北極高速水聲通信實驗初步研究

文洪濤，楊燕明，黃清華，周小平，周鴻濤

北極高速水聲通信實驗初步研究

文洪濤1，楊燕明1，黃清華2，周小平2，周鴻濤1

(1. 自然資源部第三海洋研究所，福建廈門 361005；2. 廈門聲戎科技有限公司，福建廈門 361005)

因海冰覆蓋和獨(dú)特的聲速剖面特征，北極水聲信道有其特殊性，為研究、開發(fā)和利用北極，需要開展北極水聲通信研究。2017年夏季在北冰洋中心區(qū)開展了一次距離1.26 km、通信速率為1.2 kbps的冰下水聲通信實驗。實驗結(jié)果表明通信系統(tǒng)的載波頻率偏高、聲接收端背景噪聲級較高以及水聲信道上界面的海冰分布較為復(fù)雜是導(dǎo)致實驗結(jié)果誤碼率偏高的主要原因，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施和建議。實驗過程中，水聲通信設(shè)備系統(tǒng)工作良好無故障。此次實驗為極地水聲通信裝備的研制、極地水聲通信的研究與應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗。

北極；水聲通信；水聲信道；海冰

0 引言

因全球變暖，海冰融化，北極地區(qū)在航運(yùn)、漁業(yè)和石油天然氣開發(fā)等方面所呈現(xiàn)出的巨大商業(yè)和戰(zhàn)略價值使其成為國際社會焦點[1]，加強(qiáng)北極的科學(xué)考察研究具有重要意義。其中極地聲學(xué)研究可追溯到第二次世界大戰(zhàn)后，1947年美國就成立“北極潛艇實驗室”，并在1958年8月13日，其核潛艇鸚鵡螺號到達(dá)北極點[2]。因海冰覆蓋，在北極直接利用衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行水下通信和導(dǎo)航十分困難，使得水聲通信成為潛艇等水下航行器在冰下進(jìn)行信息傳輸?shù)闹饕绞絒3]。近年來，國外十分重視北極的冰下水聲通信，美國2011年在北極進(jìn)行了潛艇通信的“深海傳呼機(jī)”試驗[2,4]。該試驗利用冰基浮標(biāo)、自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)和水下滑翔機(jī)等在北極開展了冰下水聲通信和導(dǎo)航的試驗研究[5-7]，其特點是采用低頻載波實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，通信距離可從幾十公里到幾百公里，但因帶寬有限，通信速率僅為幾比特到十幾比特。

近年來，我國科學(xué)家也日益關(guān)注極地聲學(xué)的研究[2-3,8-12]。在北極水聲通信方面，相關(guān)學(xué)者開展了冰下水聲信道的仿真研究[13-14]。為降低多途效應(yīng)和實現(xiàn)低信噪比下的水聲通信，采用參量陣技術(shù)[15-16]和直序擴(kuò)頻系統(tǒng)[16]進(jìn)行研究，并在松花江進(jìn)行了冰下實驗驗證。此外，還開展了多輸入輸出[17]和多用戶檢測[18]的冰下水聲通信研究，并在渤海進(jìn)行了冰下實驗驗證。

目前國內(nèi)還未見到北極冰下水聲通信實驗研究成果的公開文獻(xiàn)報道，本文針對中國第八次北極科學(xué)考察開展的一次北極冰下高速水聲通信實驗，對實驗情況進(jìn)行介紹，對實驗結(jié)果進(jìn)行研究分析，以期為我國以后的北極水聲通信實驗研究提供有益的參考和寶貴經(jīng)驗。

1 實驗背景及系統(tǒng)介紹

北京時間2017年8月4日，在北冰洋中心區(qū)開展了一次冰下水聲通信實驗，實驗站位位置如圖1所示，圖中為聲信號發(fā)射位置，為聲信號接收位置，二者相距約1 260 m，站位處水深約為2 047 m。圖2給出了實驗原理示意圖。實驗時，以浮冰觀測站為平臺，在浮冰上鉆孔，將發(fā)射換能器布放至水深55 m處；以考察船為平臺，將接收水聽器同樣布放至水深55 m處。實驗過程中，調(diào)查船處于漂泊狀態(tài)，但出于安全考慮，主輔機(jī)沒有關(guān)閉，所以接收端背景噪聲較高。實驗期間的平均風(fēng)速為10.13 m·s-1。實驗海區(qū)的實測聲速剖面如圖3所示，為北冰洋典型的聲速正梯度剖面，并形成“半聲道”現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果，聲發(fā)射冰站和考察船之間的聲通信路徑上海冰覆蓋率不高，約為40%～50%，這是因為考察船位于無冰水道上。從考察船拍攝的冰站照片如圖4所示，圖中聲發(fā)射冰站和考察船之間的海冰分布情況為：冰站浮冰-無冰水道-浮冰-無冰水道，這種冰、水交替的海面反而增加了水聲信道上界面的復(fù)雜性，不利于聲信號的傳播。

