第1章 绪论
约占地球表面积71%的海洋是人类赖以生存和发展的重要领域，随着海洋资源开发、环境监测、生态保护、海洋工程及海洋权益维护等工作日益引起重视，海洋信息的获取与传输成为各类海洋民用及军事活动不可或缺的重要环节。但是，在浑浊、含盐的海水中电磁波衰减太大而无法远距传输，因而严重限制了无线电通信技术在水下的应用。相比之下，声波在海洋中传输的衰减较小，例如，选取20kHz的声波作为载波，其衰减只有2～3dB/km[1]。因此，目前在能有效水下传播信息的物理介质中声波的利用价值*高，声波是迄今为止作为水下远距离无线通信几乎唯一的手段[1，2]。
1.1 水声通信技术的发展
水声通信技术的发展经历了非相干和相干两个阶段。其中，非相干水声通信技术传统上被认为具有更好的信道稳健性但通信速率及带宽效率低；相干通信则利于实现高速率和高带宽效率，但其性能依赖于接收机跟踪信道状态信息的精确程度[3]，即水声相干通信的发展对水声信道的建模和信道冲激响应函数的估计手段提出了更高的要求。围绕基于水声信道建模、估计的相关方法及其在不同体制水声通信技术中的应用，本节侧重围绕商用、科研水声通信设备概述国内外相关研究的发展。
水声调制解调器又称水声MODEM（modulator-demodulator），是实现水下声通信的通用设备。由于水声信道特别复杂，克服环境噪声、强多径、多普勒效应的信道干扰，是保证通信可靠性的关键。在此基础上，在工程上还要考虑设备成本和应用场景等多方面的问题，目前水声MODEM大多数作为点对点或组网水下通信设备应用于海洋资源调查、海洋环境监测、水下平台定位导航、水下仪器遥测遥控、水下工程施工等领域。
表1.1和图1.1列出了几种当前较为典型的商业化水声MODEM，这些信息源自公开发表的技术报告。需要指出，所引用的水声通信系统参数通常是海试的*佳效果。然而，由于各方面可获取的资源有限，不能穷尽水声通信领域所有的MODEM。且水声MODEM的用户有限，其硬件和协议的标准化有待进一步发展。尽管不同厂家有各自的硬件和协议，融合不同厂家的设备在相同通信网络下工作的进展和效果并不理想[4]。通过大量文献调查，图1.2展示了水声通信系统对于数据通信速率与传输距离的性能表现[5]，可以看出，水声通信的距离以及通信速率是不可调和的矛盾，用传输距离和速率的乘积可以量化评估水声通信系统所能达到的性能水平。一般而言，远距离且高速率的情况发生在深海信道，而浅海远距离水声通信通常只能达到低速率。
表1.1 几种典型的商业化水声MODEM[4]
图1.1 当前商业化的水声MODEM举例[4]
国内多个研究机构也在水声通信技术研发上取得长足发展。哈尔滨工程大学在国内较早进行了非相干频移键控（frequency shift keying，FSK）技术及其自适应均衡的研究，并进行了正交频分复用（orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM）水声通信技术的湖试和海试，实现了7.2km距离内8.3kbit/s的通信速率，在经过奇偶校验码信道编码后获得纠错后的误码率（或误比特率）为[6]。
中国科学院声学研究所结合多进制相移键控（phase shift keying，PSK）调制和OFDM调制方式，研制出具有自适应多普勒补偿的中程高速水声通信MODEM，在1km距离获得了误码率小于的5kbit/s通信速率[6]。
图1.2 水声通信速率与传输距离关系图[5]
波特率与比特率关系：S = B log2 N，其中，S为比特率（单位bit/s），B为波特率（单位baud），N为一个脉冲信号表示的有效状态数
