本發(fā)明涉及自學(xué)習(xí)水聲通信，尤其涉及一種智能自適應(yīng)多制式水聲通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、鑒于光通信、射頻通信在水中應(yīng)用的限制，水聲通信是目前水下遠(yuǎn)距離無線通信的唯一解決方案，是海洋信息采集、傳輸、處理中的重要一環(huán)。隨著海洋長期實(shí)時(shí)觀測、大范圍動態(tài)觀測需求的日益增長，高質(zhì)量水聲通信技術(shù)的需求日益迫切。而水聲信道是一個(gè)傳輸條件比陸上射頻無線信道惡劣得多的無線信道，存在大而時(shí)變的傳輸延遲(水聲傳播速度比射頻傳播速度小5個(gè)數(shù)量級)、復(fù)雜的環(huán)境噪聲(加性噪聲和乘性噪聲)、距離和頻率同時(shí)相關(guān)的能量衰落、強(qiáng)多徑效應(yīng)、強(qiáng)多普勒頻率擴(kuò)展等。尤其在海洋信息長期實(shí)時(shí)觀測(如天然氣水合物開采過程中工程地質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)觀測)、復(fù)雜環(huán)境水下組網(wǎng)觀測(如珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測與保護(hù))、水下大范圍動態(tài)組網(wǎng)觀測(如基于動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的水下目標(biāo)探測、海底資源勘探等)等復(fù)雜應(yīng)用場景，水聲信道的時(shí)變性表現(xiàn)及其影響更加突出，高質(zhì)量水聲通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)面臨更大挑戰(zhàn)。

2、已知現(xiàn)有技術(shù)中，水聲通信系統(tǒng)水聲信號采用單一載波模式，如fsk、psk、ofdm等，系統(tǒng)性能受限于復(fù)雜應(yīng)用場景的最惡劣水聲信道，限制了水聲通信系統(tǒng)在水下長期實(shí)時(shí)觀測、復(fù)雜環(huán)境水下組網(wǎng)觀測、大范圍動態(tài)組網(wǎng)等復(fù)雜應(yīng)用場景中的應(yīng)用，難以滿足充分利用信道帶寬的高質(zhì)量水聲通信需求，需要發(fā)展信道自適應(yīng)水聲通信技術(shù)。

3、信道自適應(yīng)水聲通信系統(tǒng)能夠根據(jù)復(fù)雜應(yīng)用場景的水聲信道來調(diào)整水聲通信系統(tǒng)參數(shù)。按照水聲通信系統(tǒng)的信號調(diào)制方式分類，信道自適應(yīng)水聲通信系統(tǒng)主要分為兩類，一種是采用單一信號調(diào)制方式的單制式多參數(shù)自適應(yīng)水聲通信系統(tǒng)，另一種是采用多種信號調(diào)制方式的多制式自適應(yīng)水聲通信系統(tǒng)。單制式多參數(shù)自適應(yīng)水聲通信系統(tǒng)主要通過基帶調(diào)整編碼方式、數(shù)字調(diào)制方式等適應(yīng)水聲信道的變化，受限于單一的信號調(diào)制方式，單制式多參數(shù)自適應(yīng)水聲通信系統(tǒng)的信道適應(yīng)范圍有限。多制式自適應(yīng)水聲通信系統(tǒng)可以采用不同信號調(diào)制方式以適應(yīng)水聲信道的變化，如單載波、多載波、擴(kuò)頻及其組合等，可以較好地適應(yīng)水聲信道的變化以充分利用水聲信道帶寬，但已知現(xiàn)有的多制式自適應(yīng)水聲通信系統(tǒng)的接收機(jī)采用基于傳統(tǒng)信號處理技術(shù)的信道估計(jì)與信信道均衡方法，受限于信道估計(jì)與信道均衡性能，基于傳統(tǒng)信號處理技術(shù)的多制式自適應(yīng)水聲通信系統(tǒng)的性能受限。

4、針對復(fù)雜時(shí)變水聲信道的水聲通信系統(tǒng)性能提升需求，目前出現(xiàn)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的智能水聲通信技術(shù)，但已知現(xiàn)有的智能水聲通信技術(shù)基于單一信號調(diào)制方式開展，仍存在單一信號調(diào)制方式信道適應(yīng)范圍有限的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種智能自適應(yīng)水聲通信系統(tǒng)，針對水下復(fù)雜應(yīng)用場景的復(fù)雜時(shí)變水聲信道的高質(zhì)量水聲通信應(yīng)用需求，綜合考慮現(xiàn)有水聲通信技術(shù)的局限性，提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的智能自適應(yīng)多制式水聲通信系統(tǒng)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種智能自適應(yīng)水聲通信系統(tǒng)，包括：

