應(yīng)用于海洋物聯(lián)網(wǎng)的水聲通信技術(shù)發(fā)展綜述

瞿逢重, 付雁冰, 楊劭堅(jiān), 卓曉曉, 涂星濱, 魏艷

(1.浙江大學(xué)海南研究院, 海南 三亞 572025; 2.浙江省海洋觀測(cè)-成像試驗(yàn)區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 舟山 316021; 3.浙江大學(xué) 海洋感知技術(shù)與裝備教育部工程研究中心, 浙江 舟山 316021; 4.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 上海 200050)

傳統(tǒng)的海洋觀測(cè)網(wǎng)孤立、碎片化的感知海洋環(huán)境數(shù)據(jù)以及其大型、固定且需要定期運(yùn)維的特點(diǎn)已經(jīng)難以滿足人類觀測(cè)海洋的需求。近年來,為得到多元、綜合、實(shí)時(shí)的海洋信息,海洋物聯(lián)網(wǎng)的概念被提出以滿足海洋行業(yè)各類需求。水聲通信鏈路作為各節(jié)點(diǎn)互聯(lián)互通的重要保障,成為海洋物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分,也受到科研機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司的廣泛關(guān)注。近年來,隨著海洋物聯(lián)網(wǎng)向高空間分辨率、長時(shí)間監(jiān)測(cè)、廣覆蓋以及智能化發(fā)展,水聲通信設(shè)備逐步向低功耗、低成本、小型化、高通信能力發(fā)展。

1 海洋物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

海洋物聯(lián)網(wǎng)(ocean internet-of-things,ocean IoT)是一個(gè)集海洋監(jiān)測(cè)、信息傳輸、數(shù)據(jù)挖掘、結(jié)果反饋等多種功能于一體的海洋信息綜合網(wǎng)絡(luò)[1]。自近5年被提出以來,海洋物聯(lián)網(wǎng)已成為世界海洋領(lǐng)域范圍內(nèi)的研究重點(diǎn),其具體的應(yīng)用、示范以及實(shí)現(xiàn)尚在探索中,還未形成大規(guī)?；ネɑヂ?lián)可應(yīng)用的海洋物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的海洋觀測(cè)網(wǎng)有加拿大在北太平洋海底建設(shè)的深海長期觀測(cè)網(wǎng)—海王星海底觀測(cè)網(wǎng)[2],歐洲多個(gè)國家聯(lián)合開發(fā)的歐洲海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),日本的(advanced real-time earth monitoring network in the srea,ARENA)觀測(cè)計(jì)劃[3],中國在2009年和2013年分別建立的東海海底小衢山試驗(yàn)站[4]和南海海底觀測(cè)網(wǎng)[5],2014年由Xie等[6]研發(fā)設(shè)計(jì)的摘箬山島海洋試驗(yàn)研究觀測(cè)系統(tǒng)(ZJU-ZRS experimental research observatory,Z2ERO)等,這些傳統(tǒng)觀測(cè)網(wǎng)以船基、岸基、浮標(biāo)、潛標(biāo)等為觀測(cè)手段開展局部海域的水文氣象或海洋環(huán)境監(jiān)測(cè);其監(jiān)測(cè)設(shè)備昂貴、監(jiān)測(cè)海域有限,觀測(cè)網(wǎng)建成后很難再移動(dòng)到其他海域,并且傳統(tǒng)的海洋觀測(cè)網(wǎng)更注重于數(shù)據(jù)的獲取,并不強(qiáng)調(diào)對(duì)獲取后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)和管理。傳統(tǒng)的海洋觀測(cè)平臺(tái)還有大型、固定、難以定期運(yùn)維的特點(diǎn),通常存在質(zhì)量大、布放困難、靈活性差、工程成本高等諸多問題,單一的有纜通信模式,以及復(fù)雜、大型化的海洋觀測(cè)接駁儀器限制了海洋觀測(cè)網(wǎng)的發(fā)展和推廣[7]。而海洋物聯(lián)網(wǎng)則利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),將海上及水下各類小型化、低成本、便于布放的智能傳感/監(jiān)測(cè)終端互聯(lián)互通,從而將海上信息整合,實(shí)現(xiàn)對(duì)海上繁雜數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)化管理。具體來說,海洋物聯(lián)網(wǎng)先通過水上或水下傳感設(shè)備采集與海洋相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù),再憑借多種通信手段將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心或云平臺(tái)。數(shù)據(jù)中心或云平臺(tái)利用大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)等相關(guān)技術(shù)通過定制化的軟件對(duì)海洋數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理、分析及利用。

