一種近程水下聲光一體化高速通信系統(tǒng)

姚俊輝，童 峰，*，吳劍明，吳世珍

（1. 廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361005；2. 導(dǎo)航與位置服務(wù)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，廈門大學(xué)，福建 廈門 361005；3. 廈門大學(xué) 人工智能研究院，福建 廈門 361005；4. 廈門求同信息科技有限公司，福建 廈門 361001）

0 引言

現(xiàn)如今，有許多研究者對水下聲光混合通信進(jìn)行了嘗試與探究。文獻(xiàn)[1]–[4]中提出了一類應(yīng)用于水下傳感網(wǎng)絡(luò)的聲光混合水下通信鏈路方案。此類方案中寬指向、低帶寬的聲通信鏈路用于跟蹤和定位AUV 以及輔助校準(zhǔn)光通信組件；高指向性、高帶寬的光通信鏈路則是用于高速率數(shù)據(jù)傳輸，將大量監(jiān)測數(shù)據(jù)中繼到基站進(jìn)行處理。這2 種通信方式的協(xié)調(diào)互補(bǔ)可以克服各自的局限性，實(shí)現(xiàn)精確定位、跟蹤和高速率水下數(shù)據(jù)傳輸。然而，上述聲光混合通信方案中主要由光通信實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽曂ㄐ艃H用于輔助光通信校準(zhǔn)以及遠(yuǎn)距離傳輸控制指令。在HE 等[5]提出的聲光混合系統(tǒng)中，利用聲通信鏈路高穩(wěn)定性和無嚴(yán)格視距傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)為光通信鏈路提供自動重復(fù)請求（ARQ）功能來進(jìn)行丟包反饋，以提高系統(tǒng)的誤差控制性能。但該方案依舊無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在光通信鏈路完全無法工作的環(huán)境（如：高度渾濁與惡劣海況的水體）中的穩(wěn)定通信。HAN 等[6]提出了一種新的聲光混合系統(tǒng)，該系統(tǒng)中聲通信鏈路除了可用于傳遞控制信息和輔助光學(xué)設(shè)備校準(zhǔn)之外，還能在光通信鏈路因環(huán)境因素斷開時提供低分辨率的靜態(tài)圖像流信息和低幀率視頻流信息，在一定程度上緩解了以往聲光混合通信系統(tǒng)信息傳輸完全依賴光通信的窘境。但受限于kbps 級的速率，其聲通信鏈路無法支撐水面基站與AUV 之間的實(shí)時高質(zhì)量視頻流信息交互。此外，其聲、光通信實(shí)際上采用2 套獨(dú)立的調(diào)制、解調(diào)系統(tǒng)，造成較大的系統(tǒng)硬件開銷。

面向?qū)ζ脚_資源嚴(yán)格受限的小尺寸無人平臺等應(yīng)用場景，本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)一種水下聲光一體化高速通信系統(tǒng)，并利用水池實(shí)驗驗證了系統(tǒng)的有效性。

1 水下聲/光傳輸特性

1.1 傳播損失

1.1.1 水下聲傳播損失

聲波在海水中傳播時聲強(qiáng)會逐漸衰弱，引起傳播衰減的因素主要分為2 個方面：①波陣面的幾何擴(kuò)展引起的擴(kuò)展損失；②由海水粘滯、熱傳導(dǎo)以及鹽類物質(zhì)的弛豫現(xiàn)象引起的吸收損失。聲波在海水中的總傳播損失TL 可以定義為[7]

式中： TL 為傳播損失，dB，其物理意義是度量距離聲源r處的聲強(qiáng)Ir相對于等效聲源1 m 處聲強(qiáng)I0的衰減量，；r是傳播距離，m；n是擴(kuò)展因子，是一個由波陣面擴(kuò)展模型決定的常數(shù)，一般在考慮海底聲吸收情況下的淺海聲傳播條件下取值為1.5；ɑ則為吸收系數(shù)，dB/km，主要與聲波頻率有關(guān)，可以使用Francois-Garrison 方程[8]來估計。

式中：f為聲波頻率，kHz；A1,P1,f1,A2,P2,f2,A3,P3均為與海水溫度、鹽度、深度以及pH 值相關(guān)的變量，在同一環(huán)境中可視為常量。海水對聲波的總吸收系數(shù)主要有3 部分組成：第1 個分量是硼酸的弛豫過程引起的吸收損失；第2 個分量是MgSO4弛豫過程引起的吸收損失；第3 個分量是純水本身的吸收損失。

初中數(shù)學(xué)“動點(diǎn)路線問題”中的“路線”分為兩類：一類是直線型(直線、線段、射線)，另一類是曲線型(圓或圓弧、雙曲線、拋物線).