4、多制式發(fā)射機(jī)：包括用于發(fā)送通信數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)發(fā)送單元，用于切換發(fā)射信號調(diào)制方式的制式切換單元，以及用于調(diào)制信號的發(fā)射信號調(diào)制單元；所述數(shù)據(jù)發(fā)送單元、制式切換單元和發(fā)射信號調(diào)制單元順次連接；多制式發(fā)射機(jī)的輸出端連接水聲信道；

5、智能多制式接收機(jī)：包括同步單元、多普勒估計(jì)與補(bǔ)償單元、智能調(diào)制方式識別單元、數(shù)據(jù)處理單元、智能信號解譯單元及數(shù)字解調(diào)單元；同步單元接收經(jīng)過水聲信道的水聲通信信號，對水聲通信信號進(jìn)行數(shù)據(jù)幀同步處理；多普勒估計(jì)與補(bǔ)償單元接收同步單元輸出數(shù)據(jù)，估計(jì)和補(bǔ)償水聲信道的多普勒頻移；智能調(diào)制方式識別單元連接多普勒估計(jì)與補(bǔ)償單元的信號輸出端，用于根據(jù)帶通水聲信號智能識別水聲通信信號的調(diào)制方式；數(shù)據(jù)處理單元連接智能調(diào)制方式識別單元的信號輸出端；智能信號解譯單元連接數(shù)據(jù)處理單元的信號輸出端，及智能調(diào)制方式識別單元的輸出端，用于結(jié)合識別的調(diào)制方式，對快速傅里葉變換后的水聲通信頻域信號進(jìn)行智能信號解譯，獲得通信數(shù)據(jù)；數(shù)字解調(diào)單元連接智能信號解譯單元的信號輸出端，調(diào)制得到通信數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)接收單元；

6、信道信息識別單元：其輸入端連接智能多制式接收機(jī)的同步單元的信號輸出端，其輸出端連接多制式發(fā)射機(jī)的制式切換單元；

7、其中，所述信道信息識別單元用于識別水聲信道的信噪比及信道最大時(shí)延并傳遞至制式切換單元，所述制式切換單元根據(jù)信噪比及信道最大時(shí)延調(diào)整切換發(fā)射信號調(diào)制方式，所述智能調(diào)制方式識別單元采用輕量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能識別水聲通帶信號的信號調(diào)制方式，所述的智能信號解譯單元采用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能解譯水聲通信信號以恢復(fù)出通信數(shù)據(jù)。

8、本發(fā)明一些實(shí)施例中，所述發(fā)射信號調(diào)制單元包括：

9、數(shù)字調(diào)制單元：與制式切換單元的輸出端連接；

10、擴(kuò)頻單元：包括第一擴(kuò)頻支路和第二擴(kuò)頻支路，所述第一擴(kuò)頻支路上設(shè)置有開關(guān)組件和擴(kuò)頻模組；所述數(shù)字調(diào)制單元的輸出端分別連接第一擴(kuò)頻支路和第二擴(kuò)頻支路；所述第一擴(kuò)頻支路和所述第二擴(kuò)頻支路連接并交匯為擴(kuò)頻單元的輸出端；

11、快速傅里葉逆變換單元：包括第一變換支路和第二變換支路，所述第一變換支路上設(shè)置有開關(guān)組件和傅里葉逆變換模組；所述擴(kuò)頻單元的輸出端分別連接第一變換支路和第二變換支路；所述第一變換支路和所述第二變換支路的輸出端交匯為快速傅里葉逆變換單元的輸出端；

12、組幀單元：用于為快速傅里葉逆變換單元的輸出數(shù)據(jù)添加導(dǎo)頻序列、循環(huán)前綴；

13、變頻調(diào)制單元：用于為組幀單元的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行變頻處理；

14、所述變頻調(diào)制單元的信號輸出端輸出信號到水聲信道。

15、本發(fā)明一些實(shí)施例中，所述多制式發(fā)射機(jī)被配置為能夠發(fā)射以下調(diào)制信號類型之一：單載波循環(huán)前綴信號、單載波時(shí)域擴(kuò)頻信號、正交頻分復(fù)用信號、多載波頻域擴(kuò)頻信號：

16、當(dāng)所述多制式發(fā)射機(jī)被配置為發(fā)射單載波循環(huán)前綴信號時(shí)，所述第二擴(kuò)頻支路接通，所述第二變換支路接通；