小型化、無纜化、智能化的海洋通信設(shè)備以及結(jié)合多種通信方式的海洋物聯(lián)網(wǎng)需要被廣泛研究。典型的海洋物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。除了少數(shù)有纜中繼外,海洋物聯(lián)網(wǎng)主要包含定點(diǎn)和移動(dòng)2種工作方式。其中,定點(diǎn)工作方式利用掛在浮標(biāo)上的傳感器以及海底原位觀測(cè)站裝載的傳感器進(jìn)行工作;移動(dòng)工作方式利用水下滑翔機(jī)、水下自主航行器等攜帶的傳感器進(jìn)行工作。水下的固定節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)配備水聲通信裝備,通過水聲通信鏈路傳輸信息。隨著人類對(duì)海洋的不斷探索,這種小型化、低功耗的海洋物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)更貼近實(shí)際海洋環(huán)境中的實(shí)時(shí)、原位、長時(shí)間立體觀測(cè)的需求,在海洋經(jīng)濟(jì)、工程、科學(xué)以及國防等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。在海洋經(jīng)濟(jì)和工程領(lǐng)域,海洋物聯(lián)網(wǎng)可為海洋牧場和海洋環(huán)境提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),為海底電纜光纜鋪設(shè)、核電系統(tǒng)周圍海域提供實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息。在海洋科學(xué)研究層面,海洋物聯(lián)網(wǎng)具備海洋大數(shù)據(jù)獲取、儲(chǔ)存等功能,給予科研人員足夠的數(shù)據(jù)樣本。在國防事業(yè)中,海洋物聯(lián)網(wǎng)將作為“水下國門”為軍事情報(bào)收集、信息監(jiān)聽等多節(jié)點(diǎn)協(xié)同偵察提供保障。

圖1 海洋物聯(lián)網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of ocean internet-of-things

2 海洋物聯(lián)網(wǎng)對(duì)水聲通信的要求

為應(yīng)對(duì)海洋物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用所提出的挑戰(zhàn)[8],近年來,諸多學(xué)者致力于水聲信道建模、信道估計(jì)、均衡等算法的研究以追求高可靠性、相對(duì)高速率和遠(yuǎn)距離的水聲通信技術(shù)。同時(shí),海洋物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要滿足小型化、實(shí)時(shí)化、低成本、抗移動(dòng)性強(qiáng)等要求,力求實(shí)現(xiàn)利用一艘小船即可完成海洋物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)布放的設(shè)想,進(jìn)一步為人類提供智能化海洋服務(wù)及應(yīng)用平臺(tái)。

2.1 海洋物聯(lián)網(wǎng)對(duì)水聲通信技術(shù)的要求

2.1.1 相對(duì)高速率與遠(yuǎn)距離傳輸

由于電磁波在水中大幅衰減,目前水下通信更多依賴于聲波進(jìn)行信息傳輸。水聲信道具有背景噪聲復(fù)雜、信號(hào)衰減嚴(yán)重、多徑效應(yīng)明顯、時(shí)-空-頻變等特點(diǎn)。同時(shí),較低的聲速使得水聲通信的速率、帶寬都遠(yuǎn)不及無線通信。數(shù)據(jù)傳輸速率和距離、頻率緊密關(guān)聯(lián),近距離水聲通信時(shí),常選用較高頻率來提升數(shù)據(jù)傳輸速率,而遠(yuǎn)距離通信需采用較低的頻率以減緩能量衰減,但數(shù)據(jù)率也相應(yīng)降低。21世紀(jì)初Kilfoyle等[9]曾歸納出一個(gè)實(shí)驗(yàn)規(guī)律,即水聲通信系統(tǒng)的性能包絡(luò)可以近似表示為:距離與數(shù)據(jù)率的乘積約等于40 km×kbit/s。近年來,得益于多種水聲通信物理層技術(shù)的發(fā)展,性能包絡(luò)可達(dá)100～200 km×kbit/s[10],國內(nèi)外的水聲通信團(tuán)隊(duì)提出了各種調(diào)制解調(diào)算法以提高性能包絡(luò)的上限。

2.1.2 適應(yīng)移動(dòng)平臺(tái)的抗多普勒特性

多普勒效應(yīng)是由于發(fā)射和接收裝置之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的,由于聲速相比于無線電磁波低了5個(gè)數(shù)量級(jí),水聲信道中由移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移不可忽略。對(duì)于單載波調(diào)制而言,發(fā)射和接收端的主動(dòng)行進(jìn)導(dǎo)致了較大的多普勒頻移,如果默認(rèn)同步算法補(bǔ)償了與發(fā)射/接收端主動(dòng)行進(jìn)速度在參考路徑上的投影,那么初始同步后的殘余多普勒因子av=vv/c可以表示為[11]:

[[vtcos(θ0-θt)-vrcos(θ0+θr)]]

(1)

式中:vt/r代表發(fā)射和接收端的主動(dòng)行進(jìn)速度;θt/r代表發(fā)射和接收端的主動(dòng)行進(jìn)方向與連線的夾角;θp代表第p條路徑對(duì)應(yīng)聲線的掠射角。不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)收發(fā)端產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),每條路徑都會(huì)有載波頻率偏移(carrier frequency offset,CFO)。由于每條路徑的聲線掠射角都不同,對(duì)應(yīng)的CFO也有所不同。

在多載波水聲通信系統(tǒng)中,如正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM),該通信系統(tǒng)對(duì)多普勒頻移非常敏感,因?yàn)樗茐牧俗虞d波之間的正交性。如果不進(jìn)行多普勒補(bǔ)償和重采樣來提高海洋物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的抗移動(dòng)性,后續(xù)均衡譯碼誤碼率將會(huì)極大提高[12]。

