研究人员提出逐符号运动补偿的256QAM水声通信方案

近年来，对大深度快速运动场景下高谱效水声通信技术的需求不断增加。相干高阶调制方案是实现高谱效水声通信的主要手段,但要确保可靠通信,关键在于能够有效地跟踪并消除快时变信道特性。

在以往的研究中，针对高阶调制信号多采用嵌入锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）的判决反馈均衡器（Decision Feedback Equalizer, DFE）作为接收方案,但是PLL存在相位偏移估计性能随信号星座图案增大而降低的问题，在快速移动下仅利用PLL无法补偿严重的定时偏差，并且随着调制阶数的增加，DFE判决导引可靠性将降低。

中国科学院声学研究所海洋声学技术实验室博士研究生寇旭以及武岩波研究员等人利用后向维纳平滑滤波器(backward smoothing, BS)提高高阶调制下相位跟踪的准确性，提出了基于逐符号重采样的定时环路（Phase-and-Timing-Locked Loop, PTLL）补偿Doppler带来的信号相位扭曲和时间上的拉伸压缩。并且设计了一种逐符号的基于自适应信道估计的均衡结构(Adaptive Channel-Estimation based Equalizer, ACEE)，利用高阶高码率低译码延迟的网格编码调制技术（Trellis-Coded-Modulation, TCM）逐符号保护高阶调制信号的判决导引，提高均衡的准确性。相关研究成果发表于学术期刊Applied Acoustics。

数值仿真分析结果表明，这种接收方案可以容忍高达2 m/s²的径向相对加速度，而传统方案即使在使用多普勒效应预补偿的情况下也会在径向相对加速度为0.5 m/s²时表现出退化。在3700 m海区的试验中，频带为10±2.5 kHz，信噪比为24.06 dB，发射波束覆盖范围为±40°，通过四通道处理，实现了7.25 bps/Hz的频谱效率，超过134.13kbps×km。较传统相干水声通信方案，信噪比要求降低了6dB以上，可以实现更大的距离和角度覆盖范围。

本研究得到国家重点研发计划（No.2021YFC2800200）、国家自然科学基金（No.61971472）和中国科学院战略性先导科技专项（No.XDA22030101）的资助。

图1 判决反馈模式下所提接收框图（图/中国科学院声学研究所）

图2 四种接收方案在不同均匀加速度运动下的均衡性能（64-QAM）（图/中国科学院声学研究所）

（a）DFE-PLL （b）ACEE-TCM-PLL （c）ACEE-TCM-BS-PTLL

图3 解调后的符号（图/中国科学院声学研究所）

关键词：高谱效水声通信；快时变场景；锁相定时环路

参考文献：

Kou X, Wu Y, Zhu M, et al. High-spectral-efficiency underwater acoustic communication with integrated phase tracking and timing resampling in fast time-varying scenarios. Applied Acoustics, 2024, 221: 110031. DOI: 10.1016/j.apacoust.2024.110031

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2024.110031