水聲通信網的研究進展及其應用

朱永建， 徐鵬飛

0 引言

進入21世紀，在海事信息應用領域中，水聲網絡和水聲通信技術取得了長足的進步。在水上，尤其是軍事中情報的收集與監聽，沿海的監測，以及水下偵察與多點探測、集群管理的調度和指揮等方面，水聲網絡通信技術不斷顯示出其重要性。目前，不斷擴大的海洋監測范圍和多樣化發展的水下武器系統迫切需要能傳得更快、更遠的水聲通信，用以準確有效地抵抗外部干擾[1-2]。各國軍方打算，通過在水下建網，將潛艇與浮標、戰機、艦艇、傳感器、無人潛航器、等各種作戰平臺構成一體化網絡。隨著“網絡中心戰”概念的提出及發展，一種必然的發展方向就是深入到水下：一方面，海面以下的戰場是現代化立體戰爭中的重點；另一方面，水下網絡特通信技術的發展為其實現提供了有力條件?？梢钥隙?，其將使水下立體作戰產生天翻地覆的變化，也對各國海軍的作戰思想和裝備建設產生重大的影響[3]。

1 水聲通信技術

水下無線通信是水下網絡的關鍵，它主要包括3類，分別是：根據它們不同的特性及應用場合，可分為水下電磁波通信、水下光通信和水聲通信。水性地磁波通信雖受水文條件影響甚微，通信穩定，但傳播衰減大；水下光通信的激光信號需要直線對準傳輸，且容易被水吸收，再加上水中的浮游生物和懸浮粒子將使其發生散射，同時水中的自然光還會對光信號進行干擾[4-5]。這兩種通信方式均只適應短距離。

相較之下，在水中聲波的衰減小得多是中長距離水下通信的最有效的手段。同時，水聲通信信道是難度大的一種無線通信信道，具有以下顯著的特點[1,6-7]：

（1）屬于窄帶通信，信號衰減嚴重

在海水中，聲波傳播的能量損失主要包括擴散、吸收損失。擴散損失近似與傳輸距離的平方成正比，主要由于波陣面的擴散引起聲能的損失，在深海中，擴散損失表現為球狀，而在淺海中，其表現為水平方向的柱狀擴散。吸收損失與聲波的頻率成正比,頻率越大,吸收損失越大。相對于無線信道，水下通信帶寬要窄得多，傳輸距離在 1～10 km，帶寬小于10 kHz；100～1 000 m，帶寬約20～50 kHz。

（2）起伏效應嚴重

聲波在海水中傳播大約每1 000 m時延0.67 s,通信時延大。當海水是傳輸介質時，空間分布會變得不均勻，并產生隨機的變化，所以水聲信號也變得隨機起伏，其傳播速度隨海水的壓力(深度)、溫度、鹽度的變化而變化。由于信道的變化，脈沖響應會時變，這在很大程度上影響了通信系統的性能參數。

（3）多徑效應嚴重

海面和海底的反射以及海水分層介質的折射都會對聲波的傳播進行干擾和影響，故在發收端之間形成多條不同路徑的信道先后到達接收機[8]。多徑傳輸的存在，且信道動態變化，使得在接收端信號幅度衰落、碼間干擾[9]等，是造成水聲信道數據傳輸速率低的主要原因。

（4）環境噪聲大，誤碼率高

海洋中存在潮汐、湍流、海面波浪、風成噪聲、行船及工業噪聲等。由于海平面的波動、內波、海水背景噪音、信道多徑傳播等影響，使水聲信道信號出現時斷時續的不穩定現象，數據傳送誤碼率高。

2 水聲通信網的組成及其特點

20世紀90年代，美國率先提出“水聲通信網”的概念。水聲通信網主要由以下部分組成：浮標節點，在海底、海中的傳感器節點(包括固定的節點和承載它的移動平臺)，以及存在于它們之間的雙向連接鏈路。網絡以分布式、多個節點的方式對水下的目標位置進行大面積覆蓋，可以進行信息采集、分類、處理和壓縮，并通過水下通信網節點以中繼方式回傳到陸地或船上的信息控制中心的綜合系統[10]。其典型的組成示意如圖1所示。

水聲網絡拓撲是水聲網絡的重要研究內容,拓撲結構決定了網絡的路由方式、能量損耗、網絡容量和可靠性。水聲網絡的體系結構，有多種分法[10-11]。從管理和訪問控制功能角度，可將水聲網絡結構分為集中式、分布式和多跳式。

圖1 典型的水聲網絡系統組成

水聲通信網絡是水聲通信與現代網絡技術的結合，與陸地或空中的無線通信網絡相比，水聲通信網絡具有如下的特點：信道高度動態，網絡相對脆弱，通信能力不足；依靠電池供電，持續工作時間有限。水聲網絡的以上特點，決定了目前水聲網絡無法規?；瘧眉伴L時間在水下工作。