2.1.3 人工智能算法提升通信性能

將人工智能技術(shù)應(yīng)用于水聲領(lǐng)域,是針對(duì)水聲信道窄帶寬、大時(shí)延、強(qiáng)多途、大起伏、大動(dòng)態(tài)變化和高噪聲等特性的一種創(chuàng)新思路。這種應(yīng)用的核心在于選擇合適的智能算法,以解決水聲通信在物理層和網(wǎng)絡(luò)層上的經(jīng)典問題[13]。尤其在2010年前,人工智能技術(shù)在水聲領(lǐng)域的運(yùn)用相對(duì)有限,然而近年來,隨著強(qiáng)化學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、支持向量機(jī)等人工智能算法在水聲通信中的引入,對(duì)信道均衡、水聲調(diào)制與信號(hào)識(shí)別、水聲信號(hào)自適應(yīng)調(diào)制等關(guān)鍵問題的解決變得更加有力。這些人工智能算法的應(yīng)用不僅使水聲通信技術(shù)在性能上獲得顯著提升,同時(shí)也為水聲通信面臨的挑戰(zhàn)提供了具有創(chuàng)新性的解決途徑。這一趨勢(shì)得益于人工智能領(lǐng)域的快速發(fā)展,使得水聲通信領(lǐng)域能夠更好地應(yīng)用這些先進(jìn)的算法,從而提高通信的可靠性、魯棒性和適應(yīng)性。隨著研究的深入,越來越多的學(xué)者開始將人工智能算法融入海洋物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備中,以構(gòu)建更強(qiáng)大、更智能的水聲通信網(wǎng)絡(luò)。這種技術(shù)的整合將為海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。未來,可以期待看到更多創(chuàng)新性的應(yīng)用,這些應(yīng)用將推動(dòng)水聲通信技術(shù)邁向新的高度,為海洋資源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)和科學(xué)研究等領(lǐng)域提供更為精確和可靠的數(shù)據(jù)支持。

2.2 海洋物聯(lián)網(wǎng)對(duì)水聲通信設(shè)備的要求

2.2.1 高空間分辨率對(duì)體積及成本需求

區(qū)別于傳統(tǒng)的海洋觀測(cè)系統(tǒng),近年來海洋物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于節(jié)點(diǎn)設(shè)備的需求在體積方面更趨于向小型化、輕量化發(fā)展,在成本方面體現(xiàn)在設(shè)備成本與作業(yè)成本的下降。當(dāng)滿足以上需求,海洋監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的空間分辨率將進(jìn)一步提高。

為解決傳統(tǒng)海底有纜觀測(cè)設(shè)備體積大、布放困難等難題,新型的海洋物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的小型化進(jìn)程已經(jīng)逐步開展,這得益于微電子芯片領(lǐng)域的快速發(fā)展。如今的海洋通信設(shè)備電路可以達(dá)到數(shù)十毫米的量級(jí),可以被成年男子單手掌握。節(jié)點(diǎn)設(shè)備的小型化進(jìn)程解決了傳統(tǒng)觀測(cè)設(shè)備靈活性差、布放工程成本高、不易定期運(yùn)維的劣勢(shì),讓利用小船“一手提”的海洋物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)布放、回收方式成為可能。

設(shè)備的小型化極大地解決了海洋物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)布放、回收成本高的問題。此外,傳統(tǒng)的海洋節(jié)點(diǎn)存在質(zhì)量大、價(jià)格高等特點(diǎn),在固定經(jīng)費(fèi)支撐下,空間分辨率一直是有待解決的難題。目前廣泛使用的Argo浮標(biāo)布放數(shù)量巨大,但受制于成本,其空間分辨率仍無法覆蓋大尺度海面。因此隨著海洋設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)的逐漸成熟,對(duì)于新型海洋物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備而言,只有制造出價(jià)格更為低廉的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),才能滿足海洋物聯(lián)網(wǎng)更高的空間分辨率布放需求。

2.2.2 長時(shí)間監(jiān)測(cè)對(duì)低能耗需求

海洋物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施要求各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備能夠長時(shí)間穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境、溫度、深度等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息。在這一背景下,為確保設(shè)備的可持續(xù)運(yùn)行,設(shè)計(jì)低功耗和高能效的電路成為設(shè)計(jì)海洋物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備時(shí)的首要考慮因素。這一設(shè)計(jì)原則特別考慮了海洋中節(jié)點(diǎn)設(shè)備難以進(jìn)行常規(guī)運(yùn)維的情況。低功耗的電路設(shè)計(jì)對(duì)于海洋物聯(lián)網(wǎng)至關(guān)重要。在海洋環(huán)境中,能源供應(yīng)通常受限,因此設(shè)備必須有效地管理能量消耗,以確保長時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行。通過采用優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)和先進(jìn)的能量管理技術(shù),節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以在有限的能源資源下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和通信功能,同時(shí)延長電池壽命,減少更換電池的頻率。高能效電路設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵因素之一。通過最大程度地利用輸入能量,減少能量損耗,設(shè)備可以在有限的能源下提供更多的功能。高能效電路設(shè)計(jì)還有助于降低設(shè)備發(fā)熱和能量浪費(fèi),保持設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。鑒于海洋中節(jié)點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)維困難,休眠喚醒機(jī)制在海洋物聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。這一機(jī)制允許設(shè)備在空閑時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài),以降低能源消耗。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或通信時(shí),設(shè)備會(huì)被喚醒,完成任務(wù)后再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。通過這種方式,節(jié)點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行周期得以延長,從而降低了運(yùn)維成本。這些技術(shù)的綜合運(yùn)用將為我們更深入地了解海洋環(huán)境提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

