π—旋轉(zhuǎn)LDPC碼在水聲信道中的性能研究

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1、doi:10.6043/j.issn.0438-0479.201709025多跳水聲協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中的隱蔽通信與能量消耗優(yōu)化陳友淦，劉均慧，許肖梅*（廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院，水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361102）摘要:多跳水聲協(xié)作網(wǎng)絡(luò)可提高數(shù)據(jù)傳輸速率、降低系統(tǒng)整體能量消耗，但隱蔽性卻大大降低。以在多跳水聲協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行隱蔽通信為目標(biāo)，研究相同檢測(cè)概率情況下如何選擇最優(yōu)跳數(shù)使系統(tǒng)功耗最小的方法。根據(jù)多跳水聲協(xié)作網(wǎng)絡(luò)隱蔽通信系統(tǒng)的檢測(cè)概率計(jì)算模型和該系統(tǒng)的能量消耗計(jì)算模型，在兼顧檢測(cè)概

2、率與能量消耗的條件下，推導(dǎo)了系統(tǒng)最佳跳數(shù)的取值范圍，并仿真分析了不同目標(biāo)信噪比、工作距離等因素對(duì)系統(tǒng)跳數(shù)優(yōu)化選擇的影響。仿真結(jié)果表明，在給定的仿真條件下，多跳水聲協(xié)作網(wǎng)絡(luò)隱蔽通信系統(tǒng)的跳數(shù)取2~6之間，可滿足檢測(cè)概率小于0.5的隱蔽通信要求，同時(shí)系統(tǒng)能量消耗相對(duì)較低。關(guān)鍵詞:水聲通信；協(xié)作通信；隱蔽通信；能量?jī)?yōu)化；檢測(cè);概率中圖分類號(hào)：TN929.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A1313收稿日期：2017-09-24錄用日期：2017-11-17基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC1400200)；國(guó)家自然科學(xué)

3、基金(41476026，41676024，41376040)；廈門大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(2016Y1114)*通信作者：xmxu@xmu.edu.cn近年來(lái)，由于可實(shí)現(xiàn)大面積覆蓋、提高數(shù)據(jù)傳輸速率等優(yōu)勢(shì)，水聲協(xié)作通信技術(shù)發(fā)展迅猛[1-3]。與無(wú)線電磁波信道相比，水聲信道具有載波頻率低、帶寬窄、波速低、多途延時(shí)長(zhǎng)及多普勒頻移相對(duì)較大等特點(diǎn)[1]。Stojanovic[2]研究表明，通過(guò)短距離多跳實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)程水聲數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃晠f(xié)作通信系統(tǒng)，比直接進(jìn)行遠(yuǎn)程水聲通信更節(jié)約系統(tǒng)整體能量消耗；此外，由于傳輸距

4、離的縮短，可適當(dāng)提高工作頻率、拓寬水聲通信系統(tǒng)可用帶寬，有利于提高水聲通信速率。對(duì)于給定水下通信距離，存在一個(gè)最佳通信頻率，使得系統(tǒng)的能量消耗最小。對(duì)于多跳水聲協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)，Kam等[3]從系統(tǒng)能量消耗優(yōu)化角度研究了如何選擇最優(yōu)工作頻率和布放節(jié)點(diǎn)位置的問(wèn)題，同時(shí)指出：在由信源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)分布成一條直線的串行水聲多跳系統(tǒng)中，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)與信源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)等距時(shí)，系統(tǒng)的整體能耗最小、性能最佳。然而，由于軍事指揮、控制及通信、沿海監(jiān)測(cè)和海底作戰(zhàn)等特殊應(yīng)用場(chǎng)景的需求發(fā)展，對(duì)水聲協(xié)作通信系統(tǒng)的隱蔽性

5、要求越來(lái)越高[4]。13目前，關(guān)于隱蔽水聲通信的研究，主要集中在直序擴(kuò)頻水聲通信的隱蔽性分析方面[5-6]，較少涉及水聲協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的隱蔽通信研究[4]。相比之下，隱蔽射頻通信和隱蔽雷達(dá)系統(tǒng)的研究則相對(duì)成熟，包括常規(guī)擴(kuò)頻、混沌電路和混沌調(diào)制，以及敏捷波形設(shè)計(jì)等[7-8]。Weeks等[7-8]提出低概率檢測(cè)（lowprobabilityofdetection，LPD）等作為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線電磁波通信系統(tǒng)隱蔽性和隱身性的量化指標(biāo)；LPD定義為在給定的恒虛警率（constantfalsealarmrate，CF

6、AR）條件下，“通用”能量檢測(cè)器/截獲接收機(jī)無(wú)法在相應(yīng)范圍內(nèi)檢測(cè)到檢測(cè)概率高于0.5的通信信號(hào)；然而，由于受到發(fā)射機(jī)特性、檢測(cè)器參數(shù)、接收機(jī)行為和信道等多種因素的影響，LPD的測(cè)量值變化很大。Zheng等[4]研究表明，由于在水聲協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，通信接收機(jī)的高接收性能是通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)形成空間分集增益獲得的，而從隱蔽性角度看，截獲接收機(jī)也將同樣獲得空間分集增益，則其LPD性能指標(biāo)比點(diǎn)對(duì)點(diǎn)水聲通信系統(tǒng)差。因此，如何在維持水聲協(xié)作通信系統(tǒng)高數(shù)據(jù)率、大覆蓋范圍、低系統(tǒng)能量消耗等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，兼顧滿足隱蔽通信L

7、PD指標(biāo)，具有重要研究意義。本研究擬對(duì)多跳水聲協(xié)作網(wǎng)絡(luò)隱蔽通信的檢測(cè)概率及系統(tǒng)能量消耗進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化研究，通過(guò)研究不同目標(biāo)信噪比、通信距離、截獲接收機(jī)位置等因素對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)概率和能量消耗的影響，進(jìn)行多跳水聲協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)跳數(shù)選擇分析。1系統(tǒng)模型與檢測(cè)概率計(jì)算1.1多跳水聲協(xié)作網(wǎng)絡(luò)隱蔽通信系統(tǒng)模型如圖1所示，在所考慮的多跳水聲協(xié)作網(wǎng)絡(luò)隱蔽通信系統(tǒng)中，信源節(jié)點(diǎn)(Transmitter，Tx)、中繼節(jié)點(diǎn)(Relay，Rk，k=0,1,2,…,K,當(dāng)k=0時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)即為信源節(jié)點(diǎn))和目的節(jié)點(diǎn)(Destinati

8、on，Ds)分布在一條直線上，且K個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)（Rk）均勻分布在信源節(jié)點(diǎn)(Tx)和目的節(jié)點(diǎn)（Ds）之間，截獲接收機(jī)（Ix）分布在Tx和Ds的中垂線上。假設(shè)通過(guò)發(fā)送功率控制等措施，可讓每個(gè)Rk只接收來(lái)自前一個(gè)Rk-1的信號(hào)并且向下一個(gè)Rk+1發(fā)送信號(hào)。13圖1多跳水聲協(xié)作網(wǎng)絡(luò)隱蔽通信系統(tǒng)模型（K取偶數(shù)為例）Fig.1Muti-hopunderwateracousticcooperativenetworkcovertcommunicationsystemmod