 对 声 传 播 主要影 响 因素 的 基 础 上 ，利 用 射 线 模 型 ，建 立 了
Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．５ ９６
舰 船 电 子 工 程
Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
总第 ２６３期 ２０１６年 第 ５期
水 声信 道 建模 与仿 真
甘 忠 良 李 亮 （９２７８５部队 葫芦岛 １２５２０８）
摘 要 水声信道建模在仿真预测通信 系统性 能方 面作 用显 著 ，可 以大大降低海 试成本 。文 中基于射线理论模 型 ，建 立 了两种常用 的水声信道模 型 ：相干多途信道模型和时变信道模型 ，模 型从 某种程度上反映了水声 信道 的主要特 点 ，虽然其 特性与真实信道特 点有 一定 差距 ，但并不影响其在水声通信性能估计方面 的应用 。
Ｋｅｙ Ｗ ｏｒｄｓ ｒａｙ ｔｈｅｏｒｙ，ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｈａｎｎｅｌ，ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｃｌａｓｓ ＮＩ Ｉｎ１ｂｅｒ ＴＢ５３３
Байду номын сангаас１ 引 言
海洋 作 为一 种 特 殊 的声信 道 ，具有 时变 、频 变 和空变 的性 质 。声波 在传播 的过程 中 ，不仅 其 能 量 损 失 随距 离 和频 率而 增加 ，导致 水声 通 信 可用 带 宽 和作用距 离 受 限 ，而 且存 在严 重 的 多途 效 应 ，引起 接 收端 信号 混叠 ，在 时域 上 形 成码 间干扰 （ＩＳＩ），频 域 上产 生选 择性 衰落 。同时 由于海 洋 的运 动 、海 面 波浪 的反射 ，以及 收 发 平 台之 间 的 相 对运 动 ，导 致 声 信号 在传播 的过程 中产生 多 普勒 扩 散 ，使 接 收 信 号 在 时域上 被展 宽 或 压 缩 ，在频 域 上 弥散 ，引起 时 间选择性衰落。海洋信道的这些特点 ，严重影响了 水 声通 信 系统 的性 能 。 因此 掌 握 海 洋 信 道 特性 对 于发展水声通信技术十分重要 ，然而实际海洋信道 测 量非 常耗 时 、耗 资 、耗力 ，且某 次 测量 出来 的结 果 只能描 述该 区域 该季 节 时间段 内的特 性 ，不具 有 普
可 以看 出 ，相 干多 途信 道 的频 率 响应 像一 个梳
型 ，在一 定程 度上 正确 反 映 了水 声 信道 的特 点 。
状 滤 波器 ，信号 在 有些 频 点 得 到 了增 强 ，而在 另 一
２ 信道模型分析
通常 ，水声 信道 建模 可 以分 为基 于 物 理 的确 定 性 信 道或 时不 变 信 道 建 模 和 随 机 不 确 定 信 道 或 时 变 信 道建模 ，或 是 两 种 结 合 ，即 在基 于 物 理参 数 计 算 基础 上考 虑运 动 的信 道建模 。
＊ 收 稿 日期 ：２０１５年 １１月 １２日 ，修 回 日期 ：２０１５年 １２月 ２８日 作者简介 ：甘 忠 良，男 ，硕士 ，研究方 向：通 信与信号处理 。李 亮 ，男 ，工程 师 ，研究方 向：通信工 程。
２０１６年第 ５期
舰 船 电 子 工 程
两种常用模型 ：相干多途信 道模 型和 时变 信道模
遍意 义 ，使 用范 围受 限 。而 基 于海 洋环 境统 计 特性 和实测 数 据 的水 声信 道建模 成 本低 、适 用 环境 范 围 广 ，在 预测 水声通 信 系统性 能方 面有 着 不 可替代 的 优势 ，已经 成为 当前 水声领 域 的一个 研究 热点 。
通常 对 海 洋 环境 特 征 描 述越 准 确 、越 详 细 ，建 立 的信 道模 型更 贴 近实 际 。然 而 ，想 要 准确 描 述所 有水 声信 道特 征 非 常 困 难 。 因此 通 常 主 要 描 述 对 水声通信影响较为显 著的多途传播 以及 由相对运 动导 致 的多普 勒效 应等 主要特 征 。
关键词 射线理论 ；水声信道 ；建模 ；仿真 中 图 分 类 号 ＴＢ５３３ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—９７３０．２０１６．０５．０２５
Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｍ ｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ
ＧＡＮ Ｚｈｏｎｇｌｉａｎｇ ＬＩ Ｌｉａｎｇ （Ｎｏ．９２７８５ Ｔｒｏｏｐｓ ｏｆ ＰＬＡ ，Ｈｕｌｕｄａｏ １２５２０８）
