水聲通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展*

吳 華，吳學(xué)智，閆 肅

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

0 引 言

海洋權(quán)益和資源是國家發(fā)展戰(zhàn)略中極其重要的一環(huán)，推動著世界各國不斷投身于海洋國土與資源的建設(shè)開發(fā)。近100年來，美國聲吶裝備的發(fā)展歷程充分體現(xiàn)了其對水聲裝備的重視。二戰(zhàn)后，美國將水聲與雷達(dá)、原子彈并列為三大發(fā)展計(jì)劃，大膽創(chuàng)新、不斷發(fā)展水聲裝備技術(shù)。目前，美國海軍聲吶裝備種類多、規(guī)模大、技術(shù)先進(jìn)，代表著世界最高水平。同時(shí)，基于海網(wǎng)（Seaweb）的民用前沿遙測網(wǎng)（Front-Resolving Observational Network with Telemetry，F(xiàn)ront）和氣象海洋系統(tǒng)也在持續(xù)發(fā)揮效用。

21世紀(jì)以來，一些有實(shí)力的發(fā)展中國家逐漸認(rèn)識到海防與資源勘探的緊要性，紛紛加大了這方面的投入力度。無論是資源開發(fā)還是海上安全的需求，都持續(xù)推動著海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的革新與應(yīng)用[1]。

1 水下無線通信方式

作為傳統(tǒng)信息媒介的無線電波在海水中衰減嚴(yán)重，一般只能到達(dá)水下100 m處，且甚低頻/超低頻（VLF/SLF）的陸上天線龐大，發(fā)射功率超高，導(dǎo)致抗毀能力和隱蔽性差。因此，世界各國的軍事力量都在積極探索新的水下通信方法。目前，已提出并實(shí)踐的水下無線通信技術(shù)主要包括藍(lán)綠激光通信、中微子通信和水聲通信等。

藍(lán)綠激光在海水中的衰減相對其他波段的光要小得多，可穿透至水下300 m，且誤碼率較低，信息容量大，但限于其應(yīng)用難度較大、對工作環(huán)境要求較高，且耗資巨大、橫向傳播距離短，在我國研究較少。中微子通信利用中微子作為信息載體，在海水中信道參數(shù)穩(wěn)定，傳輸信息容量大，但限于技術(shù)的復(fù)雜性和高成本，在國內(nèi)外均只停留在試驗(yàn)階段[2]。

經(jīng)過無數(shù)實(shí)踐證明，聲波是唯一能攜帶信息在水下進(jìn)行中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)挠行лd體。帶寬在50 kHz內(nèi)的聲波在水中的衰減系數(shù)為10-4～10-2dB/m[2]。海洋中的聲速是溫度、深度和鹽度的函數(shù)，可以簡單表示為：

式中：C為聲速（m/s），T為溫度（℃）；S為鹽度（‰）；Z為水深（m）。式（1）在0≤T≤35、0‰≤S≤40‰、0≤Z≤1 000范圍內(nèi)適用。由式（1）可知，聲速大小隨著環(huán)境而變化。水中的信道條件十分復(fù)雜，時(shí)變多徑的特性嚴(yán)重影響了水下信息傳輸?shù)馁|(zhì)量。總地來說，它是一個(gè)多徑效應(yīng)嚴(yán)重的時(shí)變、頻變信道。

三種水下無線通信方式的比較，如表1所示。

表1 無線電、藍(lán)綠激光與水聲通信

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 水聲通信技術(shù)

冷戰(zhàn)時(shí)期，在大西洋活動的蘇聯(lián)核潛艇成為了刺激美國海軍提升信號處理技術(shù)的重要原因。蘇聯(lián)解體后，美國海軍作戰(zhàn)轉(zhuǎn)向第三世界國家周圍的海域，其水下威脅也變成了眾多常規(guī)潛艇。20世紀(jì)60年代后，美國潛艇和水面艦艇開始安裝AN/WQC-2/A水下通信聲吶，其低頻段1.45～3.1 kHz用于遠(yuǎn)程水下通信。目前，美國在水聲通信設(shè)備制造、水聲通信網(wǎng)絡(luò)研發(fā)應(yīng)用等方面成果非常突出。

在國家“863”計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委員會、軍隊(duì)等支持下，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、哈爾濱工程大學(xué)、廈門大學(xué)、中國船舶重工集團(tuán)第715研究所等長期致力于水聲通信領(lǐng)域的研究，成果覆蓋水聲通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的諸多層次，一些試驗(yàn)結(jié)果和國外水平相當(dāng)。然而，綜合來看，我國水聲通信技術(shù)仍落后于西方國家，還沒有被用戶廣泛認(rèn)可的水聲通信產(chǎn)品，但在學(xué)習(xí)國外成果的同時(shí)也不斷涌現(xiàn)出技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。

