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正交混沌星座调制多载波扩频水声通信

吴何, 马璐, 刘凇佐, 乔钢

吴何, 马璐, 刘凇佐, 乔钢. 正交混沌星座调制多载波扩频水声通信[J]. 声学学报. DOI: 10.12395/0371-0025.2024173
引用本文: 吴何, 马璐, 刘凇佐, 乔钢. 正交混沌星座调制多载波扩频水声通信[J]. 声学学报. DOI: 10.12395/0371-0025.2024173
WU He, MA Lu, LIU Songzuo, QIAO Gang. Multicarrier spread spectrum underwater acoustic communication based on orthogonal chaotic constellation modulation[J]. ACTA ACUSTICA. DOI: 10.12395/0371-0025.2024173
Citation: WU He, MA Lu, LIU Songzuo, QIAO Gang. Multicarrier spread spectrum underwater acoustic communication based on orthogonal chaotic constellation modulation[J]. ACTA ACUSTICA. DOI: 10.12395/0371-0025.2024173
吴何, 马璐, 刘凇佐, 乔钢. 正交混沌星座调制多载波扩频水声通信[J]. 声学学报. CSTR: 32049.14.11-2065.2024173
引用本文: 吴何, 马璐, 刘凇佐, 乔钢. 正交混沌星座调制多载波扩频水声通信[J]. 声学学报. CSTR: 32049.14.11-2065.2024173
WU He, MA Lu, LIU Songzuo, QIAO Gang. Multicarrier spread spectrum underwater acoustic communication based on orthogonal chaotic constellation modulation[J]. ACTA ACUSTICA. CSTR: 32049.14.11-2065.2024173
Citation: WU He, MA Lu, LIU Songzuo, QIAO Gang. Multicarrier spread spectrum underwater acoustic communication based on orthogonal chaotic constellation modulation[J]. ACTA ACUSTICA. CSTR: 32049.14.11-2065.2024173

正交混沌星座调制多载波扩频水声通信

基金项目: 国家重点研发计划项目(2023YFC3010800)、国家自然科学基金项目(62271161)、山东省重点研发计划项目(2022CXGC020409)和深圳市科技计划项目 (JSGG20220831103800001)资助
详细信息
    通讯作者:

    马璐, malu@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: 43.30, 43.60

  • PACS: 
    • 43.35  (Ultrasonics, quantum acoustics, and physical effects of sound)

Multicarrier spread spectrum underwater acoustic communication based on orthogonal chaotic constellation modulation

  • 摘要:

    针对多载波水声通信的信息安全和被调制识别的风险, 提出了基于正交混沌星座调制的多载波扩频水声通信方法。在发射端, 结合双通道M元扩频调制和多载波调制, 设计了一种具有二维混沌特征的星座符号以携带信息, 实现了物理层加密; 为克服深海大时延扩展, 在接收端采用基于门限降噪被动时间反转处理的M元解扩方法, 并提出了基于多尺度自动峰值检测的软门限降噪被动时反改进方法。由k均值聚类、统计分析、相空间重构方法进行了安全性分析, 并基于实测深海信道仿真了系统的误码率性能。结果表明, 所提方法在保证可靠性的前提下, 能有效增强多载波水声通信的保密性。在声道轴深度进行了深海试验验证, 实现通信速率为150 bit/s, 通信距离150 km, 误码率小于1.16 × 10−4的安全可靠通信。

    Abstract:

    The multicarrier underwater acoustic (UWA) communication faces the risk of modulation recognition and information security. This paper proposes a multicarrier spread spectrum UWA communication method based on orthogonal chaotic constellation modulation. By combining two channel M-ary spread spectrum modulation and multicarrier modulation, two-dimensional chaotic constellation symbols are designed to modulate the transmitted bits, which enhances the physical layer security. The receiver adopts an M-ary despreading method based on threshold denoising passive time reversal for large delay spread of deep sea UWA channel. Then, a passive time reversal improvement method is proposed based on the automatic multiscale based peak detection (AMPD) soft threshold denoising. The k-means clustering, statistical analysis and phase space reconstruction are used to analyze the communication security, and the bit error rate (BER) simulation on the deep sea UWA channel is performed. The simulation results show that on the premise of ensuring the reliability, the proposed method can effectively enhance the security of the multicarrier UWA communication system. In addition, the deep-sea experiment verification at the depth of the acoustic axis is tested. The proposed method achieves secure and reliable UWA communication with the communication distance of 150 km and the communication rate of 150 bit/s and the BER less than 1.16 × 10−4.

  • 图  1   混沌序列的自相关和互相关结果 (a) 自相关; (b) 互相关

    图  2   混沌序列与m序列的自相关结果对比 (a) 序列长1023; (b) 序列长63

    图  3   正交混沌星座调制流程

    图  4   子载波交织示意图

    图  5   被动时间反转及降噪处理流程

    图  6   各类星座图 (a) 正交混沌星座调制星座图; (b) 混沌量化星座图; (c) 混沌调相星座图; (d) 密钥加密星座图

    图  7   各类星座图k均值聚类结果 (a) 正交混沌星座调制星座图聚类(聚类数4, 轮廓系数0.683); (b) 混沌量化星座图聚类(聚类数4, 轮廓系数1); (c) 混沌调相星座图聚类(聚类数4, 轮廓系数0.711); (d) 密钥加密星座图聚类(聚类数4, 轮廓系数0.517)

