付曉梅　賈碧群　王思寧

摘? ?要：深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的自動(dòng)編碼器（Autoencoder，AE）通過收發(fā)端兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行全局優(yōu)化，利用端到端的訓(xùn)練方式以提高通信系統(tǒng)的可靠性. 然而，現(xiàn)有對(duì)AE的研究未針對(duì)信道進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，尤其對(duì)于時(shí)變的水聲信道的多徑效應(yīng)，難以進(jìn)行靈活調(diào)整，降低了該方法的實(shí)用性. 本文提出一種提高水聲通信系統(tǒng)信道環(huán)境適應(yīng)性的Attention-Autoencoder網(wǎng)絡(luò)模型，基于Attention網(wǎng)絡(luò)可以高效地從大量信息中篩選出關(guān)鍵信息的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)水聲信道的Attention機(jī)制，該機(jī)制能夠增加網(wǎng)絡(luò)提取水聲信道特征的能力，使系統(tǒng)的適應(yīng)性大大提高. 仿真驗(yàn)證和湖試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于Attention-Autoencoder網(wǎng)絡(luò)模型的通信系統(tǒng)與基于文獻(xiàn)中AE模型和沒有引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水聲通信系統(tǒng)相比，具有更高的信道環(huán)境適應(yīng)性.

關(guān)鍵詞： OFDM;水聲通信;注意力網(wǎng)絡(luò)（Attention）;自動(dòng)編碼器（Autoencoder，AE）

中圖分類號(hào)：TN? 929.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Underwater Acoustic Communication System with

High Environmental Adaptability Based on Deep Neural Network

FU Xiaomei JIA Biqun WANG Sining

（School of Marine Science and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：The Autoencoder（AE） in the deep neural network is globally optimized through two neural network modules at the transmitter and receiver，and uses end-to-end training to improve the reliability of the communication system. However，the existing research on the AE does not have a special design for the channel，especially for the multipath effect of the time-varying underwater acoustic channel，and thus it is difficult to make flexible adjustments，which reduces the practicability of the method. This paper proposes an Attention-Autoencoder network model to improve the adaptability of the underwater acoustic communication system channel environment. Based on the Attention network's characteristic that it can efficiently filter out key information from a large amount of information，an Attention mechanism for the underwater acoustic channel is designed. The mechanism can increase the ability of the network to extract the characteristics of the underwater acoustic channel and greatly improve the adaptability of the system. Simulation verification and lake test results show that the communication system based on a comparision of. Attention-Autoencoder network model with the AE model in the literature and the underwater acoustic communication system without the introduction of neural networks，has a higher channel environment adaptability.

Key words：orthogonal frequency division multiplexing（OFDM）; underwater acoustic communication;attention;autoencoder（AE）

水聲通信在海洋信息數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測(cè)、沿海石油勘探等方面發(fā)揮著重要的作用. 水聲信道由于具有快時(shí)變、窄帶寬、顯著的多徑效應(yīng)和多普勒頻移等特性，是最復(fù)雜的信道之一[1]，在水聲通信系統(tǒng)中需要準(zhǔn)確估計(jì)和跟蹤信道狀態(tài)信息（CSI）.

近年來，將深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Deep Neural Net-work， DNN）引入水聲通信的接收端，取得了一些積極進(jìn)展，文獻(xiàn)[2]利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替信道估計(jì)模塊，與最小二乘（LS）算法相比提高了信道估計(jì)的精度;文獻(xiàn)[3]利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接代替信道估計(jì)與均衡，提高了系統(tǒng)的可靠性;文獻(xiàn)[4]使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替接收端的解調(diào)、信道估計(jì)與均衡及星座圖解映射幾個(gè)部分，較大程度地降低了系統(tǒng)誤碼率.

