一种时变水声信道容量仿真模型制造技术

本发明专利技术公开了一种时变水声信道容量仿真模型，包括：存储模块，存储各种参数；读取模块，读取所述存储模块中的各种参数；大尺度模块，通过一阶的AR变换获取大尺度变换后的随机信道参数；多径信道处理模块，基于射线追踪模型获取随机信道参数的多条路径的路径信息；筛选模块，筛选出3至10条重要的路；小尺度模块，通过小尺度参数来计算多条微路径的小尺度衰减系数；多普勒模块，处理多普勒参数，得到计算有效的多普勒矩阵；信道传输函数生成模块，综合得到的各种参数，得到多径时延水声信道的总的信道传输矩阵；以及信道容量处理模块，通过对所述总的传输矩阵中信道传输函数进行处理变换，计算得到水声信道的脉冲响应、信道增益和信道容量。

【技术实现步骤摘要】
一种时变水声信道容量仿真模型
本专利技术涉及水声通信领域，尤其涉及一种时变水声信道容量仿真模型。
技术介绍
随着海洋开发大战略的实施以及海上军事行动的实际需要,利用水下声信道进行信息传输的需求大大增加。水声通信的目的在于高速、可靠地将信源信息经过水声信道传输到信宿，其中水声信道容量作为一个非常重要的衡量水声信道状况的因素，具有很大的研究意义和价值。目前，计算水声信道容量主要包括实地测量和计算机仿真建模两种方法。实地测量是获得时变水声信道容量的最直接、最可靠的方式。通过对信道容量进行实时的测量可以最真实的反映某水声信道的信息传输能力，并且可以得到信道的随机性和时变性信息，且数据有极大的参考价值。但实验成本高，而且费时费力。而利用计算机仿真可以更方便、灵活地来描述信道的一些重要特征，而且不必花费大量的时间和资金来进行现场测量。能够在一定程度上节约湖试和海试的成本，并缩短水声通信设备的研制周期。通过信道建模我们可以从数学和物理等更深的层次来研究和理解道中决定信息传输能力的主要因素，获得的一些结论在进行信道性能仿真研究、水声传输系统的设计、实际测量等方面都有重要的指导意义。水声信道建模作为水声领域中重要且薄弱的环节，也是计算机和通信中的热门研究领域。针对时变的、随机的、复杂的水声信道环境建立准确的信道模型，是设计水声通信系统和评估系统性能好坏的重要因素。根据水声信道的特点，水声信道可以建立以下几类模型：一、静态的水声传播模型对于实际海洋信道，往往按其物理和几何特征分成几种特殊类型来讨论，以求得波动方程的近似解；不同的解的形式形成了不同的声场模型，一般常用的声场模型有以下五种：射线理论模型、简正波模型、多途扩展模型、快速场模型、抛物线方程(PE)模型。二、动态的随机统计的水声信道模型实际上，水声信道是非常复杂和多变的，如海洋由于随机界面波动，不均匀的介质，以及海水温度微结构，内波，浮游生物和气泡等引起的散射效应，使得声信道随时间变化。这些不确定性只能用统计的方法来描述。随着人们对水声信道容量的研究，实地测量和传统的水声信道容量仿真模型虽然都比较简单方便，但都存在着或多或少的缺点和不足。一、实地测量：实地测量虽然直接、可靠，但成品高，费时费力。而且特定的实验条件下，某些参数固定不便于调整，对分析研究信道性能造成了一定的障碍。其中水声信号的缓慢变化是十分重要的，但在外海条件下很难进行现场实验。二、信道建模：虽然建模方便灵活、便于研究，但要想获得完全符合实际应用环境的水下通信信道的解析模型在目前是不可能的，我们只能在假设一些理想条件的前提下，针对水声信道影响信号传输和接收的主要干扰因素加以考虑，建一个半经验的模型。对于目前的水声信道容量模型，分别存在以下不足：1、传统的静态水声传播模型：经典的水声传播模型是一种静态模型，是对实际水声信道的简化，没有涉及水声信道的时变特性。在应对一些随机的、时变的、不确定的环境因素下存在一定的忽视，从而导致计算得到的信道容量不准确。静态的水声传播模型处理问题的能力都比较有限。如射线理论和水平分层的简正波理论只能计算水平不变的问题，而抛物线方程理论及耦合简正波理论可以处理水平变化的二维声传播问题。而且不同的水声传播模型都有着各自的缺点：(1)经典射线模型：虽然描述声场物理图像清晰，便于分析理解。