2.2.3 智能化服務(wù)及應(yīng)用對(duì)終端處理技術(shù)需求

海洋物聯(lián)網(wǎng)需要提供數(shù)據(jù)聚合服務(wù)來提升海量傳感數(shù)據(jù)的處理速度。人工智能及邊緣計(jì)算的發(fā)展使得海洋物聯(lián)網(wǎng)水下通信設(shè)備向智能化發(fā)展。水下終端具備更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力,大部分的數(shù)據(jù)處理任務(wù)可以在節(jié)點(diǎn)終端進(jìn)行,即在海洋物聯(lián)網(wǎng)的邊緣服務(wù)器處理數(shù)據(jù),并通過水聲鏈路實(shí)時(shí)回傳。這樣大部分任務(wù)分配到邊緣服務(wù)器中處理,極大程度地降低了水聲鏈路的傳輸負(fù)載,提高了整體性能。隨著邊緣服務(wù)器協(xié)同計(jì)算的加入,云服務(wù)器處理的冗余數(shù)據(jù)量也將降低,邊緣服務(wù)器將以更低的時(shí)延向云服務(wù)器發(fā)出更快響應(yīng),便于云服務(wù)器進(jìn)行決策。云服務(wù)器將處理后的海洋傳感數(shù)據(jù)整合,最后向用戶提供可視化、智能化服務(wù)。這將使得海洋物聯(lián)網(wǎng)更好地應(yīng)用于海底原位監(jiān)測(cè)、海洋環(huán)境保護(hù)、自然災(zāi)害預(yù)警、漁業(yè)資源評(píng)估等領(lǐng)域。

3 海洋物聯(lián)網(wǎng)中水聲通信技術(shù)與裝備研究進(jìn)展

發(fā)展水聲通信技術(shù)是發(fā)展海洋物聯(lián)網(wǎng)的重中之重,研發(fā)小型化、低成本、抗移動(dòng)、易布放的水聲通信機(jī),建立可靠的水聲通信鏈路作為節(jié)點(diǎn)互聯(lián)互通的重要保障以滿足多場景、多海域的監(jiān)測(cè)需求,進(jìn)一步拓寬海洋物聯(lián)網(wǎng)的示范應(yīng)用。

目前的海洋物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)大多是基于有限水下節(jié)點(diǎn)建設(shè)的水下通信網(wǎng)絡(luò)。絕大多數(shù)的海洋物聯(lián)網(wǎng)致力于實(shí)現(xiàn)數(shù)公里范圍內(nèi)的水下環(huán)境傳感與監(jiān)測(cè),并通過海面浮標(biāo)基站作為中繼將水下獲取的信息傳輸至岸基站。在這個(gè)過程中,不同節(jié)點(diǎn)面臨的通信環(huán)境和任務(wù)需求各異,需要多樣化的水聲通信策略以滿足水下網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)男枰＠?近距離節(jié)點(diǎn)間的通信往往有高速率水聲通信的需求,遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)間的通信則面臨高可靠水聲通信的挑戰(zhàn)。

本文調(diào)研了近十年來國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和公司最新的水聲通信技術(shù)研究進(jìn)展和搭建的水聲通信機(jī),發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的水聲通信機(jī)都符合小型化、低成本、可移動(dòng)、易布放的特點(diǎn),這極大程度地助力了海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

3.1 國內(nèi)研究成果

國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)如中科院聲學(xué)所、哈爾濱工程大學(xué)、浙江大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、廈門大學(xué)等通過多年的努力,在小型化、輕量化的水聲通信技術(shù)與裝備研究方面取得了一定的成果。

中科院聲學(xué)所提出一種雙向軟決策反饋均衡器[13],用于雙選擇性信道上的正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)水聲通信系統(tǒng),并提出一種迭代的基于子載波間干擾深度估計(jì)的MIMO-OFDM接收機(jī)。仿真結(jié)果表明,該接收機(jī)相比于干擾深度漸進(jìn)的接收機(jī),譯碼成功所需的時(shí)間更短[15]。面向深海需求,聲學(xué)所團(tuán)隊(duì)提出了一種改進(jìn)的比例歸一化最小誤碼率(improved proportionate normalized minimum-SER,IPNMSER)算法,用于深海垂直聲學(xué)通信中的自適應(yīng)turbo均衡,該算法在大約10 500 m的垂直通信范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有數(shù)據(jù)塊的無差錯(cuò)檢測(cè)[16]。聲學(xué)所團(tuán)隊(duì)還提出了一種概率星座整形(probabilistic constellation shaping,PCS)輔助單載波收發(fā)器,以提高水聲通信(underwater acoustic,UWA)的頻譜效率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,PCS-UWA通信系統(tǒng)的性能明顯優(yōu)于沒有PCS的傳統(tǒng)系統(tǒng)[17]。