1.1.2 水下光傳播損失

光在水下的傳播衰減可以表示為

式中：I0為發(fā)射端光功率；I為距離光源r處的接收光功率；c為衰減系數(shù)。因此，其傳播損失TL 可通過下式計算得出：

衰減系數(shù)主要與光波長有關(guān)，可具體分為吸收系數(shù)和散射系數(shù)。在水下光學(xué)中，吸收和散射的總衰減系數(shù)可以表示為[9]

式中，a( )λ和b( )λ分別是水下光傳播的吸收系數(shù)和散射系數(shù)。圖1 顯示了光波在海水中的吸收系數(shù)隨波長的變化[10]，可以看出，450～570 nm 的藍(lán)綠光波段在海水中的衰減系數(shù)較小，在圖中呈現(xiàn)為一個凹陷的窗口，即“藍(lán)綠窗口”，因此水下激光通信一般選用藍(lán)綠光波段。

圖1 海水中光吸收系數(shù)隨波長的變化Fig. 1 Variation of light absorption coefficient with wavelength in seawater

1.1.3 水下聲/光傳播損失對比

運(yùn)用公式（1）和公式（4），本文在圖2 中繪制出不同頻率聲波和不同水體中藍(lán)綠激光的傳播損失對比?？梢钥闯觯{(lán)綠光波在水下的傳播損失主要與水體的渾濁度有關(guān)，隨著水體渾濁度的升高，水下光傳播損失急劇增加，渾濁港口水體中的光傳播損失幾乎比同等距離上其他幾種渾濁度較小的水體高了1 個數(shù)量級，嚴(yán)重限制了激光的有效通信距離。而水下聲傳播損失則主要與聲波的頻率相關(guān)，隨頻率增大其吸收損失分量急劇增大，當(dāng)頻率增至MHz 級別時聲波的傳播損失已經(jīng)與沿海水體中的光傳播損失相當(dāng)。

圖2 聲波和藍(lán)綠激光在海水中的傳播損失Fig. 2 Propagation loss of sound wave and blue and green laser in seawater

1.2 指向誤差

從指向性考慮，脈沖激光的光強(qiáng)分布可以通過高斯函數(shù)來描述[11]，光波振幅在光束截面上的分布可用下式來表示：

式中：A0為光波在光軸處的振幅；ρ為目標(biāo)點(diǎn)到光斑中心的距離，；ω為光斑半徑，定義為振幅減小到最大值1/ e 處的ρ值。根據(jù)式（6）可推導(dǎo)出光束截面上的光強(qiáng)分布，如圖3 所示?？梢钥闯觯鈴?qiáng)的極大值位于光軸上，隨著逐漸遠(yuǎn)離光軸，光強(qiáng)急劇減小。因此，若激光發(fā)射端與接收端存在指向誤差，即接收機(jī)位置偏離發(fā)射光軸時，接收功率將會嚴(yán)重受限。

圖3 光束截面上的光強(qiáng)分布Fig. 3 Intensity distribution on beam section

相較于容易實(shí)現(xiàn)全指向性或?qū)捴赶騻鞑サ乃曂ㄐ?，具有高度指向性的水下激光通信在水體波動的環(huán)境中存在嚴(yán)重的指向誤差。由風(fēng)引起的隨機(jī)海面波動是引起水下無線光通信（Underwater Wireless Optical Communication，UWOC）系統(tǒng)指向誤差的原因之一，DONG 等[12]建立了一種如圖4 所示的浮標(biāo)下行UWOC 系統(tǒng)的信道模型，并推導(dǎo)出下行UWOC 系統(tǒng)指向誤差的概率密度函數(shù)的表達(dá)式。

圖4 浮標(biāo)下行UWOC 系統(tǒng)的信道模型Fig. 4 A channel model of UWOC system for buoy downlink

式中：U為海平面以上的風(fēng)速（m/s），L為光源與接收平面之間的距離，m；d為接收平面上光束中心與孔徑之間的偏移距離，m；分別為上下風(fēng)向和側(cè)風(fēng)向的波傾角的方差。，I0為零階的第1 類修正貝塞爾函數(shù)。

由式（7）可繪制出如圖5 所示不同風(fēng)速下徑向誤差d的概率密度函數(shù)的分布圖?？梢钥闯?，隨著風(fēng)速的增強(qiáng)，可能出現(xiàn)的指向誤差越大，且誤差的波動范圍也越大。

圖5 不同風(fēng)速下徑向誤差d 的概率密度分布Fig. 5 Probability density distribution of radial error d under different wind speeds

1.3 小結(jié)