但焦散线上能量无限大及存在声影区，而且射线理论不考虑传输中声能的衰减，也未考虑到随机信道的变化。(2)经典简正波模型：虽然精度较高，但是计算量大，不适合处理高频深海问题。而且本征方程的求解是难以解决的问题，绝大多数海洋环境中只能通过数值近似方法求解。因此，简正波模型在实际工程应用中受到限制，目前国内外学者正致力于研究快速精确的声场模型。(3)耦合简正波模型对于非水平分层介质问题，对海底地形、声速、密度等海洋环境参数变化剧烈的传播问题只能用耦合简正波方法，但其计算量非常巨大，对于实际应用是不可取的。2、统计的水声信道容量模型：目前，研究动态的水声信道容量模型不多。统计的水声信道容量模型有考虑到随机信道的变化，能在一定程度上反映水声信道的时变特性，但都不够准确。实际的海洋环境是极其复杂的，任何一种满足某特定分布的信道模型都不能与复杂多变的水声信道完全吻合。而且各种参数如海面反射系数等都是基于较为理想的海洋环境，将会造成理论计算结果和实际测量结果有较大的误差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种时变水声信道容量仿真模型，实时监测，克服了水声信道地点不确定性和环境条件变化的缺点，使信道满足随机性，更接近实际情况，仿真结果良好，与实验结果较吻合，操作简单。本专利技术的技术方案是一种时变水声信道容量仿真模型，包括：存储模块，预设并存储信道参数、大尺度参数、小尺度参数和多普勒参数；读取模块，读取所述存储模块中的信道参数、大尺度参数、小尺度参数和多普勒参数，将所述信道参数和大尺度参数放入大尺度模块中，将所述小尺度参数发送到小尺度模块中，将所述多普勒参数发送到多普勒模块中；大尺度模块，将所述信道参数和大尺度参数进行处理，通过一阶的AR变换获取大尺度变换后的随机信道参数，并将所述随机信道参数发送到多径信道处理模块中；多径信道处理模块，基于射线追踪模型获取随机信道参数的多条路径的路径信息，以求得每条路径的路径长度、路径时延、小尺度衰减系数、路径到达角、海面海底反射次数和路径增益数据，并将每一条路径信息发送到筛选模块中；筛选模块，忽略路径时延大于允许频率分辨率的路径，筛选出3至10条重要的路径，将筛选出的路径同时发送到小尺度模块和信道传输函数生成模块中；小尺度模块，通过小尺度参数来计算由散射引起的多条微路径的小尺度衰减系数，并将所述小尺度衰减系数发送到信道传输函数生成模块中；多普勒模块，处理多普勒参数，得到计算有效的多普勒矩阵，将所述多普勒矩阵发送到信道传输函数生成模块中；信道传输函数生成模块，综合大尺度变换得到的路径系数、小尺度变换得到的小尺度衰减系数和多普勒效应得到的多普勒矩阵，在信道函数生成模块中计算总的传输矩阵并发送到信道容量处理模块中；以及信道容量处理模块，通过对所述总的传输矩阵中信道传输函数进行处理变换，求平方和，积分等方法计算得到水声信道的脉冲响应、信道增益和信道容量。本技术方案中，时变水声信道容量仿真模型是基于声传播理论和统计模型的综合信道建模。本技术方案将水声信道仿真领域的知识和经验与计算机技术相结合，为水下声场的仿真提供了一种方便快捷的实现手段。我们将信道变化跨越多个波长的位移称为大尺度因子，这样的不确定性被看作是随机的，会导致传播路径上增益和延时的大尺度变化。而把那些通过一个或几个波长的引起的位移称为小尺度因子。当一个特定的大规模的位移是已知的，额外的小规模的变化将出现在路径增益和延迟上。这样，我们就将水声信道中的不确定、随机的、时变的因素分为大尺度和小尺度模块来分类处理。如将地点的不确定性和变化的环境条件归为大尺度模块，反映信道的慢变特性；而将散射和由运动引起的多普勒频移归为小尺度因子，影响信道的瞬时值或反映信道的快变特性。本技术方案考虑到信道的各种不确定性，去逼近真实的水声信道，反映水声信道的时变特性。