與僅用于接收端的DNN模型不同，自動(dòng)編碼器（Autoencoder，AE）是一種由收發(fā)端兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊組成的模型，通常，AE模型中發(fā)送端網(wǎng)絡(luò)用于編碼，接收端網(wǎng)絡(luò)用于解碼[5-7];文獻(xiàn)[8]提出利用自動(dòng)編碼器構(gòu)建端到端的通信系統(tǒng)，將通信系統(tǒng)的接收端和發(fā)送端用自動(dòng)編碼器替代，結(jié)果表明基于該自動(dòng)編碼器的系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng);文獻(xiàn)[9]將整個(gè)系統(tǒng)均用自動(dòng)編碼器表示，包括編碼器、信道正則器和解碼器幾個(gè)部分，以便更加準(zhǔn)確地恢復(fù)輸入的信號(hào);文獻(xiàn)[10]利用自動(dòng)編碼器實(shí)現(xiàn)一個(gè)端到端的通信系統(tǒng)，并將這一思路拓展到MIMO系統(tǒng)中;文獻(xiàn)[11]將自動(dòng)編碼器應(yīng)用到OFDM系統(tǒng)，利用自動(dòng)編碼器代替OFDM 的發(fā)送端和接收端，結(jié)果表明在多徑信道環(huán)境下，基于自動(dòng)編碼器的OFDM系統(tǒng)比傳統(tǒng)方法能更好地進(jìn)行信道均衡和頻率偏移補(bǔ)償.

然而，現(xiàn)有的大部分的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均在無線通信中應(yīng)用廣泛，由于水聲信道特征與陸上無線通信的信道具有不同的特性，現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)模型無法直接應(yīng)用于水聲通信中. 研究過程中我們發(fā)現(xiàn)，大部分現(xiàn)有基于深度學(xué)習(xí)的系統(tǒng)只是把深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)做一個(gè)“黑盒子”，沒有針對(duì)信道環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，缺乏考慮實(shí)際測(cè)試場(chǎng)景的因素，無法根據(jù)特定的場(chǎng)景環(huán)境進(jìn)行迅速調(diào)整，離線完成訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)無法適用于有一定變化的測(cè)試環(huán)境.

注意力（Attention）模型將網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重重新分布，使注意力專注于重要的輸入，當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理大量的輸入信息時(shí)，可以借鑒人腦的注意力機(jī)制，只選擇一些關(guān)鍵的信息進(jìn)行處理并規(guī)避干擾，從而增加網(wǎng)絡(luò)提取特征的能力. 利用Attention網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，文獻(xiàn)[12]將Attention網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成層疊結(jié)構(gòu)用于全局圖像的感知與識(shí)別，以達(dá)到更加精準(zhǔn)的圖片分類結(jié)果;文獻(xiàn)[13]中提出了一種順序注意模型處理圖像字幕，通過考慮相應(yīng)的順序關(guān)系來處理視覺注意，從而很好地利用了單詞內(nèi)在聯(lián)系來增強(qiáng)句子解碼過程中的視覺信息;文獻(xiàn)[14]提出了一種基于殘差學(xué)習(xí)和時(shí)空注意力機(jī)制的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（R-STAN），使其更加注重區(qū)分時(shí)間和空間特征，解決了視頻中存在著大量的時(shí)空冗余信息的問題.

為了提高適應(yīng)性，本文在傳統(tǒng)OFDM水聲通信系統(tǒng)中加入AE，并引入一種針對(duì)水聲信道的Attention機(jī)制，該機(jī)制能夠增加網(wǎng)絡(luò)提取水聲信道特征的能力，并保留了具體的通信模塊，如編碼、星座映射、調(diào)制、加循環(huán)前綴等過程，避免了整個(gè)基于Attention-Autoencoder的水聲通信系統(tǒng)成為一個(gè)巨大的“黑匣子”，使系統(tǒng)的可控性和環(huán)境適應(yīng)性大大提高.

1? ?基于Attention-Autoencoder的水聲通信系統(tǒng)

基于Attention-Autoencoder模型的水聲通信系統(tǒng)框圖如圖1所示. 發(fā)送端的輸入是隨機(jī)生成的，經(jīng)過星座圖映射為符號(hào)，符號(hào)映射方式為QPSK，串并變換后進(jìn)行快速傅里葉算法逆變換（inverse fast Fourier transform， IFFT），從頻域信號(hào)X（k）獲得時(shí)域信號(hào)，記作X（n）∈R^M. 將進(jìn)入自動(dòng)編碼器的發(fā)送端網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后記作x′（n），為了降低符號(hào)間干擾和子載波間干擾，在x′（n）的前端插入循環(huán)前綴（CP），得到t（n）∈R^N. 進(jìn)入Attention網(wǎng)絡(luò)后，通過激勵(lì)函數(shù)Tanh層和Softmax層得到概率權(quán)重后再與原輸入h（n）相乘，其目的是通過Softmax激活層將輸入的權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，更加忽略或側(cè)重某個(gè)輸入，從而更專注于找到未知水聲信道的顯著有效信息，這樣可以有效篩選數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)的泛化能力提高，最后將Attention網(wǎng)絡(luò)的輸出還原成復(fù)數(shù)形式h′（n），再將信道h（n）與信號(hào)進(jìn)行卷積，M表示信號(hào) 的長(zhǎng)度，N表示信號(hào)t（n）的長(zhǎng)度. 卷積過程如式（1）所示：