    图  8   星座符号统计分析结果 (a) 正交混沌星座调制相位分布; (b) 正交混沌星座调制模值分布; (c) 密钥加密相位分布; (d) 密钥加密模值分布

    图  9   伪相空间轨迹分析 (a) 正交混沌星座调制伪相空间轨迹; (b) 混沌量化伪相空间轨迹; (c) 混沌调相伪相空间轨迹; (d) 密钥加密伪相空间轨迹

    图  10   仿真多载波扩频系统发射帧结构

    图  11   实测深海信道 (a) 声道轴44 km; (b) 声道轴110 km; (c) 声道轴150 km; (d) 浅发深收信道13 km; (e) 浅发浅收信道22 km

    图  12   理想的Rake接收与理想的虚拟时反性能对比

    图  13   理想的虚拟时反与被动时反等效信道对比 (a) 理想的虚拟时反信道; (b)降噪后等效信道对比

    图  14   110 km声道轴信道下各类处理方法误码率性能对比 (a) 未编码; (b) 1/2 LDPC

    图  15   不同信道下门限降噪被动时反的误码率性能 (a) 未编码; (b) 1/2 LDPC

    图  16   110 km声道轴信道下各类调制方法的误码率性能对比

    图  17   实验场景

    图  18   声速剖面

    图  19   试验数据包信号帧结构

    图  20   试验接收信号信噪比

    图  21   声道轴试验信道 (a) 50 km信道; (b) 100 km信道; (c) 150 km信道

    图  22   150 km信道软门限降噪结果 (a) 软门限计算; (b) 信道软门限降噪结果

    图  23   单个数据包星座符号统计分析结果 (a) 相位分布; (b) 模值分布

    表  1   基于AMPD的软门限计算方法

    输入: h(t), num, ξ
    1. 计算hnorm(t)=|h(t)|/max
    2. 将 {h'_{\text{norm}}}(t) 分为 {n_{\text{um}}} 组计算均值, 得到 {{\boldsymbol{m}}_{\text{ean}}}
    3. 由AMPD算法对 {{\boldsymbol{m}}_{\text{ean}}} 进行峰值搜索, 得到峰值序列 {{\boldsymbol{m}}_{\text{peak}}} ; 对 {{\boldsymbol{m}}_{\text{ean}}} 中的非峰值项 {{\boldsymbol{m}}'_{\text{ean}}} 求取均值, 得到 {\overline m_{\text{ean}}} = E\left( {{{\boldsymbol{m}}'_{\text{ean}}}} \right)
    4. 在 {{\boldsymbol{m}}_{\text{peak}}} 中排除小于 \xi \max ({{\boldsymbol{m}}_{\text{peak}}}) 的峰值得到 {{\boldsymbol{m}}'_{\text{peak}}} , 最小值为 {{\boldsymbol{m}}_{in}} = {\mathrm{min}}({{\boldsymbol{m}}'_{\text{peak}}})
    5. 若 {{\boldsymbol{m}}_{in}} < \dfrac{{{{\overline m}_{\text{ean}}}}}{\xi } , 则 {n_{\text{um}}} = {n_{\text{um}}} + 10 , 重复执行步骤2-4。若 {{\boldsymbol{m}}_{in}} \geqslant \dfrac{{{{\overline m}_{\text{ean}}}}}{\xi } , 则 {\varGamma _h} = \dfrac{{{{\overline m}_{\text{ean}}}}}{\xi }\max \left( {\left| {h'(t)} \right|} \right)
    输出: {\varGamma _h}
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    表  2   仿真多载波扩频系统参数

    参数 符号 取值
    采样频率 (kHz) {f_s} 48
    带宽 (kHz) B 2
    中心频率 (kHz) {f_{\text{c}}} 3
    子载波总数 K 512
    符号周期 (s) {T_{\text{d}}} 0.256
    补零后缀 (s) {T_{\text{zp}}} 0.064
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    表  3   各类调制方法的通信速率

    参数 扩频序列
    长度 N
    M 元扩频
    参数 {\log _2}M
    通信速率 {R_{\text{b}}}
    (bit/s)
    混沌调制64-6 64 6 300
    混沌调制32-3 32 3 300
    混沌调制32-6 32 6 600
    混沌调相64-6 64 6 150
    混沌调相32-3 32 3 150
    混沌调相32-6 32 6 300
    混沌量化64-6 64 6 300
    密钥加密 64 6 300
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    表  4   海试实验系统参数

    参数 符号 取值
    M 元扩频 {\log _2}M 6
    扩频序列长度 N 64
    信道编码码率 {r_{\text{c}}} 1/2
    采样频率 (kHz) {f_s} 96
    带宽 (kHz) B 2
    中心频率 (kHz) {f_{\text{c}}} 3
    子载波总数 K 512
    符号周期 (s) {T_{\text{d}}} 0.256
    补零后缀 (s) {T_{\text{zp}}} 0.064
    限幅参数 \lambda 0.65
    峰均比 (dB) {P_{\text{APR}}} 7.8
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    表  5   试验数据解调结果

    通信距离数据包数未编码误码率(降噪前)未编码
    误码率
    1/2LDPC误码率(降噪前)1/2LDPC
    误码率
    50 km90000
    100 km90000
    150 km90.01690.00200.00780
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    表  6   150 km距离不同深度接收数据安全性检验结果

    序号123456789
    接收深度 (m)28843673793810601240168520403050
    信噪比 (dB)3.959.9417.5318.657.9518.4411.928.077.51
    轮廓系数均值0.7020.7340.6880.6930.6960.7260.7150.6690.698
    误码率00.500000.500
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图(23)  /  表(6)
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-06-13
  • 修回日期:  2024-08-15
  • 网络出版日期:  2025-04-19

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