從聲、光2 種通信載體在水下的傳輸特性可知，光通信鏈路是相對脆弱和不穩(wěn)定的，因為它的性能嚴(yán)重受制于發(fā)射接收器的校準(zhǔn)度和水體渾濁度；而聲通信鏈路的可用帶寬受限于通信距離，高頻聲波無法實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離傳播，因此僅在近距離才有較大的可用帶寬。此外，聲通信鏈路能耗相對光通信鏈路更高，平臺資源嚴(yán)格受限的小尺寸AUV無法支撐聲通信鏈路長時間工作，且其還缺乏隱蔽性，容易被水聲傳感設(shè)備監(jiān)測到。

2 聲光一體高速通信系統(tǒng)設(shè)計

在面向復(fù)雜海洋環(huán)境小尺寸水下無人平臺高速率通信的應(yīng)用場景中，單獨(dú)的聲通信和光通信都無法完美達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。因此本文結(jié)合光通信在近程高水質(zhì)環(huán)境中通信速率高、延遲時間短和聲通信指向范圍廣、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種聲光一體水下高速通信方案。

2.1 調(diào)制、編碼方式

考慮到幾種常用調(diào)制方式與聲光一體調(diào)制解調(diào)的適應(yīng)性以及近距高速通信應(yīng)用場景，本文選擇LPPM 調(diào)制方式作為聲光一體通信系統(tǒng)的調(diào)制方案。

LPPM 調(diào)制將1 個n位二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射為2n個時隙組成的時間段中某一個時隙處的單脈沖信號，1 個L位的PPM 調(diào)制信號傳送的信息比特為log2(L)。設(shè)n位二進(jìn)制數(shù)m＝ [mn，… …，m2，m1]，而將時隙位置記為l，則PPM 調(diào)制的映射關(guān)系可以寫成如下數(shù)學(xué)關(guān)系式[13]：

系統(tǒng)采用RS 編碼。RS 碼是一類多進(jìn)制BCH碼，也是一類典型的代數(shù)幾何碼，它有著比BCH更好的糾錯性能，是目前光通信領(lǐng)域最常見的FEC碼。RS 碼最大的優(yōu)勢在于它可以對字節(jié)進(jìn)行編碼，因此它在糾正突發(fā)錯誤的性能上比較優(yōu)越。文中采用RS（255，239）進(jìn)行編解碼，碼率為1︰1.067。

2.2 性能分析

水聲信道中多徑傳輸是影響水聲通信的重要因素，本文系統(tǒng)從以下2 個方面實(shí)現(xiàn)多徑抑制。

首先，本文采用的LPPM 調(diào)制方式通過檢測一個碼元周期（16 個時隙）中的最大脈沖位置進(jìn)行解調(diào)，高頻聲波衰減系數(shù)大，多徑信號傳播過程中增加的聲程以及界面反射過程中的能量損失導(dǎo)致多徑相對直達(dá)徑有明顯的衰減，基本不會影響解調(diào)判決。其次，考慮到近距、高速通信應(yīng)用，本文聲光一體通信中聲通信采用MHz 級高頻信號，對應(yīng)的波長較短（1 MHz 頻率的聲波在水中波長僅為1.5 mm），因而其尺度未遠(yuǎn)大于海面、海底反射界面的不規(guī)則尺度，容易在界面形成漫反射，從而分散反射徑的能量。

2.3 信號幀結(jié)構(gòu)

本文系統(tǒng)發(fā)射信號幀結(jié)構(gòu)如圖6 所示，發(fā)射信號由前導(dǎo)序列、幀頭、數(shù)據(jù)段以及幀尾組成。前導(dǎo)序列分為前導(dǎo)碼和起始碼，確保接收信號同步捕獲的穩(wěn)定性，前導(dǎo)碼包含了若干脈沖信號，起始碼則用于界定信息序列起始位置。當(dāng)正確掃描到幀頭信息后認(rèn)為同步成功，可以開始進(jìn)行解調(diào)。幀頭包含了發(fā)送端的MAC 地址、IP 地址，接收端的MAC 地址、IP 地址，用于確定通信鏈路的起始設(shè)備地址，為之后拓展到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信提供儲存節(jié)點(diǎn)信息的空間。數(shù)據(jù)段包括信息段和保護(hù)間隔，本設(shè)計中16-PPM 采用的時隙寬度為216 ns，保護(hù)間隔為一個時隙寬度，由此可計算出本系統(tǒng)數(shù)據(jù)段的通信速率可達(dá)到1 Mbps 的量級。幀尾是幀校驗序列碼（Frame Check Sequences，F(xiàn)CS），是為提高系統(tǒng)通信的可靠性設(shè)置的，可以通過比較接收端解調(diào)信號幀計算出來的FCS 和發(fā)送端傳送過來的FCS 是否相同來判定通信的誤碼情況。