2? ?Attention-Autoencoder網(wǎng)絡(luò)模型

2.1? ?Attention網(wǎng)絡(luò)

2.2? ?Autoencoder網(wǎng)絡(luò)

3? ?網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

Attention-Autoencoder網(wǎng)絡(luò)模型以端到端的方式訓(xùn)練信號(hào)數(shù)據(jù)，該模型使用離線訓(xùn)練結(jié)合在線測(cè)試的方式以減少運(yùn)行所消耗的時(shí)間. 基于Bellhop的水聲信道模型獲得不同環(huán)境下的訓(xùn)練和測(cè)試數(shù)據(jù)集，訓(xùn)練集與測(cè)試集的樣本個(gè)數(shù)分別為400和100，并結(jié)合真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境1、2、3、4進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證. OFDM水聲通信系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示，在每次仿真中會(huì)隨機(jī)生成 0，1 序列作為系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)流，分別表示為導(dǎo)頻信息與信號(hào)信息，其比值為1 ∶ 1，導(dǎo)頻插入方式為塊狀導(dǎo)頻. 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸后接收到的數(shù)據(jù)和原始生成的隨機(jī)傳輸數(shù)據(jù)被稱為訓(xùn)練數(shù)據(jù). 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過程中通過調(diào)整每個(gè)神經(jīng)元的權(quán)重，最小化輸出Y（k）與輸入X（k）之差.

4? ?仿真實(shí)驗(yàn)與分析

4.1? ?水聲信道環(huán)境

本文基于Stojanovic等[15]模擬了7種不同的環(huán)境如表2所示，用來測(cè)試系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性. 分別考慮傳輸距離、最大時(shí)延擴(kuò)展和多普勒頻移幾個(gè)影響因素.

4.2? ?Attention網(wǎng)絡(luò)對(duì)水聲信道沖激響應(yīng)的影響

為了驗(yàn)證上述Attention網(wǎng)絡(luò)的效果與作用，我們將未經(jīng)過Attention網(wǎng)絡(luò)的水聲信道沖激響應(yīng)與經(jīng)過Attention網(wǎng)絡(luò)后的水聲信道沖激響應(yīng)歸一化后進(jìn)行了對(duì)比，如圖6所示.

圖6比較了利用仿真環(huán)境2訓(xùn)練模型、用仿真環(huán)境3進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過Attention網(wǎng)絡(luò)和未經(jīng)過Attention網(wǎng)絡(luò)的水聲信道沖激響應(yīng)，從圖中可以看到，經(jīng)過Attention網(wǎng)絡(luò)后的信道多徑數(shù)明顯減少，只保留了水聲信道中的最大徑，這表明利用Attention網(wǎng)絡(luò)機(jī)制可以有效地對(duì)水聲信道多徑信息進(jìn)行篩選，盡量保留最大的信道沖激響應(yīng)，過濾抑制其他的較小徑，這種設(shè)計(jì)針對(duì)強(qiáng)多徑的水聲信道具有較好的實(shí)際物理意義.

4.3? ?相同環(huán)境下不同的信道估計(jì)方法的影響

圖7對(duì)比了訓(xùn)練集與測(cè)試集相同環(huán)境下（模型在環(huán)境2下訓(xùn)練，環(huán)境2下測(cè)試）不同信道估計(jì)方法，將本文設(shè)計(jì)的基于Attention-AE的系統(tǒng)、未加Attention的AE系統(tǒng)、AE[11]和DNN接收機(jī)[4]相比，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估. 從圖中可以看出在不同信噪比（SNR）下Attention-AE系統(tǒng)誤碼率始終最低，不僅優(yōu)于基于傳統(tǒng)的信道估計(jì)方式LS和最小均方誤差（MMSE）的系統(tǒng)，且相較于不加Attention的AE系統(tǒng)、文獻(xiàn)中AE和DNN接收機(jī)系統(tǒng)，該Attention-AE系統(tǒng)的性能更佳，并在信噪比為25 dB時(shí)的誤碼率（BER）達(dá)到了10-4，而基于AE的系統(tǒng)只達(dá)到10-3. 因此可以得出，本文設(shè)計(jì)的基于Attention-AE模型的水聲通信系統(tǒng)可以對(duì)信道進(jìn)行有效篩選，減小多徑對(duì)信號(hào)的影響，使得系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，誤碼率水平優(yōu)于基于傳統(tǒng)的信道估計(jì)方法和AE的系統(tǒng).