而且在满足多径效应的同时，又考虑到信号的衰减、多普勒效应、随机界面波动和散射效应，使信道随本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种时变水声信道容量仿真模型，其特征在于，包括：存储模块，预设并存储信道参数、大尺度参数、小尺度参数和多普勒参数；读取模块，读取所述存储模块中的信道参数、大尺度参数、小尺度参数和多普勒参数，将所述信道参数和大尺度参数放入大尺度模块中，将所述小尺度参数发送到小尺度模块中，将所述多普勒参数发送到多普勒模块中；大尺度模块，将所述信道参数和大尺度参数进行处理，通过一阶的AR变换获取大尺度变换后的随机信道参数，并将所述随机信道参数发送到多径信道处理模块中；多径信道处理模块，基于射线追踪模型获取随机信道参数的多条路径的路径信息，以求得每条路径的路径长度、路径时延、小尺度衰减系数、路径到达角、海面海底反射次数和路径增益数据，并将每一条路径信息发送到筛选模块中；筛选模块，忽略路径时延大于允许频率分辨率的路径，筛选出3至10条重要的路径，将筛选出的路径同时发送到小尺度模块和信道传输函数生成模块中；小尺度模块，通过小尺度参数来计算由散射引起的多条微路径的小尺度衰减系数，并将所述小尺度衰减系数发送到信道传输函数生成模块中；多普勒模块，处理多普勒参数，得到计算有效的多普勒矩阵，将所述多普勒矩阵发送到信道传输函数生成模块中；信道传输函数生成模块，综合大尺度变换得到的路径系数、小尺度变换得到的小尺度衰减系数和多普勒效应得到的多普勒矩阵，在信道函数生成模块中计算总的传输矩阵并发送到信道容量处理模块中；以及信道容量处理模块，通过对所述总的传输矩阵中信道传输函数进行处理变换，求平方和，积分等方法计算得到水声信道的脉冲响应、信道增益和信道容量。...

【技术特征摘要】
1.一种时变水声信道容量仿真模型，其特征在于，包括：存储模块，预设并存储信道参数、大尺度参数、小尺度参数和多普勒参数；读取模块，读取所述存储模块中的信道参数、大尺度参数、小尺度参数和多普勒参数，将所述信道参数和大尺度参数放入大尺度模块中，将所述小尺度参数发送到小尺度模块中，将所述多普勒参数发送到多普勒模块中；大尺度模块，将所述信道参数和大尺度参数进行处理，通过一阶的AR变换获取大尺度变换后的随机信道参数，并将所述随机信道参数发送到多径信道处理模块中；多径信道处理模块，基于射线追踪模型获取随机信道参数的多条路径的路径信息，以求得每条路径的路径长度、路径时延、小尺度衰减系数、路径到达角、海面海底反射次数和路径增益数据，并将每一条路径信息发送到筛选模块中；筛选模块，忽略路径时延大于允许频率分辨率的路径，筛选出3至10条重要的路径，将筛选出的路径同时发送到小尺度模块和信道传输函数生成模块中；小尺度模块，通过小尺度参数来计算由散射引起的多条微路径的小尺度衰减系数，并将小尺度模块的所述小尺度衰减系数发送到信道传输函数生成模块中；多普勒模块，处理多普勒参数，得到计算有效的多普勒矩阵，将所述多普勒矩阵发送到信道传输函数生成模块中；信道传输函数生成模块，综合大尺度变换得到的路径系数、小尺度变换得到的小尺度衰减系数和多普勒效应得到的多普勒矩阵，在信道传输函数生成模块中计算总的传输矩阵并发送到信道容量处理模块中；以及信道容量处理模块，通过对所述总的传输矩阵中信道传输函数进行处理变换，求平方和，积分的方法计算得到水声信道的脉冲响应、信道增益和信道容量。2.根据权利要求1所述的时变水声信道容量仿真模型，其特征在于：所述存储模块中的信道参数存储于扩展名为prm的文件中，所述存储模块中的多普勒信息存储于扩展名为dop的文件中。3.根据权利要求2所述的时变水声信道容量仿真模型，其特征在于：读取模块用读取指令读取存储模块中的信道参数、大尺度参数、小尺度参数和多普勒参数。4.根据权利要求3所述的时变水声信道容量仿真模型，其特征在于：大尺度变换后的随机信道参数包括随机变量水深、发射端高度、接收端高度以及发射端和接收端的水平距离。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：李维，孙雪皓，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44