圖6 發(fā)射信號幀格式Fig. 6 Transmitting signal frame format

2.4 聲光一體通信鏈路設(shè)計

本文聲光一體通信系統(tǒng)的鏈路如圖7 所示。系統(tǒng)分為4 個部分：①上位機(jī)；②Modem，是調(diào)制器（Modulator）與 解調(diào)器（Demodulator）的簡稱；③鏈路切換模塊；④水聲換能器/激光發(fā)射接收器。上位機(jī)通過以太網(wǎng)控制Modem 發(fā)送信息，可下傳文本、音頻和視頻等文件進(jìn)行發(fā)送；Modem 從網(wǎng)口收到信息后依次對其進(jìn)行編碼、調(diào)制最后封裝成發(fā)射信號；鏈路切換模塊通過當(dāng)前水體情況來選擇通信鏈路；接收端采用與發(fā)射端相同的鏈路來接收信號，接收端Modem 采集到信號后依次對其進(jìn)行解調(diào)、解碼和幀處理，將解析得到的有效信息通過以太網(wǎng)上傳至接收端上位機(jī)顯示。

圖7 水下聲光一體通信示意圖Fig. 7 Diagram of underwater optical-acoustic integration communication

2.5 硬件實(shí)現(xiàn)方案

本文通信系統(tǒng)是基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實(shí)現(xiàn)的，發(fā)射和接收的相關(guān)硬件集成在Modem 上。Modem 主要由4 個功能模塊組成，分別為核心處理單元、網(wǎng)口通信模塊、AD/DA 轉(zhuǎn)換模塊、功率放大模塊。信號的生成和處理在硬件系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)流程如圖8 所示。考慮系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)速率的需求，Modem 與上位機(jī)的通信采用以太網(wǎng)方案，RJ45 網(wǎng)口采用88E1111PHY 以太網(wǎng)物理層芯片與上位機(jī)通信，主要負(fù)責(zé)將發(fā)送信息從上位機(jī)傳輸?shù)組odem以及將解調(diào)信息上傳到上位機(jī)，此外還可將采集到的接收信號實(shí)時上傳至上位機(jī)的調(diào)試窗口以供調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)時用于參考。

圖8 聲光一體化Modem 結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 8 Structure diagram of optical-acoustic integration modem

核心處理單元的功能基于FPGA 實(shí)現(xiàn)，主要功能包括信號的編碼解碼、調(diào)制解調(diào)、幀封裝處理以及數(shù)據(jù)緩存FIFO；DA 轉(zhuǎn)換模塊的功能是將FPGA 生成的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成可用于發(fā)射的模擬信號；AD 轉(zhuǎn)換模塊則是將接收到的連續(xù)信號轉(zhuǎn)換成可用于處理分析的數(shù)字信號；功率放大模塊包含了發(fā)射放大增益模塊和前置濾波放大模塊；發(fā)射放大增益模塊目前可將發(fā)射信號的幅值增益到24 V；接收端的前置濾波放大模塊可濾除帶外噪聲并放大接收信號，其放大倍數(shù)可用板載電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

考慮到不同的實(shí)際應(yīng)用場景，本文設(shè)計的聲光一體通信系統(tǒng)可通過上位機(jī)接口設(shè)置或根據(jù)任務(wù)需求、信道特性自適應(yīng)調(diào)制，進(jìn)行聲/光模式設(shè)置與切換。

3 實(shí)驗結(jié)果

本文聲光一體化通信系統(tǒng)在實(shí)驗室水池中進(jìn)行了初步試驗。如圖9 所示，試驗水池長為3 m，寬為2 m，水深0.4 m，發(fā)射端與接收端放置的水平距離約為3.3 m 左右。試驗中，聲通信鏈路發(fā)射與接收信號的波形如圖10 所示，可以看出水池中接收信號的信噪比情況較好。聲通信鏈路和光通信鏈路均實(shí)現(xiàn)了以1 Mbps 的數(shù)據(jù)速率傳輸圖片文件，誤碼率均為0。

圖9 水池試驗環(huán)境Fig. 9 Structure diagram of experiment pool

圖10 聲通信鏈路發(fā)射與接收信號波形圖Fig. 10 Transmitting and receiving signal waveform of acoustic communication link

4 結(jié)束語

針對水下聲、光通信具有互補(bǔ)性，而傳統(tǒng)聲光混合通信技術(shù)通常需要采用2 套獨(dú)立的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度高的問題，本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種水下聲光一體化高速通信方案。該方案基于一體化思路在1 套調(diào)制解調(diào)硬件上支持聲、光通信鏈路，具有對不同水質(zhì)、海況、對準(zhǔn)條件、噪聲背景的適應(yīng)性，且一體化設(shè)計實(shí)現(xiàn)下系統(tǒng)硬件開銷低，適用于尺寸、功耗、硬件資源受限的小型化AUV等各類小型水下平臺。水池初步試驗結(jié)果驗證了本文系統(tǒng)的有效性。