17、當(dāng)所述多制式發(fā)射機(jī)被配置為發(fā)射單載波時(shí)域擴(kuò)頻信號時(shí)，所述第一擴(kuò)頻支路接通，所述第二變換支路接通；

18、當(dāng)所述多制式發(fā)射機(jī)被配置為發(fā)射正交頻分復(fù)用信號時(shí)，所述第二擴(kuò)頻支路接通，所述第一變換支路接通；

19、當(dāng)所述多制式發(fā)射機(jī)被配置為發(fā)射多載波頻域擴(kuò)頻信號時(shí)，所述第一擴(kuò)頻支路接通，所述第一變換支路接通。

20、本發(fā)明一些實(shí)施例中，定義多制式發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號為s(n)，n＝1,2,3,…,qs，n表示發(fā)射信號的序號，qs為發(fā)射信號s(n)的數(shù)量：

21、所述單載波循環(huán)前綴信號表示為：

22、s(n)＝x[k]，k＝1,2,3,…,qs，n＝k，其中x[k]表示數(shù)字調(diào)制后的發(fā)送數(shù)據(jù)，k表示發(fā)送數(shù)據(jù)的序號；

23、所述單載波時(shí)域擴(kuò)頻信號表示為：

24、s(n)＝x[k]c[i]，i＝1,2,3,…,np，n＝(k-1)np+i，其中c[i]是擴(kuò)頻序列，i是擴(kuò)頻序列的序號，np是擴(kuò)頻序列長度；

25、所述正交頻分復(fù)用信號表示為：

26、l＝1,2,3,…,qs，n＝l，k＝1,2,3,…,nqs，其中n是快

27、速傅里葉變換的子載波數(shù)；

28、所述多載波頻域擴(kuò)頻信號表示為：

29、l＝1,2,3,…,qs，n＝l，其中，y(p)是擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)序列，y(p)＝x[k]c[i]，i＝1,2,3,…,np，p＝(k-1)np+i。

30、本發(fā)明一些實(shí)施例中，所述智能多制式接收機(jī)的數(shù)據(jù)處理單元包括：

31、變頻解調(diào)單元：連接智能調(diào)制方式識別單元的輸出端，用于根據(jù)智能調(diào)制方式識別單元識別的調(diào)制方式，設(shè)定變頻策略，對水聲通信信號進(jìn)行變頻解調(diào)處理；

32、解幀單元：連接變頻解調(diào)單元的輸出端，用于根據(jù)智能調(diào)制方式識別單元識別的調(diào)制方式，對變頻解調(diào)處理后的水聲信號進(jìn)行解幀處理；

33、快速傅里葉變換單元：連接解幀單元的輸出端，用于根據(jù)智能調(diào)制方式識別單元識別的調(diào)制方式，對解幀處理后的水聲通信信號進(jìn)行快速傅里葉變換，獲得水聲通信信號的頻域信號，包括水聲通信信號的導(dǎo)頻序列頻域信號、數(shù)據(jù)序列頻域信號；

34、所述智能信號解譯單元連接快速傅里葉變換單元的輸出端，及智能調(diào)制方式識別單元的輸出端，用于結(jié)合識別的調(diào)制方式，對快速傅里葉變換后的水聲通信頻域信號進(jìn)行智能信號解譯，獲得通信數(shù)據(jù)。

35、本發(fā)明一些實(shí)施例中，所述智能調(diào)制方式識別單元包括：

36、信號轉(zhuǎn)換模塊：用于將水聲通信信號時(shí)間序列信號轉(zhuǎn)換為時(shí)頻圖像信號；

37、信號識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：接收所述時(shí)頻圖像信號，并基于所述時(shí)頻圖像信號識別信號調(diào)制方式；

38、其中，所述的信號識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用輕量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括shufflenet、efficientnet和mobilenet。

39、本發(fā)明一些實(shí)施例中，所述智能信號解譯單元包括深層學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，所述深層學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化dnn神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，或數(shù)據(jù)驅(qū)動的lstm神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，或模型驅(qū)動的modeldriven-net神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，深層學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的輸入端連接快速傅里葉變換單元的輸出端，對快速傅里葉變換后的水聲通信頻域信號進(jìn)行智能信號解譯，獲得通信數(shù)據(jù)：