哈爾濱工程大學(xué)團(tuán)隊(duì)將OFDM和擴(kuò)頻(spread spectrum,SS)的碼分多址(code division multiple access,CDMA)用于實(shí)現(xiàn)全雙工(full-duplex,FD)和多用戶水聲通信,設(shè)計(jì)出了國內(nèi)首個(gè)全雙工、多用戶和參數(shù)可重構(gòu)的水聲通信機(jī)[17]。然后哈爾濱工程大學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)全雙工通信的迭代展開了系列研究:2013年提出了一種基于全雙工的水聲通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,通過避免沖突來節(jié)省傳輸能量,同時(shí)最大限度地提高吞吐量,并有效地解決了隱藏/暴露的終端問題[19];2018年提出了帶內(nèi)全雙工水聲通信系統(tǒng)中基于最大似然估計(jì)器的自干擾信道估計(jì)算法,以有效消除水聲通信系統(tǒng)中同時(shí)發(fā)送和接收引起的自干擾(self-interference,SI)[20];2019年針對(duì)水聲通信中同時(shí)同頻全雙工通信嚴(yán)重的自干擾問題,提出了一種新的數(shù)字自干擾消除信道估計(jì)技術(shù),進(jìn)一步提高了數(shù)字自干擾消除的性能[21];2022年將一種基于矢量水聽器和多模態(tài)換能器的全雙工定向介質(zhì)訪問控制(medium access control,MAC)框架連同基準(zhǔn)MAC協(xié)議引入水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)(underwater acoustic sensor network,UASN),并使用自適應(yīng)功率控制的手段來實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用和節(jié)約能量的目的[22]。

浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)基于水聲通信中直接序列擴(kuò)頻的方法,利用原始擴(kuò)頻波形的周期性相關(guān)特性疊加多個(gè)序列,在發(fā)射器的每個(gè)模塊內(nèi)同時(shí)調(diào)制多個(gè)不同的符號(hào)[23]。針對(duì)高速率水聲通信信道估計(jì)難題,提出了期望最大化改進(jìn)稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)算法的信道估計(jì)理論,實(shí)現(xiàn)了高速率相干水聲通信[24]。該團(tuán)隊(duì)還提出了一種實(shí)驗(yàn)后現(xiàn)場數(shù)據(jù)復(fù)用方法,用于測(cè)試多址水聲通信的單載波調(diào)制(single carrier modulation,SCM)和OFDM信號(hào)[25]。應(yīng)對(duì)水聲通信收發(fā)相對(duì)運(yùn)動(dòng)下的信道估計(jì)難題,提出了多徑-多普勒雙一維壓縮感知信道估計(jì)理論,提升了對(duì)惡劣信道估計(jì)準(zhǔn)確度[26]。應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)距離水聲通信網(wǎng)絡(luò)長傳播時(shí)延的難題,提出了一種利用傳播時(shí)間差的并發(fā)傳輸MAC理論,降低了遠(yuǎn)距離水聲通信網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延,提升了吞吐量[27]。針對(duì)水下設(shè)備的能量限制和對(duì)數(shù)據(jù)收集的巨大需求,介紹了一種自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)輔助的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)[28]。該團(tuán)隊(duì)利用高能效、低噪聲電路設(shè)計(jì)方法最終設(shè)計(jì)出UACM-M200和UACM-M1500這2種型號(hào)的小型化、低功耗水聲通信機(jī)來應(yīng)對(duì)不同的海深作業(yè)條件。如圖2 所示,該通信機(jī)的最大有效通信速率為3.07 kbit/s,在舟山附近海試傳輸距離為4.5 km,在云南撫仙湖實(shí)測(cè)傳輸距離為14 km。

圖2 浙江大學(xué)水聲通信機(jī)[29]Fig.2 Modems of Zhejiang University[29]

廈門大學(xué)在2017年研制的AMLink系列水聲 通信機(jī)采用擴(kuò)頻、高效糾錯(cuò)編碼技術(shù)和抗多徑信號(hào)的創(chuàng)新處理方案,具備測(cè)距、水下組網(wǎng)功能,傳輸速率在20～400 bit/s內(nèi)可調(diào),較高數(shù)據(jù)率傳輸時(shí)工作距離可達(dá)1 km,較低數(shù)據(jù)率時(shí)可以傳輸5～10 km[30]。2019年,廈門大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款參數(shù)可配置的水聲OFDM水聲通信機(jī),如圖3所示,該水聲通信機(jī)在長時(shí)延、大多普勒信道中實(shí)現(xiàn)實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率和誤碼率的最優(yōu)平衡。該小型化水聲通信機(jī)的高度為45 cm,內(nèi)徑高度為10 cm,外徑高度為12.5 cm,可通過電纜與主機(jī)交互的方式來配置接收機(jī)個(gè)數(shù)、確定空子載波數(shù)、導(dǎo)頻子載波數(shù)和信道估計(jì)的方法。其最大接收功耗為3 W,最大傳輸功耗為40 W[31]。該團(tuán)隊(duì)還提出一種順序自適應(yīng)觀測(cè)長度正交匹配追蹤(sequential adaptive observation length orthogonal matching pursuit,SAOLOMP)的方法來解決快速時(shí)變稀疏信道的水聲通信問題[31],并提出了一種靜態(tài)-動(dòng)態(tài)判別壓縮感知(static-dynamic discriminative compressed sensing,SDD-CS)方法來探索淺海水聲通信場景混合稀疏性[32],并用NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真工具評(píng)估了稀疏信道下的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)[34]。

圖3 廈門大學(xué)設(shè)計(jì)的可配置的水聲OFDM水聲通信機(jī)[31]Fig.3 A parameter-configurable underwater acoustic OFDM MODEM from Xiamen University[31]