文献 Ｅ１］建立 了一个基 于静 态信 道 脉 冲 响应 的 信道仿 真 器 ，但 没有 考虑信 道 的多 普勒 效 应 。文 献 ［２］建立了一种时变信道模型 ，其将每根本征声线 的 幅度和 相位视 作一 个 随机过 程 ，时延 固定 。但 是 其无法 给 出本征 声线 幅度 、相位 变化 规 律 与运 动 之 间 的准确 物理 关 系 。本 文 在 分 析 水 声 信 道 对 声 传 播 主要影 响 因素 的 基 础 上 ，利 用 射 线 模 型 ，建 立 了
Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．５ ９６
舰 船 电 子 工 程
Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
总第 ２６３期 ２０１６年 第 ５期
水 声信 道 建模 与仿 真
甘 忠 良 李 亮 （９２７８５部队 葫芦岛 １２５２０８）
摘 要 水声信道建模在仿真预测通信 系统性 能方 面作 用显 著 ，可 以大大降低海 试成本 。文 中基于射线理论模 型 ，建 立 了两种常用 的水声信道模 型 ：相干多途信道模型和时变信道模型 ，模 型从 某种程度上反映了水声 信道 的主要特 点 ，虽然其 特性与真实信道特 点有 一定 差距 ，但并不影响其在水声通信性能估计方面 的应用 。
Ｋｅｙ Ｗ ｏｒｄｓ ｒａｙ ｔｈｅｏｒｙ，ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｈａｎｎｅｌ，ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｃｌａｓｓ ＮＩ Ｉｎ１ｂｅｒ ＴＢ５３３
Байду номын сангаас１ 引 言
海洋 作 为一 种 特 殊 的声信 道 ，具有 时变 、频 变 和空变 的性 质 。声波 在传播 的过程 中 ，不仅 其 能 量 损 失 随距 离 和频 率而 增加 ，导致 水声 通 信 可用 带 宽 和作用距 离 受 限 ，而 且存 在严 重 的 多途 效 应 ，引起 接 收端 信号 混叠 ，在 时域 上 形 成码 间干扰 （ＩＳＩ），频 域 上产 生选 择性 衰落 。同时 由于海 洋 的运 动 、海 面 波浪 的反射 ，以及 收 发 平 台之 间 的 相 对运 动 ，导 致 声 信号 在传播 的过程 中产生 多 普勒 扩 散 ，使 接 收 信 号 在 时域上 被展 宽 或 压 缩 ，在频 域 上 弥散 ，引起 时 间选择性衰落。海洋信道的这些特点 ，严重影响了 水 声通 信 系统 的性 能 。 因此 掌 握 海 洋 信 道 特性 对 于发展水声通信技术十分重要 ，然而实际海洋信道 测 量非 常耗 时 、耗 资 、耗力 ，且某 次 测量 出来 的结 果 只能描 述该 区域 该季 节 时间段 内的特 性 ，不具 有 普
可 以看 出 ，相 干多 途信 道 的频 率 响应 像一 个梳
型 ，在一 定程 度上 正确 反 映 了水 声 信道 的特 点 。
状 滤 波器 ，信号 在 有些 频 点 得 到 了增 强 ，而在 另 一
２ 信道模型分析
通常 ，水声 信道 建模 可 以分 为基 于 物 理 的确 定 性 信 道或 时不 变 信 道 建 模 和 随 机 不 确 定 信 道 或 时 变 信 道建模 ，或 是 两 种 结 合 ，即 在基 于 物 理参 数 计 算 基础 上考 虑运 动 的信 道建模 。
＊ 收 稿 日期 ：２０１５年 １１月 １２日 ，修 回 日期 ：２０１５年 １２月 ２８日 作者简介 ：甘 忠 良，男 ，硕士 ，研究方 向：通 信与信号处理 。李 亮 ，男 ，工程 师 ，研究方 向：通信工 程。
２０１６年第 ５期
舰 船 电 子 工 程
两种常用模型 ：相干多途信 道模 型和 时变 信道模
遍意 义 ，使 用范 围受 限 。而 基 于海 洋环 境统 计 特性 和实测 数 据 的水 声信 道建模 成 本低 、适 用 环境 范 围 广 ，在 预测 水声通 信 系统性 能方 面有 着 不 可替代 的 优势 ，已经 成为 当前 水声领 域 的一个 研究 热点 。
通常 对 海 洋 环境 特 征 描 述越 准 确 、越 详 细 ，建 立 的信 道模 型更 贴 近实 际 。然 而 ，想 要 准确 描 述所 有水 声信 道特 征 非 常 困 难 。 因此 通 常 主 要 描 述 对 水声通信影响较为显 著的多途传播 以及 由相对运 动导 致 的多普 勒效 应等 主要特 征 。
关键词 射线理论 ；水声信道 ；建模 ；仿真 中 图 分 类 号 ＴＢ５３３ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—９７３０．２０１６．０５．０２５
Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｍ ｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ
ＧＡＮ Ｚｈｏｎｇｌｉａｎｇ ＬＩ Ｌｉａｎｇ （Ｎｏ．９２７８５ Ｔｒｏｏｐｓ ｏｆ ＰＬＡ ，Ｈｕｌｕｄａｏ １２５２０８）