3 研究進展

水聲通信方面的研究主要包括水聲傳感與調制、水聲信號處理方面的研究。在水聲調制解調器方面，較典型的有英國Tritech公司的Micron Data Modem系列產品和澳大利亞DSPComm公司最新的AquaNetwork，其設備已初步具有組網功能，其微型調制解調器通信距離可達1 000 m,數據傳輸速率可達40 b/s。同時，為擴大海域監測范圍，研究出水下傳感器移動的方法，可以用水下滑翔機或自主式水下航行器(AUV)等水下可移動的設備作為載體，將水下節點安裝于這些設備上，使之成為水下移動節點。Hydroid 公司研制生產的REMUS系列AUV，巡航速度為1.5～2.9 m/s，續航能力較好，能持續幾十小時。

從上個世紀九十年代以來，水聲通信技術的研究重心已由較低速的非相干FSK調制技術轉變到高速相干通信技術。與非相干方式相比，相干水聲通信的數據傳輸速率高得多，但收、發端的系統高復雜性嚴重制約了其實際使用。相干接收機研究的重點在于減小接收機算法的計算復雜度或提高均衡器的跟蹤能力,最近水聲通信新技術的研究，主要包括水下多載波調制技術、碼分多址(CDMA)擴譜技術、空間分集技術、水下通信網絡等，有望促進相干水聲通信技術的應用進展。

國內該領域的研究已取得一定成果。廈門大學研制的語音通信機在廈門極淺海域進行了多次試驗[2]，其穩定通信距離在10 000 m左右,擴展通信距離可達到12 000 m；在水聲圖像傳輸方面也取得較好進展，在廈門港海試結果為：水平傳輸距離820 m時，傳輸速率1.5 kbit/s，不同海況下數據誤碼率均小于10-4。

水聲通信網絡是涉及多學科交叉的研究領域，關鍵技術[7,10]主要有網絡協議、網絡安全、時間同步、定位技術等。中國在水下傳感器網絡方面的研究起步較晚,研究的成果為：廈門大學參考國內外的水聲通信網絡模型，自主提出的一種水聲網絡拓撲結構[12]；中科院自動化所研究的基于機器魚的移動傳感器網絡實現環境監測方案；中科院聲學所、中科院沈陽自動化所和西安光學精密機械所共同研制成功的水下反恐傳感器網絡監控系統；中國海洋大學在水下傳感器網絡和海洋立體監測網絡領域展開了研究，研制了水面傳感器網絡并在海上進行了部署。

4 應用

各國海軍均致力發展真正的水下作戰平臺之間的高效通信，以充分發揮其作戰效能。水下作戰網絡模型組成為：在海底或海中的固定傳感器節點、潛艇和水下潛航器，海面上的網關節點以及陸上的中繼站。二十世紀九十年代初，美國就已經著手研究淺海和深海局域網，現階段美國正在進行多個水下網絡計劃，如海網(Seaweb)、海鷹(Seaeagle)以及近海水下持續監視網絡(PLUSNet)。

“海網”(Seaweb)是由美國研究局和空海戰系統中心主持的歷經十多年的重要研究項目，它通過水聲通信鏈路，網絡由固定節點、移動節點和網關節點連接組成，是現在相對成功的水聲概念網絡。自1998年起，美國海軍平均每兩年進行一次海底水聲網絡通信試驗。在1998年試驗中，Sesweb采用FDMA方式、樹狀形式的拓撲結構，將數據在源節點發送，經過4次水聲中繼和一次無線通信中繼后，傳送到岸站，這次試驗表明：由分布式節點群組建的大范圍廣域水聲網絡是可行的。在2000年試驗中采用了混合式 CDMA/TDMA的復用方式，增加了協議的控制功能，網絡節點已達17個，節點的空間距離為1～5 km，通過浮標中的網關節點作為中繼，潛艇在水深約122 m處，向岸上發送了包含圖像、文字等信息在內的數據報文。在2004年的試驗中，節點數增加到40個，試驗進行了分布式拓撲結構及動態路由協議的驗證。至今，Sesweb已具備了很強的網絡自組能力，如節點位置定位(100 m量級)、自動節點識別、時鐘同步(0.1～1.0秒量級)、自適應發射功率控制、節點更新和失效后的網絡組等功能。

“海鷹”(Seaeagle) 于2004年由美國海軍進行試驗，是由海洋傳感器、無人潛航器以及多媒體網關浮標組成，形成了能夠穿越水面的網絡。分布式傳感器上裝有遠程聲吶調制解調器，可以與錨定浮標進行傳輸數據。錨定浮標一般帶有水聲收發信機與調制解調器，將其作為網關浮標。同時，它與海洋傳感器及水面無線電進行連通，使得水下數據可以穿過水面，從而實現水面與水下立體網絡通信。

5 結語

水聲通信網絡能夠提供隱蔽、持續以及高速的網絡化數據通信手段[13-16]，對潛艇的水下隱蔽通信方式和水下作戰方式大有助益，將產生重大變革。現階段，美國己初步建設了水下作戰網絡，這對中國水聲通信網絡的研究提出了迫切的需求。中國水聲通信網絡的研究近幾年得到了一定的進展,但仍面臨著許多問題和挑戰。應加快中國水下通信網絡的研發。

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