2.2 水聲網(wǎng)絡(luò)

1991年“美蘇冷戰(zhàn)”結(jié)束后，美國海軍活躍海區(qū)由遠(yuǎn)海轉(zhuǎn)移至近海。由于近海的淺水聲場環(huán)境遠(yuǎn)比深海復(fù)雜，大大增加了探潛、反潛和獵雷的難度。因此，要求海軍必須運(yùn)用針對性的水聲技術(shù)增大水下探測距離，構(gòu)建海洋信息網(wǎng)，以擴(kuò)大水下預(yù)警的空間。美國制定并開展過多個(gè)水下網(wǎng)絡(luò)發(fā)展計(jì)劃，其中被熟知的有“海網(wǎng)”（Seaweb）項(xiàng)目、“近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)”（PLUSNet）計(jì)劃和“深海汽笛戰(zhàn)術(shù)尋呼”（DSTP）系統(tǒng)等。美軍著手構(gòu)建的水下戰(zhàn)術(shù)信息網(wǎng)如圖1所示，信息節(jié)點(diǎn)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、水聲/無線電浮標(biāo)、AUV、潛艇、水面艦艇、通信衛(wèi)星和無人機(jī)等[3]。

我國在特定海域水聲信道環(huán)境下開展了中小規(guī)模的水聲組網(wǎng)試驗(yàn)（將在第5部分作進(jìn)一步介紹），但目前還沒有成型的水聲通信網(wǎng)絡(luò)投入實(shí)際應(yīng)用。

3 淺海聲信道特性研究

水聲通信與無線電通信方式的信道差異較大，因此兩者的多徑效應(yīng)體現(xiàn)存在明顯區(qū)分。在水聲多徑信道特性的預(yù)先估計(jì)下，實(shí)施系統(tǒng)研究能大大提高仿真、試驗(yàn)的效率。同時(shí)，水聲信道又是時(shí)變的信道，對其參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的動態(tài)跟蹤也十分必要。

針對水聲信道的多徑效應(yīng)與傳輸衰減，廈門大學(xué)水聲通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出了一種大時(shí)延擴(kuò)展水聲多徑信道估計(jì)的低復(fù)雜度算法（Fast Estimation of Sparse Channel via Convex Optimization，F(xiàn)ESCCO），在弱檢測信號的條件下精確估計(jì)了多徑時(shí)延[4]。

圖1 美軍海洋戰(zhàn)術(shù)信息網(wǎng)

哈爾濱工程大學(xué)喬鋼等提出了淺海環(huán)境中一種優(yōu)化的MIMO條件下OFDM水聲信道估計(jì)算法。結(jié)合淺海水聲信道的稀疏性，對編碼校驗(yàn)后的信息與原始信息對比，實(shí)現(xiàn)了對信道估計(jì)的判決反饋更新。仿真和水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)：改進(jìn)算法不僅能有效抑制連續(xù)誤碼，還能通過大量削減導(dǎo)頻信號來提高有效通信速率[5]。

時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡（Time Reversal Mirror，TRM）技術(shù)是近年來研究人員熱衷的一項(xiàng)水聲信號處理新技術(shù)，其突出貢獻(xiàn)是可以在沒有水聲環(huán)境參數(shù)支持的的情況下匹配聲信道，引導(dǎo)空間聚焦和時(shí)間壓縮。

4 水聲數(shù)據(jù)通信技術(shù)

對于水聲通信中的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，按照解調(diào)時(shí)是否還原初始信號相位，可以定義為水聲相干通信和非相干通信。

4.1 非相干通信

非相干通信信道利用率一般較低，傳輸比特速率小于信道帶寬（即信道利用率Rw＜1 b/s/Hz），常見調(diào)制方式為FSK，在接收端進(jìn)行匹配濾波、平方率檢測和糾錯(cuò)譯碼即可，算法相對簡單，魯棒性好[6]。擴(kuò)展頻譜通信中的跳頻通信（FHSS）和直接序列擴(kuò)頻通信（DSSS）也屬于非相干通信。擴(kuò)頻信號具有抗干擾能力強(qiáng)、抗多徑能力強(qiáng)、隱蔽通信、可進(jìn)行多址通信、抗頻率選擇性衰落等諸多優(yōu)點(diǎn)。

廈門大學(xué)研究基于擴(kuò)頻技術(shù)的水聲語音通信樣機(jī)[7]，其通信距離為7.5～12 km。隨后，成功研制的第3代樣機(jī)可適用于遠(yuǎn)、中、近程,差別僅在于工作頻率和發(fā)射功率兩個(gè)影響通信距離的主要因素，有廣闊的軍事應(yīng)用前景。

杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所杜鵬宇與哈爾濱工程大學(xué)合作，提出了一種基于改進(jìn)差分能量檢測器的移動直擴(kuò)水聲通信技術(shù)。通過對連續(xù)擴(kuò)頻信號的匹配及能量檢測同步跟蹤，估計(jì)了接收端信號中的多普勒頻移，同時(shí)依托擴(kuò)頻增益，在弱檢測信號條件下完成了多普勒頻移量的匹配修正[8]。

4.2 相干通信

相干通信的信道利用率一般大于信道帶寬[6]。相干水聲通信的重點(diǎn)為單載波調(diào)制和OFDM通信。針對水聲信道帶寬窄、信息傳輸速率相對空中無線電較低等特點(diǎn)，廈門大學(xué)針對淺海信道多變的特點(diǎn)，對水聲信道匹配估計(jì)、信道編碼以及空時(shí)分集增益等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，已組建相應(yīng)的整套淺海條件下的OFDM圖像傳輸系統(tǒng)計(jì)劃[9]。廈門港海試結(jié)果為：距離820 m時(shí)，速率1.5 kb/s，不同條件下的誤碼率均小于10-4；當(dāng)傳輸速率為4.8 kb/s時(shí)，誤碼率量級為10-3[7]。

除此之外，王逸林等以線性調(diào)頻（LFM）信號為載波，提出了一種基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換（FRFT）的OFDM水聲通信方式。該方式借助信息幀之間的保護(hù)間隔，有效減小了多徑效應(yīng)帶來的碼間干擾，還通過正交差分相移鍵控（QDPSK）與分?jǐn)?shù)階載波自適應(yīng)調(diào)整的結(jié)合，抑制了多普勒效應(yīng)[10]。

在頻率選擇性衰落信道中，科研人員經(jīng)常會將空時(shí)編碼（Space-Time-Codes，STC）技術(shù)與OFDM、DSSS等技術(shù)結(jié)合，將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)變成并行相關(guān)的頻率非選擇性衰落信道，減小了碼間干擾對STC信號的影響，使多徑衰落的影響減至最低，并能改善水聲信道上數(shù)字通信系統(tǒng)的性能和容量。

5 水聲通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

與陸上無線電網(wǎng)絡(luò)相比，水聲通信網(wǎng)（Underwater Acoustic Communication Network，UACN）的起步較晚。同因特網(wǎng)相比，水聲通信網(wǎng)絡(luò)逐漸演變出自身特點(diǎn)，相應(yīng)可簡化為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及網(wǎng)絡(luò)層。圖2為UACN、OSI（開放系統(tǒng)互聯(lián)）以及TCP/IP三種體系結(jié)構(gòu)。水聲網(wǎng)絡(luò)的物理層主要解決水聲通信問題，下面對水聲通信網(wǎng)及目前國內(nèi)研究與建設(shè)情況進(jìn)行分析介紹。

圖2 三種網(wǎng)絡(luò)分層對比

一個(gè)典型的水聲網(wǎng)絡(luò)可由水下固定節(jié)點(diǎn)/移動節(jié)點(diǎn)、水面浮標(biāo)、通信衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和岸基信息處理站/中心等組成。水面通信浮標(biāo)可擔(dān)當(dāng)網(wǎng)關(guān)的作用，負(fù)責(zé)水下節(jié)點(diǎn)與岸基、空中以及衛(wèi)星間的信息中繼。由于水聲信道的復(fù)雜性和水下節(jié)點(diǎn)的特殊性，通常具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化、自組織性、節(jié)點(diǎn)自身能量以及計(jì)算存儲能力有限、通信距離受限等特點(diǎn)。

數(shù)據(jù)鏈路層要解決媒體訪問方式和糾錯(cuò)控制問題。作為媒體訪問方式中常用的隨機(jī)接入，較常使用ALOHA協(xié)議、載波偵聽多路復(fù)用（CSMA）以及避免沖突復(fù)用（CSMA/CA）等。應(yīng)用廣泛的糾錯(cuò)機(jī)制則有糾錯(cuò)重發(fā)（ARQ）和前向糾錯(cuò)（FEC）技術(shù)。