西北工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)將單輸入單輸出(single-input single-output,SISO)系統(tǒng)中的部分快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)解調(diào)方法擴(kuò)展到多輸入多輸出(multiple-input multiple-output,MIMO)系統(tǒng)[35]。在差分OFDM系統(tǒng)中,為緩解時(shí)變信道所帶來的嚴(yán)重載波間干擾,采用了新興的部分FFT解調(diào)技術(shù),并提出了一種基于特征分解的算法來計(jì)算組合權(quán)重[36]。針對(duì)正交信分復(fù)用(orthogonal signal-division multiplexing,OSDM)調(diào)制方案,在雙選信道上,提出了低復(fù)雜度的塊和串行OSDM均衡算法[37];在MIMO信道中,分別針對(duì)時(shí)不變信道和時(shí)變信道提出了低復(fù)雜度的MIMO-OSDM單向量和塊均衡算法[38]。

華南理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種基于因子圖的多任務(wù)稀疏學(xué)習(xí)信道估計(jì)方法(multitask sparse Bayesian learning channel estimation based on factor graphs,MT-SBL-FG),用于水聲通信中的turbo均衡[39]。該團(tuán)隊(duì)還提出了一種用于正交時(shí)頻空調(diào)制(orthogonal time frequency space,OTFS)系統(tǒng)的新型逐塊索引調(diào)制方案[40]。同時(shí),華南理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)在海洋物聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究領(lǐng)域也做出了突出的貢獻(xiàn),該團(tuán)隊(duì)提出聲電協(xié)同海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的新思路,即通過聲、電鏈路的協(xié)同協(xié)作,提高網(wǎng)絡(luò)的性能[41-42]。針對(duì)水聲網(wǎng)絡(luò)中可靠鏈路傳輸?shù)奶魬?zhàn),提出了一種跨層前向糾錯(cuò)(cross-layer FEC,CL-FEC)方案,該方案實(shí)現(xiàn)了機(jī)會(huì)性傳輸,以克服水聲信道中頻繁的傳輸故障[43]。文獻(xiàn)[44]提出了一種新的協(xié)議模型來描述水聲信道干擾。針對(duì)長傳播時(shí)延對(duì)水聲網(wǎng)絡(luò)中的MAC產(chǎn)生的影響,該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于空時(shí)復(fù)用的MAC協(xié)議,并設(shè)計(jì)了低復(fù)雜度算法實(shí)現(xiàn)了在星形網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)調(diào)度[45]。

青島科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)壓縮采樣匹配追蹤(compressive sampling matching pursuit,CoSaMP)算法在水聲信道中信道估計(jì)時(shí)復(fù)雜度較高的問題,提出一種基于稀疏自適應(yīng) CoSaMP 原子的動(dòng)態(tài)閾值和弱選擇(dynamic threshold and weak selection of atoms CoSaMP,DW-SACoSaMP)的算法[46],采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural networks,CNN)的方法實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的性能分析和預(yù)測(cè)[47],仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的CNN預(yù)測(cè)方法比徑向基函數(shù)(radial basis function,RBF)、廣義回歸(generalized regression,GR)、Elman和極限學(xué)習(xí)機(jī)(extreme learning machine,ELM)方法具有更好的預(yù)測(cè)效果,助力了移動(dòng)海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。文獻(xiàn)[48]將深度混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入水聲信號(hào)調(diào)制識(shí)別中,極大地減少了識(shí)別時(shí)間。

河海大學(xué)團(tuán)隊(duì)在水聲網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域做出了杰出的貢獻(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于多自主水下航行器的高可用性數(shù)據(jù)采集方案,以提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能,保證數(shù)據(jù)采集服務(wù)的高可用性[49]。為解決UASN中多AUV之間缺乏適當(dāng)?shù)膮f(xié)作機(jī)制的問題,該團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)基于狀態(tài)預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)收集算法(state prediction-based data collection,SPDC),該算法在降低數(shù)據(jù)采集時(shí)延和提高網(wǎng)絡(luò)總壽命方面表現(xiàn)出較好的性能[50]。為應(yīng)對(duì)水下高流量的通信需求,提出了一種基于多通道全雙工(full-duplex,FD)通信技術(shù)的水下數(shù)據(jù)傳輸方法[51]。為了保證并提高服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS),在水下物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中提供可靠的數(shù)據(jù)通信,在保護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng)的同時(shí)進(jìn)行可持續(xù)的水下監(jiān)測(cè)和勘探,該團(tuán)隊(duì)提出了一種生態(tài)友好的UASN數(shù)據(jù)傳輸方案,該方案采用干擾感知機(jī)會(huì)路由發(fā)現(xiàn)方法和基于頻分復(fù)用(frequency-division multiplexing,FDM)的FD通信方案[52]。該團(tuán)隊(duì)還提出了一種基于蜂窩聚類架構(gòu)的干擾感知數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,理論分析和仿真表明,該協(xié)議在信號(hào)干擾得到顯著緩解后,在UASN的QoS方面具有優(yōu)勢(shì)[53]。

3.2 國外研究成果

國外的科研機(jī)構(gòu)也針對(duì)于海洋物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中的水聲通信技術(shù)展開了體系化研究。近年來國外市場涌現(xiàn)出很多面向海洋物聯(lián)網(wǎng)的小型輕量化、低功耗水聲通信設(shè)備商業(yè)化設(shè)備,為新型海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展注入了新鮮血液。