4.4? ?隨機(jī)多普勒頻移改變的影響

圖8為基于AE[11]與Attention-AE的系統(tǒng)在測(cè)試集為不同范圍的隨機(jī)多普勒頻移下的誤碼率（BER）對(duì)比圖，網(wǎng)絡(luò)模型均在仿真環(huán)境2下訓(xùn)練. 從圖中可以看出測(cè)試集中不同范圍的多普勒頻移對(duì)基于AE和Attention-AE的系統(tǒng)都有一定的影響，且隨著多普勒頻移的增大，誤碼率也隨之增大. 相比之下，基于Attention-AE系統(tǒng)的誤碼率曲線比基于AE系統(tǒng)的誤碼率曲線低很多，說明基于Attention-AE的系統(tǒng)有較為出色的泛化能力并可以更好地適應(yīng)與訓(xùn)練集相比變化較大的測(cè)試集.

4.5? ?訓(xùn)練集環(huán)境與測(cè)試集環(huán)境相同和不同的影響

圖9比較了在訓(xùn)練集環(huán)境與測(cè)試集環(huán)境相同和不同時(shí)基于AE[11]和Attention-AE的系統(tǒng)在0～25 dB不同信噪比下的BER曲線. 環(huán)境相同時(shí)為兩種模型在環(huán)境2下訓(xùn)練，在環(huán)境2下測(cè)試;環(huán)境不同時(shí)為兩種模型在環(huán)境2下訓(xùn)練，環(huán)境5下測(cè)試. 從曲線可以看出兩種模型對(duì)環(huán)境的適應(yīng)程度不同，基于AE的系統(tǒng)在訓(xùn)練集與測(cè)試集環(huán)境不同時(shí)誤碼率與環(huán)境相同時(shí)相比有較大幅度的變化，說明基于AE的系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的改變較為敏感，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較差，基于Attention-AE的系統(tǒng)在環(huán)境不同時(shí)的誤碼率曲線與基于Attention-AE和AE的系統(tǒng)在環(huán)境相同時(shí)的曲線基本重合，說明基于Attention-AE的系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性非常強(qiáng)，表明本文提出的網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的提升是有效的.

4.6? ?傳輸距離改變的影響

圖10分析的是傳輸距離改變對(duì)基于AE和Attention-AE的系統(tǒng)BER曲線的影響，從圖中可以看出文獻(xiàn)[11]中的AE模型對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性（對(duì)傳輸距離的改變敏感）較差，誤碼率一直較高. 而Attention-AE模型展現(xiàn)了良好的環(huán)境適應(yīng)性，可以在環(huán)境變動(dòng)較大時(shí)仍得到較為良好的測(cè)試結(jié)果.

5? ?湖試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于AE[11]和Attention-AE的系統(tǒng)也在真實(shí)實(shí)驗(yàn)上得到了驗(yàn)證. 相關(guān)實(shí)驗(yàn)在天津大學(xué)衛(wèi)津路校區(qū)敬業(yè)湖進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)采用設(shè)備采集卡NI-4431，4432，WBT22-1601水聲換能器，Brüel & Kj？覸r 8104水聽器. 試驗(yàn)區(qū)水深為6 m.

AE和Attention-AE模型均用仿真環(huán)境2進(jìn)行訓(xùn)練，分別用實(shí)驗(yàn)環(huán)境1（傳輸距離6 m）、實(shí)驗(yàn)環(huán)境2（傳輸距離100 m）、實(shí)驗(yàn)環(huán)境3（傳輸距離300 m）和實(shí)驗(yàn)環(huán)境4（傳輸距離300 m，隨機(jī)多普勒頻移約為0～10 Hz）進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)環(huán)境4的隨機(jī)多普勒頻移由實(shí)驗(yàn)者以約0.6 m/s的速度攜帶水聽器單向移動(dòng)所得. 實(shí)驗(yàn)發(fā)送端的水聽器發(fā)送信號(hào)，實(shí)驗(yàn)接收端的水聽器接收信號(hào)，利用最小二乘法（LS）估計(jì)方法得到真實(shí)的水聲信道后作為模型的測(cè)試集測(cè)試模型的性能. 實(shí)驗(yàn)的一些主要參數(shù)：載波中心頻率fc = 25 kHz，子載波個(gè)數(shù)N = 1 024，帶寬B = 8 kHz，發(fā)送端與接收端的采樣率均為96 kHz.