圖1 冰下水聲通信實驗站位圖

圖2 冰下水聲通信實驗布設(shè)圖

圖3 聲速剖面圖

圖4 從考察船眺望聲信號發(fā)射冰站

實驗所用設(shè)備為廈門聲戎科技有限公司的水聲通信機(jī)，發(fā)射端為UDD-630N發(fā)射單元，由發(fā)射顯控系統(tǒng)、電池供電系統(tǒng)、功率放大器和發(fā)射換能器等部分組成；接收端為UAM-630接收單元，由接收水聽器、電池供電系統(tǒng)和采集存儲控制系統(tǒng)等組成。該設(shè)備采用的是多載波多頻移鍵控(Multi-Carrier-Multiple Frequency Shift Keying, MC-MFSK)通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)的基本框架結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5中，信源由發(fā)射機(jī)的現(xiàn)場可編程陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)芯片完成前向糾錯編碼(Forward Error Correction, FEC)，基帶數(shù)據(jù)映射和快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)。再插入由喚醒序列、地址碼、信號和偽隨機(jī)序列(Pseudo-Noise, PN)碼同步頭等一系列編碼，經(jīng)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter, DAC)數(shù)模轉(zhuǎn)換成模擬信號后，通過功率放大器驅(qū)動水聲換能器在水中發(fā)射出去。聲信號經(jīng)過水聲信道傳播后由接收端的水聽器接收，經(jīng)放大濾波后由模數(shù)轉(zhuǎn)換模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再送入FPGA芯片進(jìn)行解碼。解碼時先對接收到的數(shù)字信號進(jìn)行快速傅立葉變換，再經(jīng)過基帶數(shù)據(jù)解調(diào)，最后通過FEC譯碼，得到信源信息。通信系統(tǒng)的帶寬為5 120 Hz；載波中心頻率為30 kHz；聲傳輸速率最大為1.2 kbps。采用正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)調(diào)制方式，共分成128個子載波，其中120個子載波用于傳輸信息，每個OFDM傳輸30 bit。聲信號發(fā)射端的冰站實驗現(xiàn)場照片如圖6所示。

圖5 MC-MFSK通信系統(tǒng)的基本框架結(jié)構(gòu)

圖6 聲信號發(fā)射端的冰站實驗現(xiàn)場照片

2 實驗結(jié)果與討論

本次實驗發(fā)送數(shù)據(jù)的幀信號結(jié)構(gòu)如圖7所示，由喚醒部分、獲取部分和數(shù)據(jù)部分組成。圖8、9分別給出了發(fā)射信號和接收信號的時域和頻域結(jié)構(gòu)，可以看出，接收端存在多個干擾脈沖，且背景噪聲級顯著升高。接收端采用相關(guān)接收機(jī)，接收信號與多個信號計算相關(guān)值，然后進(jìn)行比較，找出具有最大相關(guān)峰值的信號，再把這個信號解映射到對應(yīng)的比特值，圖10為接收端同步信號的相關(guān)處理結(jié)果。

實驗過程中聲信號發(fā)射單元共依次發(fā)射了7個數(shù)據(jù)包，其中第2、3、5、6、7包有應(yīng)答，第1和第4包無應(yīng)答。第1包數(shù)據(jù)是由于DM365芯片中l(wèi)og文件的保存出現(xiàn)問題，沒有顯示出該數(shù)據(jù)包的信息，通過殘留信息可以將第一包數(shù)據(jù)用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)解碼出來，并上報。第4包數(shù)據(jù)的同步信號Chirp可以檢測到，但是導(dǎo)頻碼的誤碼率高，在FPGA的層面上就選擇丟包。在接收端解碼后數(shù)據(jù)包將與發(fā)送原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行每比特對比，并統(tǒng)計誤碼個數(shù)。誤碼率等于誤碼比特數(shù)/數(shù)據(jù)包比特數(shù)。有應(yīng)答的接收數(shù)據(jù)的誤碼率統(tǒng)計如表1所示。

從表1統(tǒng)計結(jié)果來看，本次實驗的誤碼率偏高，綜合分析可能有以下幾個原因：

(1) 實驗的載波頻率偏高。已知北極冰下聲傳播有較強(qiáng)的選頻衰減特性，頻率為15～30 Hz的聲波傳播最佳，在30 Hz以上，隨著頻率的升高，衰減急劇增加[2]。考慮到通信速率和通信帶寬的需求，本水聲通信實驗系統(tǒng)的載波頻率為30 kHz，在今后的實驗中為了提高通信距離和降低誤碼率可適當(dāng)降低載波頻率。

圖7 幀信號的結(jié)構(gòu)

(a) 時域波形