40、所述數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化dnn神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被配置為根據(jù)識別的調(diào)制方式設(shè)定可用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)：若識別的信號調(diào)制方式為單載波循環(huán)前綴信號或正交頻分復(fù)用信號，所述dnn網(wǎng)絡(luò)被配置為包括第一數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、第二數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)；若識別從信號調(diào)制方式為單載波時(shí)域擴(kuò)頻信號或多載波頻域擴(kuò)頻信號，所述dnn網(wǎng)絡(luò)被配置為包括第三數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、第四數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)；所述第三數(shù)量少于第一數(shù)量，第四數(shù)量少于第二數(shù)量；

41、所述數(shù)據(jù)驅(qū)動的lstm神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被配置為雙層結(jié)構(gòu)的lstm網(wǎng)絡(luò)；

42、所述模型驅(qū)動的modeldriven-net神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是將智能信號解譯網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)信道估計(jì)與信道均衡算法結(jié)合的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，包括信道估計(jì)子網(wǎng)與信道均衡子網(wǎng)；

43、所述信道估計(jì)子網(wǎng)包括：

44、最小二乘模塊：獲取智能多制式接收機(jī)的快速傅里葉變換單元輸出的導(dǎo)頻序列信號yp，以及多制式發(fā)射機(jī)發(fā)送的導(dǎo)頻序列信號xp，進(jìn)行最小二乘處理后生成信道沖擊響應(yīng)將信道沖擊響應(yīng)分為實(shí)部信息和虛部信息；

45、信道估計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：輸入信道沖擊響應(yīng)的實(shí)部信息和虛部信息，輸出信道沖擊響應(yīng)的估計(jì)值

46、所述信道均衡子網(wǎng)包括：

47、最小均方差模塊：連接信道估計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出端，獲取輸出信道沖擊響應(yīng)的估計(jì)值并輸入智能多制式接收機(jī)的快速傅里葉變換單元輸出的數(shù)據(jù)序列信號yd；經(jīng)最小方差計(jì)算后，輸出最小均方差信號xmmse，將輸出的xmmse信號分為實(shí)部信息和虛部信息；

48、信號均衡神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：對于單載波循環(huán)前綴信號、單載波時(shí)域擴(kuò)頻信號，獲取輸出xmmse信號的實(shí)部信息和虛部信息，輸出數(shù)據(jù)均衡信號信號，數(shù)據(jù)均衡信號經(jīng)硬判決處理，獲得數(shù)據(jù)對于正交頻分復(fù)用信號、多載波頻域擴(kuò)頻信號，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)獲取輸出信道沖擊響應(yīng)的估計(jì)值智能多制式接收機(jī)的快速傅里葉變換單元輸出的數(shù)據(jù)序列信號yd、最小均方差信號xmmse，輸出數(shù)據(jù)均衡信號信號，數(shù)據(jù)均衡信號經(jīng)硬判決處理，獲得數(shù)據(jù)

49、本發(fā)明提供的智能自適應(yīng)多制式水聲通信系統(tǒng)，其有益效果在于：發(fā)明了一種基于深度學(xué)習(xí)的智能自適應(yīng)多制式水聲通信系統(tǒng)，信道自適應(yīng)多制式發(fā)射機(jī)支持單載波循環(huán)前綴(sc-cp)、單載波時(shí)域擴(kuò)頻(sc-tdss)、正交頻分復(fù)用(ofdm)、多載波頻域擴(kuò)頻(mc-fdss)四種信號調(diào)制方式，基于信道信噪比和信道最大時(shí)延自適應(yīng)切換信號調(diào)制方式，智能多制式接收機(jī)包括基于輕量化網(wǎng)絡(luò)的智能調(diào)制方式識別、基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的智能信號解譯、同步、多普勒估計(jì)與補(bǔ)償、變頻解調(diào)、解幀、fft等模塊，實(shí)現(xiàn)了水聲通信信號調(diào)制方式的智能識別和四種水聲通信信號調(diào)制方式的智能信道估計(jì)與均衡處理。可以自適應(yīng)地為復(fù)雜應(yīng)用場景的時(shí)變水聲信道適配合適的水聲通信信號調(diào)制方式，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了多種水聲通信調(diào)制方式的智能識別和智能信號解譯，與傳統(tǒng)的信道估計(jì)和均衡信號處理方法相比，提升了信號解譯處理的性能，同時(shí)也解決了現(xiàn)有單制式單參數(shù)水聲通信、單制式多參數(shù)水聲通信、基于傳統(tǒng)信號處理的多制式水聲通信、智能單制式水聲通信在面臨復(fù)雜應(yīng)用場景的時(shí)變水聲信道的局限性的問題。