2005年，中国科学院声学研究所采用正交调幅（quadrature amplitude modulation，QAM）、多级频移键控（multi-frequency shift keying，MFSK）、差分相移键控（differential phase-shift keying，DPSK）等多种调制方式设计的频分复用（frequency division multiplexing，FDM）系统在南海以20kbit/s的速率实现了6.6km的通信；2012年，中国科学院声学研究所研制的“蛟龙号”载人潜水器水声通信系统成功支持了7000m水深与太空的“天宫一号”的海天对话；2020年11月，“奋斗者号”载人潜水器创造了10909m的中国载人深潜新纪录，中国科学院声学研究所研制的水声通信系统实现了万米海底的“奋斗者号”与母船“探索一号”之间的文字、语音及图像的实时传输。
近年来，中国船舶集团有限公司第七一五研究所研制了多种类型水声通信机，包括非相干MFSK、跳频扩频、直接序列扩频、相干OFDM通信等主要技术体制，覆盖了多个频段。
西北工业大学设计的OFDM水声通信系统采用10kHz的带宽以10kbit/s的通信速率实现了误码率为5%的1km距离的通信，而在5km的距离则实现了9kbit/s通信速率，在15km的距离实现了误码率为10？4的1kbit/s通信速率通信[3]。
浙江大学开展了基于时反处理的水声通信研究[7， 8]，利用时反处理的聚焦特性应对水声信道的时延扩展以消除码间干扰，该系统在2011年千岛湖湖试和2012年厦门的海试中均实现了通信速率为4kbit/s的5km距离的通信。
厦门大学在浅海信道特性研究、水声多媒体通信、跳频通信等方面进行了长期研究，成功研制了具有自主知识产权的数字式水下语音通信样机、图像传输样机和E-mail传输系统[9， 10]，其语音通信距离可达10km；厦门大学2012年在数字信号处理（digital signal processing，DSP）平台上设计了基于直接序列扩频（direct sequence spread spectrum，DSSS）和OFDM的双模浅海水声通信系统，短距离通信时采用OFDM调制[11]，低速率通信采用DSSS调制，2017年，厦门大学研制的水声通信信标实现国产海底管道内检测器数据的浅海实时传输，并批量交付应用单位。
1.2 水声信道的双重选择性衰落
水声通信中接收信号的特性可以由衰落过程时域、频域、空域特性进行表征，这些特性分别对应着时延扩展、多普勒扩展和角度扩展。根据信号参数（带宽、码元宽度、码元间隔等）和信道参数（相干带宽、相干时间等）之间的关系，不同发射信号产生不同类型的衰落，具体包括时间、频率、空间选择性衰落，简称扩展。具体来讲，有如下关系[12]。
频域特性：多普勒扩展，用相干时间描述，对应时间选择性衰落。
时域特性：时延扩展，用相干带宽描述，对应频率选择性衰落。
空域特性：角度扩展，用相干距离描述，对应空间选择性衰落。
通常认为，由发射机与接收机之间的相对运动引起的接收信号频率偏移是产生多普勒频移的主要原因，此外，导致多普勒频移产生的因素还包括水介质的运动，如海面风浪和海中湍流，其中风浪随着风级增加而增大，是海洋环境影响多普勒频移的主要因素。采用相干时间来定量描述多普勒扩展，其定义为两个时刻信道冲激响应处于强相关条件下的*大时间间隔Tcoh = 1/fm，其中，fm为*大多普勒频移。相干时间是信道随着时间变化快慢的一个测度，相干时间越大，信道变化越慢，反之越快。从衰落的角度看，多普勒扩展引起的衰落与时间有关，因此也称为时间选择性衰落。根据衰落快慢过程，时间选择性衰弱可以分为快衰落和慢衰落。如果信号带宽比多普勒扩展大很多，时间选择性衰落可以忽略不计，此时是慢衰落；否则是快衰落，这时应该考虑多普勒扩展的影响。若信号的采样时间间隔小于相干时间，则信号的相关性很好，信道的衰落特性平坦；反之信道呈现时间选择性衰落。
