深海垂直水声通信在海洋开发与观测中不可或缺，如载人潜水器“奋斗者”号与母船“探索一号”之间的万米实时通信、水下无人潜航器与水面端的即时通信及海底观测节点的数据回传等应用场景，但它们都面临着多普勒变化快、突发噪声大及通信发射功率受限等挑战。目前各国已有的深海垂直水声通信系统均采用基于自适应均衡器级联锁相环的经典接收结构，这种结构的主要优势是可以跟踪信道的快速变化且复杂度低，但它易受误差传播影响，且需要较高的通信信噪比。
中科院声学所海洋声学技术中心朱敏团队长期从事水声通信方面的研究，负责研制了7000米级“蛟龙”号、4500米级“深海勇士”号和万米级“奋斗者”号系列载人潜水器的水声通信系统。团队中的博士生李栋与研究员武岩波等人最近提出了一种面向深海垂直水声通信的新型迭代接收机，在信道多普勒补偿、信道均衡以及纠错码设计方面均突破了深海水声通信接收结构的现有水平。
相关研究成果2021年3月在线发表于声学领域国际学术期刊 The Journal of the Acoustical Society of America 。
针对载体快速移动以及海面波浪上下起伏导致的非一致多普勒变化，研究人员基于用样条插值获得的连续定时估计，通过非均匀重采样实现对整个数据帧的时变多普勒补偿，并用该方法对“蛟龙”号5000米级海试数据进行处理，结果显示，所提多普勒补偿方法明显优于传统多普勒补偿方法，补偿后信道可接近时不变，进而使接收机不再需要锁相环结构。
图1 经过传统多普勒补偿（左）和所提多普勒补偿（右）后的信道冲激响应实部（上）与虚部（下）变化（图/中科院声学所）
针对信道多径干扰和残余定时偏差，研究人员提出一种基于向量近似消息传递（vector approximate message passing, VAMP）的分数间隔自迭代软均衡器（self-iterative soft equalizer, SISE）。VAMP-SISE由用于符号检测的内部软判决器和内部软均衡器、用于抑制突发噪声的去噪器和最小均方误差（minimum mean squared error, MMSE）估计器四部分组成，各部分之间通过迭代交互符号外部信息获得自迭代增益。海试数据结果显示，其性能表现远胜于现有的线性MMSE均衡器以及自适应均衡器，同时可以有效抑制突发噪声。
图2 均衡器输出星座随自迭代次数的变化（图/中科院声学所）
针对现有水声通信系统通常选用固定的纠错码方案而不能与信道特征相适应的问题，研究人员引入单位速率码（unity-rate code, URC）消除译码错误平层，设计了可以与水声信道相匹配的不规则纠错码（irregular convolutional code, IrCC），极大地降低了译码器与均衡器进行turbo迭代所需的信噪比。
图3 不规则译码器与VAMP-SISE迭代过程示意图（图/中科院声学所）
图4 基于突发噪声背景且单通道处理时，不同信噪比下误帧率性能对比（图/中科院声学所）
海试数据证明，相比已有深海水声通信接收方案，所提迭代接收机在相同信噪比条件下，误帧率性能提高程度超过两个数量级；可靠通信所要求的信噪比降低1.5~2 dB，意味着通信距离可增加25%左右。
本研究得到国家自然科学基金（Nos. 61971472, 61471351）、国家重点研发计划（No. 2016YFC0300300）和中国科学院战略性先导科技专项（XDA22030101）资助。
关键词：
深海水声通信；自迭代均衡；向量近似消息传递；不规则卷积码
参考文献：
LI Dong, WU Yanbo, ZHU Min, TAO Jun. An enhanced iterative receiver based on vector approximate message passing for deep-sea vertical underwater acoustic communications. The Journal of the Acoustical Society of America. 2021. DOI: 10.1121/10.0003625.
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