水下传感移动节点的数据获取与可靠传输

This project works for the monitoring application using lightweight autonomous underwater vehicle (AUV). To solve the problem of data acquisition and transmission for mobile underwater sensor node, basic theory and key technologies to underwater acoustic communication of mobile node will be studied. The underwater acoustic channel has characteristics of random variable time-space-frequency parameter, strong multipath propagation, serious attenuation, low velocity and narrow bandwidth, and the underwater vehicle platform has characteristics of small size, high mobility, strong self-noise. Aimed at these problems, several aspects will be studied, such as the underwater acoustic channel analysis and modeling, channel estimation and equalization, signal processing for communications, and communication system constructing and evaluation. And several key problems will be solved, such as the time-varying multipath channel modeling and the channel’s influence mechanism to acoustic mobile communication, the joint multi-parameters estimation of time-varying multipath-Doppler double extension channel, the time reversal and decision feedback channel equalization method for single input multiple output channel, underwater mobile communication signal processing, and the underwater acoustic mobile communications system designs. Through the theoretical calculation and analysis, computer simulations, semi-physical simulation test, and real underwater acoustic communication test, theoretical framework and technology system of reliable underwater acoustic communication for AUV will be formed. We will work closely with the others projects within the project group, for the purpose of developing theory and technology foundation of underwater networked monitoring systems.

本项目面向水下轻型航行器传感监测的重要应用，通过研究水下移动节点水声通信基础理论与关键技术，解决水下传感移动节点数据获取与传输中面临的技术难题。针对水声信道随机时-空-频变参、强多途、大衰减、低声速和严带宽等特性，以及水下航行器平台小尺度、高机动性、强自噪声等特点，开展信道分析与建模、信道估计与均衡、通信信号处理、通信系统构建与评估等方面的研究工作，解决水声移动通信动态信道建模及其对通信的影响机理、多途-多普勒双扩展动态信道多参数联合估计、基于时间反转的单通道判决反馈SIMO信道均衡、上下行水声移动通信信号处理、水声移动通信系统设计等关键科学问题，构建水下移动节点水声通信理论框架。通过理论计算与分析、计算机仿真、陆上半物理仿真试验、水池与湖上水声通信试验等手段，形成水下航行器可靠水声通信的理论和技术体系。通过与项目群内各项目的紧密合作，为水下网络化监测系统的发展奠定理论与技术基础。

发展海洋信息技术对推动我国海洋强国战略具有重要意义。水下信息无线传输是制约海洋信息技术发展的瓶颈问题，声波是目前唯一能在海洋中远距离无线传播的信息载体，但是水声信道的复杂性给水声通信带来了巨大的挑战。.研究团队开展了水声通信基础理论与关键技术研究，在对水声信道时域、频域、空域物理特性深入研究的基础上，提出了高性能、低复杂度水声通信方法，研制出小尺寸高效节能水声通信设备，在海洋最深处马里亚纳海沟成功实现高速水声通信，解决了万米全海深高速水声通信难题，已在西太平洋等海上相关工程建设中成功应用。主要创新性有：.1．在对水声信道稀疏性、相关性与不对称性研究的基础上，提出了基于改进成比例最小误码率准则的自适应双向turbo均衡方法，显著提高了水声信道均衡收敛速度与精度。海上水声通信测试表明，在相同迭代次数条件下，新方法信噪比误码曲线降低5分贝。.2．在对水声信道快速多变特性研究的基础上，提出了快速信道估计与补偿和时频域快速迭代符号检测方法，实现了快速时变水声信道的实时跟踪，解决了功率受限条件下实时水声通信难题。在相同迭代次数条件下，信噪比误码曲线比常规方法降低5分贝。.3．发明了高功率密度水声通信发射、低功耗唤醒和低计算复杂度接收方法，突破了小型化、低功耗接收机处理平台等关键技术，研制出小尺寸高效节能水声通信机，实现了水下小尺寸平台长时间可靠水声通信。.4．发现了圆环阵相位模式阵列处理对误差的敏感性机理，提出了可兼顾阵增益、宽容性、旁瓣级、频率不变性等多个性能的宽带圆环模态波束形成方法，应用于水下航行器通信接收,提高了信噪比。.研究成果已由中国科学院海洋研究所、海军工程大学等单位应用，实现了西太平洋深海潜标与陆地的双向无线通信，已批量布放应用超过3年，经受住了各种复杂海洋条件的考验，对于建设我国全天时、全天候、大范围深海观测网具有重大意义。对提高国家海洋环境安全保障能力、国防能力具有重大价值。