在水声通信中，由多个路径传输信号的时间不同造成接收信号时域波形有拖尾的现象，称为时延扩展。通常，接收信号为各个路径到达信号之和。采用相干带宽可对时延扩展引起的频率选择性衰落进行定量描述，其定义为两个频率处信道的频率响应保持强相关条件下的*大频率差。相干带宽与信号带宽之比越小，信道频率选择性越强，反之越弱。若信道的相干带宽很大，大于发射信号带宽，则在该频带内几乎有相同的增益和线性相位响应，接收信号的频率选择性衰落为平坦衰落。此时信道的多径效应没有造成发射信号的谱特性在接收端发生变化，但由于增益扰动而导致强度有时变性，平坦衰落信道又称为幅度变化信道或窄带信道。衰落类型与信号参数（码元宽度、带宽）、信道参数（时延、多普勒频移、相干时间、相干带宽）的关系如图1.3所示。
图1.3 信号衰落与信道参数关系[12]
声波在水声信道传播中，能量主要集中在扩展角度范围内，在此角度内接收信号则信号强度大，否则强度小，也就是由角度扩展引起空间选择性衰落。通常采用信道的相干距离来定量描述角度扩展，相干距离定义为两个阵元上信道响应保持强相关的*大空间距离。相干距离越大，角度扩展越小，接收信号能量越集中，不同空间位置角度扩展也不同。在不同接收点接收同一声源产生的声场，只要两接收点距离足够远，衰落几乎是独立的。
1.3 水声信道的稀疏特性及其利用
水声通信中，当发送信号通过信道传输时，多径效应将导致接收端信号发生严重变形，信号经过水面和水底的多次反射、散射之后，导致覆盖成百上千符号范围的时延扩展，造成严重的码间干扰（inter-symbol interference，ISI）；同时，这些不同时延到达的路径，*终组成稀疏多径结构。由于海面的不平整性，水面散射过程包含了多普勒扩展以及信号的传播时延。通过研究发现[13]，直达路径和经过海底反射的路径相对比较稳定，而经水面反射的路径因受到水面的干扰变化比较大。多径效应对接收信号的影响在时域上表现为码间干扰，在频域上则体现为频率选择性衰落。尤其是对于中等距离水声信道，多径时延扩展甚至达到了10ms的量级。也就是说，当通信速率为10kbit/s时，将会产生数十个乃至百个符号长度的码间干扰，这无疑给水声通信质量的提高带来很大困难。
多径到达的本征声线在时延上因信道的能量主要聚集在几个分离的区域，而水声信道的时延轴多数时间点的能量很少，导致水声信道具有稀疏特性。一个典型的稀疏水声信道结构如图1.4所示。文献[14]指出，水声信道冲激响应由少量的非零抽头和大量的零抽头组成，而水声信道冲激响应的稀疏结构可以用来提高信道估计的表现，通过减少不必要的非零多径数目以降低信道估计的噪声[15， 16]。水声信道通常表现为仅存在几个明显的主径且可能有较长的时延，当整个多径扩展仅用远少于信道长度的几个抽头即可代表整个信道冲激响应时，通过稀疏建模可将信道估计、均衡转化为稀疏信号处理方面的问题。关于水声信道稀疏性的研究成果已广泛应用在判决反馈均衡器[15， 17]，以及拓扑均衡器的设计当中[18-21]，虽然接收的信号存在严重变形，但若能合理利用信道的稀疏结构模型，将改善对信道的估计性能，从而更利于跟踪水声信道。而利用水声信道多径产生的稀疏甚至是簇稀疏的结构，结合近似范数约束构造代价函数，将传统的信道估计算法加以改进，将是本书多个章节研究的主要方向。
图1.4 水声信道的稀疏多径结构图（参考时延为0）[15]
针对水声信道的稀疏特性进行建模，可采用非零抽头拟合多径以描述信道输入输出关系[20]。文献[20]指出，根据水声信道输入输出关系表达式的不同可将稀疏水声信道估计方法分为逐符号估计与逐块估计，而基于信道估计的均衡器提供了对海试实验结果进行信道估计方法性能评价的一种常用方法。
此外，基于时延多普勒模型，结合压缩感知（compressed sensing，CS）方法并利用水声信道时延多普勒域的可压缩特点，可以设计以获取精确的水声信道时延多普勒函
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