基于认知的变换域水声通信技术

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1、分类号：密级：ＵＤＣ：编号：工学博士学位论文基于认知的变换域水声通信技术博士研究生：王永刚指导教师：孙大军教授学科、专业：信息与通信工程哈尔滨工程大学２０１８年６月分类号：密级：UDC：编号：工学博士学位论文基于认知的变换域水声通信技术博士研究生：王永刚指导教师：孙大军教授学位级别：工学博士学科、专业：信息与通信工程所在单位：水声工程学院论文提交期：2018年3月论文答辩期：2018年6月学位授予位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegr

2、eeofD.EngResearchonCognitionBasedUnderwaterTransformDomainCommunicationSystemCandidate:WangYonggangSupervisor:ProfessorSunDajunAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:InformationandcommunicationengineeringDateofSubmission:March2018DateofOralExamination:June201

3、8University:HarbinEngineeringUniversity摘要水声通信网络作为水下信息系统的重要基础设施，在海洋环境感知、水下目标监测等领域正发挥着不可替代的作用。但由于水声信道频带有限，造成水声通信系统易受到其他水声系统以及海洋动物活动的影响。同时，由于水声信道多途时延长且复杂，会对水声通信信号造成严重的频率选择性衰落。这些因素都极大的阻碍了高速率、智能化水声通信系统的发展。为了合理地利用水声信道宝贵的频带资源，降低由于人类活动和自然活动造成的对水声通信系统的干扰，同时减少人类活动对自然界的侵扰，提升通信系统抵御多途损失

4、的能力，本文提出了一种基于认知（Cognition）的变换域水声通信系统（TransformDomainCommunicationSystem，TDCS），即CU-TDCS。它能够对所处环境进行持续的交互测试以感知所处的海洋环境变化，即通过对水声环境进行认知，实时动态地调整调制方式、子载波选择、发射功率与接收机算法等一系列系统参数，从而抵御水声信道变化的不确定性，以及可能的敌对通信对抗手段。传统的通信系统其波形是根据分配给特定用户的频带范围在时域合成的。与其不同的是，本文提出的基于认知的变换域水声通信系统，是在对海洋环境认知的基础上，可在频域

5、或者是小波域等变换域剔除干扰频带后合成通信频谱，再通过相应的变换得到发射机所需的时域波形，以达到规避干扰和频率选择性衰落的目的。可以说，认知技术是变换域通信系统的技术基础和不可或缺的组成部分。虽然变换域通信系统可以采用傅里叶、小波变换和分数阶傅里叶等多种变换域方式，出于实现复杂度及效率的目的，本文重点研究基于傅里叶变换的变换域通信系统。基于认知的变换域水声通信系统目前在国际上仍处于起步阶段，方兴未艾，多数研究都集中在前端的认知概念探索，对于后端的水声的变换域调制解调方式则少有研究。首先，本文提出了基于认知的变换域水声通信的系统模型，将认知理论

6、和变换域水声通信技术引入水声通信领域。传统的水声通信系统往往只是在接收机端采用复杂的信号处理算法降低各种干扰对解调产生的影响；与其不同的是，CU-TDCS在水声接收机端能够对所处水声环境的干扰情况进行实时的侦测分析，并通过反馈信道将信道情况和干扰情况发送给发射机，从而使发射机与接收机组成了一个闭环的反馈系统，自适应地根据环境和干扰变化调整系统参数。该系统不仅仅在接收端是自适应的，在发射端也是自适应的。其次，在提出该系统的物理和逻辑模型的基础上，对系统的工作流程进行了设计，提出了变换域通信系统的认知过程设计。针对干扰信号侦察的虚警和漏报问题，提

7、出了新的通信频谱感知策略；针对如何完成多用户通信的组织和认知信息通过反馈信道的传输，提出了水声认知网络间通信协议的简要设计，初步构建了一个利用认知信息的变换域通信网络基础模式。在水声变换域通信系统研究方面，为了进一步提升水声信道的频带利用率，本文在变换域通信系统通常使用的循环移位键控（CyclicShiftKeying，CSK）调制方法的基础上，将正交频分复用技术（OthorgonalFrequencyDivisionModulation，OFDM）与认知技术相结合，提出基于认知的OFDM通信技术，即C-OFDM（Cognition-base

8、dOFDM），作为一种新的变换域通信调制解调方式。C-OFDM以对水声环境的认知为基础，在频域剔除被干扰和信道深度衰落的子载波，即只利用水声信道的通带来传输信息，在