[發明專利]基于m序列的空間信道特性預測方法、系統及可存儲介質

在審

• 申請號: 202210022920.8
• 申請日: 2022-01-10
• 公開（公告）號: CN114374407A
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 周鋒;張寶勝;喬鋼
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: H04B1/69
• 分類號: H04B1/69;H04B13/02;H04B17/309;H04B17/391
• 代理公司: 北京睿智保誠專利代理事務所(普通合伙) 11732
• 代理人: 韓迎之

本發明公開了基于m序列的空間信道特性預測方法、系統及可存儲介質，屬于水聲信道通信技術領域，包括：設置陣列參數以及發射信號參數；根據設置的陣列參數以及發射信號參數截取采樣信號；對截取的采樣信號進行延時求和波束形成；將延時求和波束形成的數據進行捕獲，得到捕獲結果；根據捕獲結果生成延時角度分布圖，對信號延時與入射角度進行預測；根據信號延時與入射角度預測結果對路徑信號進行多普勒分析，完成空間信道特性預測。本發明解決了傳統波達方向預測、延時和多普勒問題，從而提高了空間信道特性的預測性能。

技術領域

本發明涉及水聲信道通信技術領域，更具體的說是涉及一種基于m序列的空間信道特性預測方法、系統及可存儲介質。

背景技術

無論采用何種通信模式，水聲信道的傳播特性對水聲通信系統的有效性和可靠性都產生了巨大的影響。在設計通信系統之前，需要對水聲信道的特性有充分的了解，因此水聲信道是水聲通信研究中的一個很重要的方面。

信號從發射機到達接收機可以借助許多不同的傳播路徑。水聲信號在傳播過程中由于介質的非均勻性會使得聲線彎曲，經過海底、海面的反射與折射產生多徑效應。從更高的層面講，實際環境中多徑的能量往往會“成組”地到達接收機，因此可以將同時到達多徑定義為一個“簇”，多徑簇的出現源于人們在無線信道測量中的觀察，在水下信道同樣也存在這個現象，多徑簇概念的應用能夠很好的提升信道建模的性能，在此基礎上獲得更多的信道信息，發展出更優秀的通信系統。多徑以簇的形式存在于實際信道中，主要是因為物理信道中散射體的離散分布，每個散射體都會形成一條或幾條路徑，聲波能量通過這些路徑從發射機傳送到接收機。在接收機處，這些簇以不同的時間、從不同的角度到達，但每一個簇內的多徑信號卻非常相似。因此，簇可以在時延域、角度域觀測到。

為了更好的研究空間信道的特性，觀測到多徑簇，并為通信系統開發創造先驗知識，現有技術中，通常是先利用傳統的波達方向預測(DOA)算法預測出信號的入射方向，再利用波束形成分離不同空間的信號加以利用，不涉及到時延和多普勒的預測，或者對于單個接收通道進行時延和多普勒預測。總的來說，信號方位譜預測、時延與多普勒預測都已經有大量的方法，但是卻是分開使用，雖然可以先預測信號方向再預測時延，但是會導致分辨率的問題，即相近的波達方向但不同到達時間的信號無法分辨，或者相近的到達時間但波達方向不同無法分辨。

具體的，傳統的波達方向預測(DOA)方法的問題有以下方面：

第一個問題，相干源DOA預測問題，由于傳播環境復雜，特別是對于通信來說，信號經過反射和折射到達接收機，各條路徑的信號便都是相干信號源，對于相干信號源，一般的DOA預測算法，如傳統的MUSIC、ESPRIT等子空間類算法，已經不能有效的分辨信號的DOA。常用的是降維處理，采取犧牲有效陣列孔徑來實現去相干，如空間平滑技術等，面對一些陣元個數較少的設備，難以在其上面完全解相干，在通信系統中，信道特性可能很復雜，隨著路徑數的增加，會進一步增加相干信號源的數目，且信道特性未知，到達接收機的相干信號源個數未知，如果需要完全解相干，需要留有很大冗余，這會導致陣列非常巨大，巨大的陣列在實際使用中會造成諸多不便。

第二個問題，信號源數目預測的問題，陣列信號處理中的大部分算法均需要知道入射信號個數，同樣信號源未知時需要先預測信號源個數或者留有冗余，當信號源個數預測有誤差，將會嚴重影響到DOA預測的結果。這些問題對于子空間類的DOA預測算法需要進一步解決，但是經典的延時求和波束形成便有這方面的優勢，延時求和波束形成只需要改變各個陣列輸入的延時，掃描一定方向內的入射信號，再利用匹配濾波器即輸入信號與樣本信號做相關，獲得信噪比最大的輸出信號，與信號入射相干源個數無關，雖然由于延時求和波束形成的分辨率較差，可能無法分辨，但是只要在某個方向有入射信號，那在這個方向便有增益。延時求和波束形成方法具有運算量小、穩健性好等優點，但延時求和波束形成所能提供的陣列增益有限，對于強干擾的抑制能力不強，其空間分辨力受到“瑞利限”的限制，對位于波束寬度內的多目標無能為力。