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多制式水声通信接收机智能解译网络设计

刘兰军 成子宁 陈家林 黎明 刘鸿浩

刘兰军, 成子宁, 陈家林, 等. 多制式水声通信接收机智能解译网络设计[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(2): 280-290 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0174
引用本文: 刘兰军, 成子宁, 陈家林, 等. 多制式水声通信接收机智能解译网络设计[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(2): 280-290 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0174
LIU Lanjun, CHENG Zining, CHEN Jialin, LI Ming, LIU Honghao. Design of Intelligent Interpretation Network for Underwater Acoustic Communication Receiver with Multiple Signal Modulations[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(2): 280-290. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0174
Citation: LIU Lanjun, CHENG Zining, CHEN Jialin, LI Ming, LIU Honghao. Design of Intelligent Interpretation Network for Underwater Acoustic Communication Receiver with Multiple Signal Modulations[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(2): 280-290. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0174

多制式水声通信接收机智能解译网络设计

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0174
基金项目: 国家自然科学基金重点项目资助(61431005).
详细信息
    作者简介:

    刘兰军(1979-), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为嵌入式技术与智能仪器、水下精密实时感知、智能信息处理与系统

    通讯作者:

    陈家林(1989-), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为嵌入式技术与智能仪器、水下精密实时感知.

  • 中图分类号: TJ630.34; U674.94

Design of Intelligent Interpretation Network for Underwater Acoustic Communication Receiver with Multiple Signal Modulations

  • 摘要: 针对复杂应用场景的信道自适应高质量水声通信需求, 提出了一种支持正交频分复用(OFDM)、单载波调制(SCM)、多载波频域扩频(MC-FDSS)和单载波时域扩频(SC-TDSS) 等4种信号调制方式的多制式水声通信接收机智能解译网络设计方案, 分别采用基于全连接深度神经网络(FC-DNN)和长短期记忆(LSTM)网络的智能解译模块代替传统的信道估计和信道均衡模块, 针对非扩频和扩频信号调制方式设计了易于并行扩展的深度学习网络结构。基于5种典型时变信道模型进行了网络训练和测试, 测试结果表明, 设计的2种智能解译网络相较于传统的最小二乘(LS)估计+迫零均衡、LS估计+最小均方误差信道估计均衡方法, 系统性能均有较大提升。在信噪比5 dB条件下, OFDM和SCM非扩频信号调制方式的系统误码率分别降低了约10倍和100倍; 信噪比−5 dB条件下, MC-FDSS和SC-TDSS扩频信号调制方式的系统误码率分别降低了约100倍和1 000倍; 设计的2种智能解译网络的系统性能相当, 均具有良好的泛化性能, 基于FC-DNN的智能解译网络的计算复杂度较低。

     

  • 图  1  智能多制式水声通信系统

    Figure  1.  Intelligent underwater acoustic communication system with multiple signal modulations

    图  2  4种信号调制方式的信号处理

    Figure  2.  Signal processing of four signal modulations

    图  3  数据帧结构

    Figure  3.  Data frame structure

    图  4  FC-DNN网络结构

    Figure  4.  FC-DNN network structure

    图  5  LSTM网络单元结构

    Figure  5.  Unit structure of LSTM network

    图  6  智能多制式接收机结构

    Figure  6.  Structure of intelligent receiver with multiple signal modulations

    图  7  智能解译网络结构

    Figure  7.  Intelligent signal interpretation network architecture

    图  8  5种信道冲激响应

    Figure  8.  Impulse response for the five channels

    图  9  网络训练RMSE曲线

    Figure  9.  RMSE curves of network training

    图  10  CH1信道下智能解译网络与传统方法对比

    Figure  10.  Comparison between intelligent interpretation network and traditional methods in CH1 channel

    图  11  CH1信道下智能解译网络性能测试结果

    Figure  11.  Test results of intelligent interpretation network in CH1 channel

    图  12  CH2与CH3信道下智能解译网络性能测试结果

    Figure  12.  Test results of intelligent interpretation network in CH2 and CH3 channel

    图  13  CH4信道下智能解译网络的性能测试结果

    Figure  13.  Test results of intelligent interpretation network in CH4 channel

    图  14  CH5信道下智能解译网络性能测试结果

    Figure  14.  Test results of intelligent interpretation network in CH5 channel

    表  1  水声通信系统参数

    Table  1.   Parameters of underwater acoustic communication system

    参数名称 OFDM SCM MC-FDSS SC-TDSS
    数字调制 QPSK QPSK QPSK QPSK
    频域导频数 56 56
    子载波数 64 1 64 1
    扩频码长度 16 16
    通信速率/(kbit/s) 39.36 4.92 2.46 0.31
    带宽/kHz 21~27 21~27 21~27 21~27
    采样频率/kHz 96 96 96 96
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    表  2  非扩频信号FC-DNN网络结构

    Table  2.   FC-DNN network structure for none spread spectrum signals

    类型激活函数神经元个数
    输入层256
    隐藏层1ReLU500
    隐藏层2ReLU250
    隐藏层3ReLU120
    输出层sigmoid16
    下载: 导出CSV

    表  3  扩频信号FC-DNN网络结构

    Table  3.   FC-DNN network structure for spread spectrum signals

    类型激活函数神经元个数
    输入层256
    隐藏层1ReLU500
    隐藏层2ReLU250
    输出层sigmoid8
    下载: 导出CSV

    表  4  LSTM网络结构

    Table  4.   LSTM network architecture

    类型激活函数神经元个数
    输入层256
    LSTM层1tanh / sigmoid128
    LSTM层2tanh / sigmoid64
    输出层sigmoid16(非扩频)/
    8(扩频)
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    表  5  水声信道模型参数

    Table  5.   Underwater acoustic channel model parameters

    信道H/mD/m位置最大时延/ms
    CH11001 00030
    CH21001 00028
    CH31001 00028
    CH41005 00048
    CH55001 00021
    下载: 导出CSV

    表  6  神经网络训练参数

    Table  6.   Training parameters for neural networks

    参数 设置
    训练信噪比/dB 25
    测试信噪比/dB −30~10
    优化算法 Adam
    训练数据集 CH1信道每种调制35 000帧
    验证数据集 CH1信道每种调制15 000帧
    测试数据集 5种信道每种信噪比2 000帧
    验证集评估频率 500
    训练最大轮数 50(非扩频)/20(扩频)
    每轮迭代次数 700
    学习率 初始0.001, 两轮后0.000 8
    L2正则化 0.002
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    表  7  软硬件环境

    Table  7.   Software and hardware environment

    配置项目 参数
    CPU 12th Gen Intel(R) Core(TM) i7-12700
    内存 32 GB
    GPU NVIDIA Geforce RTX 4060Ti
    显存 24 GB
    仿真软件 MATLAB 2022b
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    表  8  网络复杂度

    Table  8.   Complexity of neural networks

    神经网络类型 参数量 存储/MB FLOPS
    FC-DNN非扩频 2.29×106 8.52 9.12×106
    FC-DNN扩频 0.26×106 0.97 1.02×106
    LSTM非扩频 1.98×106 7.46 2.20×107
    LSTM扩频 0.25×106 0.93 3.64×106
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-12-20
  • 修回日期:  2025-03-06
  • 录用日期:  2025-03-10
  • 网络出版日期:  2025-04-09

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