基于水声信道传送信息保密技术设计方案

武汉理工大学

班级：___电子与通信工程153班_____

姓名：_________XXX _____________ 学号：________1049731503239_______

教师：________ XX ______________

基于水声信道传送信息保密技术设计方案

摘要

水声通信技术是当前研究的热点领域，其传输媒介——水声信道是复杂的时变和空变的信道，它的多径效应、声传播损失等传输性质严重影响了水声通信的性能。另外，载波频率低、传输宽带十分有限以及数据速率低等也制约着水声通信技术发展的因素。空时编码技术是近年来发展快速的信道编码技术，它能够与调制技术想结合，提高频率利用率，同时获得分集增益和编码增益，并可以高速地传输数据。在此基础上引入混沌算法来对信源数据进行加密，来提高数据传输的安全性和保密性。

关键词：水声通道；分集；空时编码；混沌算法

ABSTRACT

Underwater acoustic communication technology is a research hotspot. Underwater acoustic channel as transmission medium is a complex time-varying and space –varying channel, and the

transmission characteristics such as the multi-path effect, sound transmission loss and the Doppler Effect, etc. seriously influence to the performance of the underwater acoustic communication. In addition, the lower carrier frequency, limited transmission bandwidth and lower data transfer rate have become constraining factors in the development of underwater acoustic communication. Therefore, reliable high-speed transmission technology is the research focus on the field of underwater acoustic. Recently, Space-time coding techniques have been developed rapidly. It can be conbined with the module technique so that it can improve the speed of the transmission of the data and use ratio of the low frequence. On this base, We put up the chaos encryption and algorithm improvement, they can be use for improving the safety of the data.

Keywords: Underwater acoustic communication,diversity, Space time Coding, chaos encryption algorithm

1.引言

目前，无线水声通信技术是水下通信【1】最主要的方式。其原理是利用声波在水中的传播的原理来进行数据和信息的传输。它在海洋军事活动中以及海洋研究和资源开发，海洋环境的检测应用广泛。随着目前我国南海局势的紧张，海洋水域水声通信的保密研究应成为当前的热点。虽然水声通信与无线通信有着一定的相似之处，但是在信道带宽、数据传输速率、系统的稳定性方面有很大的差别【2】。在海洋环境中，水声通信具有极其复杂的时变、空变和频变、高噪声等特性，水声信道是迄今最为复杂的无线通信信道。

水声信道传送信息保密设计的基础和核心内容水声信道的研究和信源的编码。在海洋中，声场及其信号的处理面临着三要素：声源（即信源），传播介质（即海水），信宿。但是海洋环境下的物理实验系统不但成本高，而且实验的内容也是受到限制的，因此可以通过建立水声信道模型来研究，许多国内外文献都是从不同侧面对水声信道建模来进行研究分析的。本文在总结目前研究成果的基础上，提出了基于混沌系统来设计信息传输的保密方案。

2.水声信道特性

理想的传输信道是介质均匀无损的，信息在理想的信道中传播不会产生任何畸变。但是实际在海洋环境下，由于独特的内部结构和上下表面，声波传播的介质空间是非常复杂的，造成声波在其中形成了复杂的反射、折射和散射现象，对信息的传输有着许多不同的影响。从通信的角度来看：能量的传播损失，声传播的多途效应和声信号的随机起伏【5】。

2.1传播损失

信号从信源向接收点传播过程中，信号能量会发生严重的衰减，这在远距离传输和高频应用情况下表现的更加明显。信号能量的损失是影响信宿接收机信噪抑制比的重要原因之一。在水声学中，通常采用传播损失来概括海洋中各种信号能量损失的效应。传播损失近似于声能扩展和衰减所引起的损失之和。衰减损失包含了吸收、声能泄露和散射。声能的吸收是构成衰减损失的最主要部分，通常表现为海水介质吸收和海底等界面介质吸收，由于介质的粘滞，热传导以及其他过程也会引起衰减效应，实际上包含了声能转换

成热能的过程。吸收损失也是随着距离变化而变化的，通常吸收系数T

（DB/Km）来定量描述。其经验模型(f是信号频率，单位是kh)：

（1）

2.2海洋环境噪声

海洋中的噪声纷繁复杂，它是海洋介质中的重要声学性质。信号的发射，检测和识别、接收机信噪比都受其影响。按照噪声产生的原因分类，主要有：水动力噪声、海洋生物噪声、海洋人为噪声和海洋热噪声。水动力噪声是由海浪、海流、潮汐、地震、风等所形成的动力而产生的，它是最主要的环境噪声。

2.3水声信道多径效应

多径效应是影响水声通信系统信号传输性能的重要因素之一。由于传播介质的非均匀性，水声信道存在多径效应，即在一定波束宽度内发出的声波由于存在声线弯曲和界面反射，可沿着不同的几条路径到达接收点。由于路径的长度的差异性，导致到达该点的声波信号能量和到达时间也不同，从而引起了码间干扰和时域上幅度衰减，以及频域上的频率选择性衰落。

由此可见，如何抑制多径效应对水声信号传输带来的干扰，甚至利用多径效应来提高传输性能成为解决多径效应的关键。在无线信道中，空时编码技术和OFDM技术都能有效的抑制多径效应【8】。

3.信源的选择

众所周知，水下无线通信大多是通过声波来传送信息。这是因为，无线电波要想在海水中传播较大的距离，就必须具有极低的频率(30-300Hz)，除了极低频率外，无线电波在水下不能长距离传播。在低频信号传输的延伸受到限制，因为它需要大且功率强的发射机，无线电波在水下的衰减可以用表面深度来表示，它的信号衰减1/e的距离【6】。对于海水，表面深度

δ=其中f的单位是hz, δ的单位是m,例如10khz以上，表面深度是250/

2.5m,如果要实现远距离的传输这就需要极其长的天线和极高的传输功率，通常是

不可实现的。而光波则受散射影响过大，能克服散射影响的窄激光传输目前