Jeon等[53]研制了一種仿生魚搭載的水聲通信機(jī),由于仿生魚機(jī)器人的長度和尺寸限制,該小型化水聲通信機(jī)嘗試采用如圖4 所示多層圓柱結(jié)構(gòu)來節(jié)省空間,其直徑為70 mm,高度為40 mm。為最大限度地延長仿生魚機(jī)器人的工作時(shí)長,在模擬電路中采用包絡(luò)檢測(cè)器模塊將水聲通信機(jī)設(shè)計(jì)成睡眠喚醒模式來降低功耗。在寬度為930 m、深度為10 m的漢江中的最大傳輸距離為500 m,但在350 m的通信試驗(yàn)中,誤碼率較大,達(dá)到了10-3數(shù)量級(jí),可能是由于水下生物和地形因素引起。短程水下通信設(shè)備的高速率通信實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),射線追蹤模型與真實(shí)信道存在較大差異,水下的地形和障礙物等是影響水聲通信機(jī)性能的重要因素[55]。該團(tuán)隊(duì)將其設(shè)計(jì)的高速水聲通信系統(tǒng)雙向OFDM 水聲通信機(jī)在水箱和池塘中做了性能對(duì)比得知,池塘的性能優(yōu)于水箱[56],OFDM 信號(hào)受多徑效應(yīng)影響較大。

圖4 組裝的水下水聲通信機(jī)結(jié)構(gòu)[53]Fig.4 Structure of assembled underwater acoustic modem[53]

Martins 等[57]提出了一種基于壓電聚偏氟乙烯換能器和Xilinx公司現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)的低功耗高數(shù)據(jù)率水聲通信機(jī),該系統(tǒng)采用開關(guān)鍵控(on-off keying,OOK)的調(diào)制方式,使用1 MHz載波實(shí)現(xiàn)1 Mbit/s的最大數(shù)據(jù)速率,通信距離在20 m以上,誤碼率為3×10-3,在1 m的距離內(nèi),使用簡單調(diào)制方案(如OOK)的最大數(shù)據(jù)速率為20 Mbit/s,為視頻流數(shù)據(jù)傳輸提供了新的解決方案[58],但仍有很大的改進(jìn)空間。該低功耗水聲通信機(jī)發(fā)送每比特的功耗僅為1.4 μW。該系統(tǒng)基于聚偏氟乙烯超聲波發(fā)射器換能器相比于壓電陶瓷換能器而言,能夠發(fā)送高質(zhì)量信號(hào),但功能較弱。

Sheikh等[59]開發(fā)了如圖5 所示的開源低成本水下物聯(lián)網(wǎng)水聲通信機(jī)Coralcon,它可以通過 I2C、SPI、USB 和串行等接口與數(shù)據(jù)收集設(shè)備和傳感器連接。水聲通信機(jī)Coralcon 的成本約為140美元,而市面水聲通信機(jī)的價(jià)格往往高于1 000美元。紅海試驗(yàn)表明,Coralcon在紅海中最遠(yuǎn)可傳輸90 m的距離。

圖5 Coralcon發(fā)射器、接收器和設(shè)置[59]Fig.5 Coralcon transmitter, receiver and setup[59]

美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的Emokpae等提出了一種高速率的水聲通信系統(tǒng)[60],該系統(tǒng)是一個(gè)基于小尺寸且質(zhì)量和功率系統(tǒng)可重新配置的水聲通信機(jī)平臺(tái)(reconfigurable acoustic modem platform,RAMP),利用換能器的指向性來減少多徑效應(yīng)帶來的干擾,從而消除了對(duì)傳統(tǒng)均衡器的過分依賴。RAMP的尺寸為54.94 cm×25.12 cm,工作深度可達(dá)2 km,工作帶寬為100 Hz～2.5 MHz。在2次巴拿馬城的淺海試驗(yàn)中,驗(yàn)證了系統(tǒng)使用幅移鍵控(amplitude shift keying,ASK)和二進(jìn)制相移鍵控(binary phase shift keying,BPSK)編碼實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?通過改進(jìn)硬件并利用相移鍵控調(diào)制技術(shù)進(jìn)一步試驗(yàn),能夠在150 m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)10 kbit/s以上的高數(shù)據(jù)速率聲學(xué)傳輸,驗(yàn)證了在淺水試驗(yàn)中RAMP無需任何的信道均衡器的假設(shè)。

Emrecan Demirors針對(duì)現(xiàn)有水聲網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)大都基于不靈活的硬軟件架構(gòu)的現(xiàn)象,提出了一種新的高數(shù)據(jù)速率軟件定義的水聲網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)SEANet G2,該平臺(tái)能夠支持更高的數(shù)據(jù)速率(短程鏈路預(yù)計(jì)有兆比特/秒的數(shù)據(jù)速率)、頻譜敏捷性和硬件/軟件靈活性,以支持分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)操作[61]。

Oshiro等使用時(shí)分雙工(time fivision duplex,TDD)水下小區(qū)域聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與OFDM調(diào)制的原型無線水下機(jī)器人控制系統(tǒng),如圖6 所示[62]。該水下機(jī)器人可以通過雙向鏈路進(jìn)行控制,并可以在小型水下區(qū)域內(nèi)上傳照片圖像數(shù)據(jù)包。TDD通信系統(tǒng)由OFDM調(diào)制解調(diào)器、卷積編碼器、維特比解碼器和循環(huán)冗余編解碼器組成。水下機(jī)器人由樹莓派小型單片機(jī)進(jìn)行控制。在日本沖繩的外場試驗(yàn)中,該團(tuán)隊(duì)使用QPSK/16QAM調(diào)制,基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制,捕獲240×213像素的水下照片將其從機(jī)器人上傳到基站。

