面向長時水聲通信數據采集與評估的浮標設計與實現

楊逍宇，馬伯樂，周躍海，陳東升，童 峰，*

（1. 廈門大學 水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室，福建 廈門 361002；2. 廈門大學 海洋與地球學院，福建 廈門 361002；3. 中國人民解放軍 91937部隊，浙江 舟山 316000）

0 引言

由于水聲信道的可用頻率低、頻帶窄、多徑效應、多普勒頻移、環境噪聲等原因，導致水聲信道呈現隨機時-空-頻變特性，嚴重影響海洋工程、海洋開發、國防安全等領域水下信息傳輸、感知體系中的水聲通信系統性能[1]，水聲信道因此也成為最具挑戰性的無線通信信道之一[2]。特別是，淺海水聲信道因其受到海面、海底及航運、施工等人為噪聲等因素的嚴重影響，對可靠、高效水聲通信造成極大限制。

近年來，隨著人工智能、深度學習技術在各領域研究、應用的飛速發展，相關的人工智能算法圍繞著海洋環境的動態變化和水聲信道的時空頻變特性進行研究。MAHMUTOGLU[3]等提出了一種基于粒子群算法的水聲通信自適應決策反饋均衡器，具有兼顧高通信性能和低復雜度的優點；ZHANG[4]、JIANG[5]等針對 OFDM 系統，提出 2種基于深度神經網絡的信道估計器，該方法在誤碼率和歸一化均方誤差方面有著顯著優勢；童峰[6]等提出先利用支持向量機進行盲均衡器權系數初始化，然后再利用運算量較小的常數模算法，該算法在時變水聲信道條件下，相對于經典向量機盲均衡算法性能有所提高。但是目前因水聲通信的復雜性以及數據樣本嚴重不足，至今仍未有普適性的水聲信道模型和水聲通信系統。

各類海洋浮標已大量應用在海洋相關領域中，但至今大部分僅應用于海洋環境參數、水文氣象等相關數據的監測[7]。面向長時水聲通信與數據采集的浮標尚不多見。

本文針對以上問題設計了一種面向長時水聲通信數據采集與評估的浮標，用于淺海水聲通信數據的長時間小尺度采集，介紹了其系統的設計結構，并于廈門港海域進行了為期 15 d的長時水聲通信海試實驗，實驗結果表明該浮標能夠進行長時間的水聲通信數據采集與性能評估。

1 系統設計

本文設計的淺海水聲通信浮標系統可分為水聲通信模塊和浮標模塊。其中水聲通信模塊主要包含水聲通信機，浮標模塊主要包括北斗模塊、無線透傳模塊和傳感器等。淺海水聲通信浮標系統整體結構設計如圖1，圖2給出了海上實驗的實物圖。

圖1 浮標結構設計框圖Fig. 1 Block diagram of buoy structure

圖2 淺海水聲通信浮標系統實物圖Fig. 2 Physical picture of shallow sea acoustic communication buoy system

圖中，浮標搭載的無線透傳模塊和北斗模塊均是進行數據的無線傳輸，前者主要是用于現場布放時方便調試，但無法遠距離傳輸，后者主要是用于遠程狀態顯示、遠程功能控制。

1.1 水聲通信模塊

本文水聲通信模塊采用實驗室自主研制的AMLink系列水聲通信MODEM，具有尺寸小、成本低、便于攜帶、功率可調等優點[8]。浮標水聲通信系統硬件框架如圖3所示，軟件實現流程如圖4所示。

圖3 水下通信模塊框架圖Fig. 3 Block diagram of UAC MODEM

圖4 系統軟件實現流程圖Fig. 4 Flowchart of system software implementation

浮標基于水聲 MODEM 處理器內嵌定時器實現定時發射功能。發射端可以定時發送數據，以此保證能夠進行長時間的數據發送。接收端處于低功耗的監聽模式，當信號經過水聲信道由水聲換能器接收后，經過水聲通信 MODEM 放大處理，上傳至核心處理單元，核心處理器通過AD模塊進行采集，在調試階段將進行解調、解碼處理，還原成發射的指令，最終通過RS232轉USB串口通信上傳上位機串口界面中，在工作模式下將寫入USB中，完成數據采集和存儲。

1.2 浮標模塊

浮標模塊主要包括浮標主體、北斗模塊、無線透傳模塊、傳感器等。

浮標主體是自主設計并制造，用于在海上懸浮。其搭載的傳感器可用于采集海洋環境數據，為水聲信道環境分析提供數據；無線透傳模塊，可將串口數據通過無線轉發到甲板上位機上；北斗模塊，用于無線傳輸數據，將水聲通信模塊和陸地岸機通過無線的方式相連，目前已實現短包信息傳輸，遠程狀態顯示。