圖11為仿真環(huán)境2和實(shí)驗(yàn)環(huán)境1、2、3和4的信道沖激響應(yīng)，可以看出仿真環(huán)境的最大多徑時(shí)延擴(kuò)展約為25 ms，實(shí)驗(yàn)分別約為12 ms、30 ms、27 ms和37 ms.

圖12比較了利用仿真環(huán)境2訓(xùn)練模型，用湖試環(huán)境4進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過Attention網(wǎng)絡(luò)和未經(jīng)過Attention網(wǎng)絡(luò)的信道沖激響應(yīng). 從圖中可以看到，經(jīng)過Attention網(wǎng)絡(luò)后的信道多徑數(shù)明顯減少，只保留了水聲信道中的最大徑，這表明利用Attention網(wǎng)絡(luò)機(jī)制可以有效的對(duì)水聲信道多徑信息進(jìn)行篩選. 因此，利用Attention網(wǎng)絡(luò)對(duì)信道處理可以提高傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，在系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，Attention網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)測(cè)試的信道進(jìn)行篩選與處理，提高了整個(gè)系統(tǒng)的適應(yīng)性.

圖13為基于AE[11]與Attention-AE的系統(tǒng)在仿真環(huán)境2進(jìn)行訓(xùn)練，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境2和3進(jìn)行測(cè)試的誤碼率（BER）對(duì)比圖. 從圖中可以看出，在相同的訓(xùn)練環(huán)境和實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境下，基于Attention-AE的系統(tǒng)的誤碼率均比基于AE的系統(tǒng)低，表明本文所提出的基于Attention-Autoencoder網(wǎng)絡(luò)模型的水聲通信系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境下測(cè)試仍具有較低的誤碼率性，證明了該網(wǎng)絡(luò)模型具有較強(qiáng)的泛化能力和信道環(huán)境適應(yīng)能力.

圖14為基于AE[11]與Attention-AE模型的系統(tǒng)在測(cè)試集環(huán)境與訓(xùn)練集相同及不同條件下的BER對(duì)比. 基于AE的系統(tǒng)在測(cè)試環(huán)境為實(shí)驗(yàn)水聲信道環(huán)境SNR = 25 dB時(shí)，誤碼率也只能達(dá)到10-2，與訓(xùn)練測(cè)試環(huán)境相同時(shí)的誤碼率相差較大，說明基于AE的系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化較為敏感，而基于Attention-AE的系統(tǒng)在環(huán)境相同與不同的情況下，曲線的誤碼率沒有較大變化，保持了良好的誤碼率水平，這表明基于Attention-AE的系統(tǒng)有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性.

圖15為基于AE[11]與Attention-AE的系統(tǒng)在測(cè)試集與訓(xùn)練集環(huán)境相同及在仿真環(huán)境2進(jìn)行訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)環(huán)境4 （信道受到多普勒頻移的影響）下進(jìn)行測(cè)試的誤碼率（BER）對(duì)比圖. 從圖中可以看出實(shí)驗(yàn)環(huán)境4的多普勒頻移對(duì)基于AE和Attention-AE的系統(tǒng)都有一定的影響. 相比之下，基于Attention-AE的系統(tǒng)誤碼率曲線比AE的誤碼率曲線低很多，說明該模型有較好的環(huán)境適應(yīng)性.

6? ?結(jié)? ?語

本文從傳統(tǒng)的自動(dòng)編碼器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較差的問題出發(fā)，在傳統(tǒng)OFDM水聲通信系統(tǒng)中加入AE，并引入一種針對(duì)水聲信道的Attention機(jī)制. 該Attention機(jī)制可以高效地從大量信息中篩選出少數(shù)關(guān)鍵信息的特點(diǎn)，以提高網(wǎng)絡(luò)提取特征的能力，在訓(xùn)練集與測(cè)試集的信道環(huán)境參數(shù)相差較大時(shí)，基于該網(wǎng)絡(luò)模型的水聲通信系統(tǒng)仍具有較低的誤碼率. 經(jīng)過仿真驗(yàn)證和湖試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)明，與現(xiàn)有的AE模型和沒有引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水聲通信系統(tǒng)相比，基于Attention-Autoencoder的水聲通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的信道環(huán)境適應(yīng)能力，展現(xiàn)出更佳的系統(tǒng)性能.

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