路由協(xié)議一般綜合網(wǎng)絡(luò)成員構(gòu)成、信息發(fā)生周期、信息傳遞方向和節(jié)點(diǎn)布放環(huán)境等要素來綜合考慮[11]。依據(jù)路由生成策略，可將路由協(xié)議分為先驗(yàn)驅(qū)動和按需驅(qū)動。廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在水聲通信網(wǎng)絡(luò)方面開展了深入、系統(tǒng)研究，重點(diǎn)包括以下三個(gè)方面。一是水聲通信網(wǎng)絡(luò)MAC技術(shù)研究。二是優(yōu)化MACAW，使其更適用于水聲網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際環(huán)境，減少各節(jié)點(diǎn)能量的消耗。計(jì)劃結(jié)合S-MAC的睡眠引導(dǎo)機(jī)制，通過仿真軟件OPNET進(jìn)行方案論證。三是水聲網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)連網(wǎng)試驗(yàn)研究。采用FPGA（Field－Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編輯門陣列）設(shè)計(jì)、構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)水聲通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并在室內(nèi)水池和廈門港海域順利完成了多節(jié)點(diǎn)的連網(wǎng)試驗(yàn)[7]。實(shí)驗(yàn)室參考國內(nèi)外提出的水網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對應(yīng)用環(huán)境設(shè)置了多個(gè)并行的類似節(jié)點(diǎn)群，并由群首組成另外的群落，通過兩個(gè)特定中心頻率來區(qū)分[12]。

由于試驗(yàn)成本昂貴，加上海洋環(huán)境多變，顯著影響了通信效果。國內(nèi)在水聲通信組網(wǎng)方面的研究主要基于AQUASIM、OPNET等網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，單次長時(shí)間海上實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)較少，主要集中在“863”課題支持下開展的一些研究。例如，在課題“海洋環(huán)境監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”支持下，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所通過研制的小型化、低功耗、通用型UACN（Underwater Acoustic Communication Network，水聲通信網(wǎng)）聲通信節(jié)點(diǎn)，于2008年和2009年間在浙江千島湖完成了4～7節(jié)點(diǎn)的自組織網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，實(shí)時(shí)傳輸了語音、圖像以及傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)[13]。

除此之外，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、哈爾濱工程大學(xué)、715研究所和浙江大學(xué)先后在特定海域聯(lián)合進(jìn)行了4次水聲通信網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證。哈爾濱工程大學(xué)于2014年在南海進(jìn)行了水聲通信組網(wǎng)試驗(yàn)，工作時(shí)間大于1個(gè)月、節(jié)點(diǎn)規(guī)模突破了15個(gè)，實(shí)現(xiàn)了對水下溫鹽深參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測與收集[13]。表2為實(shí)驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)間信息發(fā)送與接收的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表2 2014年南海實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

事實(shí)上，應(yīng)用于不同環(huán)境條件的UACN往往會因側(cè)重相應(yīng)的性能而犧牲其他指標(biāo)。在計(jì)算機(jī)與集成技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，性能持續(xù)優(yōu)化的芯片也在不斷推動水聲通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)的繁榮發(fā)展。在這種發(fā)展趨勢下，具有融合性和跨層性的水聲異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的研究顯得尤為重要。

6 結(jié) 語

目前，高速的水聲通信系統(tǒng)是我國未來民用水聲通信的主要發(fā)展趨勢。高速水聲通信技術(shù)被認(rèn)為是“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的三大技術(shù)突破之一，實(shí)現(xiàn)了潛水器和水面船只之間的報(bào)文、語音和圖像的實(shí)時(shí)傳輸[14]。作為水聲通信網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)，AUV亦是我國水聲科研人員下一步的熱門研究方向。2018年4月6日，執(zhí)行中國大洋49航次科考任務(wù)的“潛龍二號”無人潛水器成功完成第50次下潛。經(jīng)由一臺隨“潛龍二號”下水的聲通信機(jī)、AUV與母船之間達(dá)成信息實(shí)時(shí)交流。

在軍事應(yīng)用方面來看，目前水面艦艇及岸基對深海中潛艇的中遠(yuǎn)距水聲通信有許多亟待解決的重難點(diǎn)問題。在國家戰(zhàn)略與民用方面，深海自然資源勘探中的信息通信技術(shù)研究意義重大。深海潛水器領(lǐng)域活躍的研究和不斷涌現(xiàn)的成果，無疑會為下一步水下信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)打下良好基礎(chǔ)。

隨著地球上石油、天然氣等傳統(tǒng)能源的不斷消耗減少，海洋必將是今后全世界關(guān)注的重點(diǎn)。軍事上，美國聯(lián)手其他國家在我周邊部署嚴(yán)密的水下監(jiān)視體系，并在此基礎(chǔ)上前推其水下進(jìn)攻力量，對我維護(hù)水下安全、保衛(wèi)國家海上戰(zhàn)略利益帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。美“無暇”號海洋偵測船是用來偵聽水下音響的專用船只，主要任務(wù)是獲取海洋水文數(shù)據(jù)、偵察水下潛艇，長年活躍在我國南海海域。因此，為適應(yīng)海軍使命任務(wù)和整體轉(zhuǎn)型要求，滿足軍事斗爭和戰(zhàn)略通道的安全需求，水下信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)迫在眉睫。