2 海試實驗

本文所設計的淺海水聲通信浮標在福建省廈門市廈門港進行了海試實驗。圖5為廈門港地圖，平均水深 12 m。海試實驗中，發射和接收端換能器入水深度為5 m，兩端相距5 km。水聲通信系統相關參數如表1所示，采樣率為75 kHz，信號中心頻率為15.5 kHz，帶寬5 kHz，采用BPSK調制。信號幀結構為同步、保護間隔和信號段 3個部分，如圖 6所示。同步頭由掃頻信號組成，保護間隔用于避免同步頭多徑對信號段的干擾，信號段由信息調整序列組成。信號發射間隔為4 h，實驗持續 15 d，進行長時水聲通信數據采集與性能評估分析。

表1 水聲通信系統相關參數Table 1 Related parameters of underwater acoustic communication system

圖5 廈門港地圖Fig. 5 Map of Xiamen Port

圖6 信號幀結構Fig. 6 Frame structure of signal

3 實驗結果與分析

本文接收機采用CE-DFE結構[9]對發射信號進行恢復，采用 NNCLMS[10]對廈門港浮標長時水聲通信實驗采集的數據進行信道估計。從圖 7中可以看出在觀測時間360 h中，信道的稀疏結構保持基本穩定，但是多徑的相關參數隨著觀測時間在不斷變化。

圖7 海試實驗信道響應Fig. 7 Channel response of sea trial

結合觀測時間和信噪比（SNR）與原始誤比特率（BER）的關系圖圖8和圖9，隨著觀測時間的變化，信噪比在 25 dB的變化范圍內顯著變化，原始誤比特率在 10–1和 10–2范圍浮動，但二者并沒有明顯的正相關或負相關關系。這是因為，在超過一定閾值信噪比的條件下，淺海水聲通信影響BER的主要因素并非SNR，而是信道多徑結構等其他因素的影響。

圖8 在觀測時間中SNR變化圖Fig. 8 SNR variation diagram over observation time

多徑峰值起伏是衡量信道多徑穩定性的一個重要因素。從觀測時間與多徑峰值起伏關系圖圖10中，可以看到多徑峰值起伏隨著觀測時間的變化在一直變動。結合圖9和圖10進一步分析，可以看出在多徑峰值起伏變大時，即信道多徑結構復雜，信道環境變差，其對應的BER升高；而在時延多徑峰值起伏變小的時候，其對應的BER降低。兩者存在一定的正相關關系。

圖9 在觀測時間中BER變化圖Fig. 9 BER variation diagram over observation time

圖10 在觀測時間中主徑峰值起伏變化圖Fig. 10 Variation diagram of main multipath time delay variance in observation time

圖11是海試實驗場地中一天的溫度場變化圖，從中可以看出，某天開始的5 h左右，海水表層開始逐漸升溫。根據射線聲學模型和Snell定律可知聲線將向下彎曲[11]，導致更多的聲損失，這將導致信噪比下降，誤碼率上升；隨著海水表面的持續升溫以及風浪涌動等海水運動導致的海水混合，海水溫度趨于相同，導致信噪比上升和誤碼率下降；另外，海洋環境中表面風速的增加會造成表層海水的劇烈運動，表層海水的上下起伏導致水聲信道多徑結構在不斷變化；海水運動同時會產生大量的氣泡，氣泡的空化效應也將造成信噪比的下降和誤碼率的上升。

圖11 溫度剖面圖Fig. 11 Temperature profile

以上實驗結果與分析均可以看出水聲信道時變性對通信性能的影響。同時，實驗測試了北斗模塊短報文信息傳輸功能，實現遠程狀態顯示，測試了水聲通信模塊定時水聲通信和 USB數據儲存功能，驗證了面向長時水聲通信數據采集與評估的浮標可行性。

4 結束語

本文面向長時水聲通信數據采集與評估，設計并實現了一套淺海水聲通信浮標，浮標廈門港海試實驗數據表明，收發位置、溫度、風速、海面海底地形等都會影響水聲信道的沖激響應。因此對應不同的海洋環境參數，會得到不同的信道沖激響應，即可以將海洋環境參數作為特征值。將浮標得到的大量環境數據和對應的信道沖激響應，從而豐富水聲通信數據集，應用于人工智能水聲通信研究。

淺海實驗表明，本文所設計的淺海水聲通信浮標可實現長時水聲通信數據采集與系統評估，并通過廈門港為期15 d的長時通信海試驗證了系統有效性。

下一步計劃進一步完善太陽能電池板供電方案，北斗定位以及遠程功能控制功能，實現長時間水聲數據傳輸與采集，構建深度學習網絡模型，依托本文面向長時水聲通信數據采集與評估的淺海水聲通信浮標平臺，開展人工智能優化水聲通信研究。