圖6 水下機(jī)器人通信控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[62]Fig.6 Structure of underwater robot communication control system[62]

Galioto提出了可移動(dòng)的新型水下水聲通信機(jī)架構(gòu)(flexible underwater modem,FLUMO),在外場試驗(yàn)中表現(xiàn)出比JANUS更好的性能[63]。在后續(xù)的工作中,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)軟件定義的水聲通信機(jī)。該通信機(jī)能夠動(dòng)態(tài)估計(jì)水聲信道條件,根據(jù)環(huán)境調(diào)整OFDM調(diào)制的參數(shù),或者在惡劣的傳播條件下切換到更強(qiáng)大的JANUS/FSK調(diào)制。對(duì)于信道時(shí)變、多徑時(shí)延和多普勒擴(kuò)展等因素,FLUMO的提出者Giovanni Ettore Galioto給出了有效的解決方案,并討論了OFDM可以工作的極限環(huán)境條件,在該條件下,Giovanni Ettore Galioto還校準(zhǔn)前綴長度和子載波數(shù)量,以限制多普勒效應(yīng)引起的碼間干擾和信號(hào)失真。試驗(yàn)表明,在大多數(shù)情況下,可通過調(diào)整前綴長度和子載波數(shù)量以實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制解調(diào),JANUS則可以用來應(yīng)對(duì)更惡劣的水聲信道環(huán)境[64]。

2011年美國的Desertstar 公司推出了一款如圖7所示的SAM-1 微型水聲通信機(jī),該產(chǎn)品采用中等速率通信,典型的通信距離為250 m,產(chǎn)品長度只有135 mm,直徑只有40 mm,最大工作深度為300 m,最低功耗為189 mW,通信速率可在5 ～ 150 bit/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)[65]。

圖7 SAM-1微型水聲通信機(jī)[65]Fig.7 SAM-1 miniature modem[65]

英國的Blueprint subsea公司生產(chǎn)的SeaTrac輕量級(jí)通信產(chǎn)品如圖8 所示,共包含3個(gè)型號(hào),SeaTrac X150、Sea-Trac X110、SeaTrac X010。SeaTrac X150長度為160 mm,機(jī)身54 mm,保持架59 mm。通信設(shè)備有主動(dòng)多普勒補(bǔ)償和通信定位一體化功能,空氣中質(zhì)量約為720 g,工作深度可達(dá)2 000 m,它使用24～32 kHz的擴(kuò)頻編碼進(jìn)行通信,通信最大距離可達(dá)1 km,符號(hào)速率為100 baud,且具備多層聲學(xué)協(xié)議棧。該產(chǎn)品待機(jī)功耗為0.6 W,工作時(shí)功耗約為6 W。該系列中的最小型號(hào)SeaTrac X010產(chǎn)品總長度只有74 mm,機(jī)身54 mm,在空氣中只有300 g,但其工作深度只有300 m,且不具有定位功能[66]。

圖8 SeaTrac輕量級(jí)系統(tǒng)[66]Fig.8 System of SeaTrac lightweight[66]

美國的LinkQuest Inc.在高速水聲通信機(jī)的開發(fā)中結(jié)合先進(jìn)的寬帶擴(kuò)頻技術(shù),顯著提高數(shù)據(jù)率和魯棒性[67]。該公司的產(chǎn)品面向全海域全場景,共推出了UWM1000、UWM2000、UWM4000、UWM10000等8款水聲通信機(jī)來應(yīng)對(duì)不同傳輸距離、不同速率的工作場景需求,部分產(chǎn)品如圖9所示。其中,UWM1000超低功耗產(chǎn)品典型工作距離為350 m,工作深度為200 m,數(shù)據(jù)率為9.6 kbit/s,睡眠模式時(shí)功耗為8 mW,接收模式下功耗0.75 W,寬帶窄帶傳輸模式下功耗1 W,全向傳輸模式下功耗為2 W?？諝庵匈|(zhì)量為4.2 kg[68]。該公司的UWM10000型號(hào)產(chǎn)品的通信速率可達(dá)5 kbit/s定向工作距離可達(dá)10 km,但其空氣中質(zhì)量21 kg,最大能耗40 W,通信機(jī)的總長度為580 mm[69]。

圖9 LinkQuest公司水聲通信機(jī)[67]Fig.9 Modems of LinkQuest[67]

德國Evologics 公司的Konstantin Kebkal 等研究了海豚通信的機(jī)制,為水聲數(shù)據(jù)傳輸?shù)膾哳l擴(kuò)展載波(sweep-spread-carrier,S2C)技術(shù)奠定了基礎(chǔ),并將S2C聲學(xué)鏈路應(yīng)用于印尼海嘯預(yù)警系統(tǒng)并成功測(cè)試。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了水聲通信機(jī)在成功對(duì)抗復(fù)雜的多徑干擾方面的重要特性[70],并用BELLHOP 模型仿真演示了一種靈活的水聲通信機(jī)性能預(yù)測(cè)的有效方法,當(dāng)不考慮短期波動(dòng)時(shí),模擬性能與測(cè)量的數(shù)據(jù)有較好的一致性[71]。Evologics公司的水聲通信機(jī)能提供全雙工的數(shù)字通信服務(wù),其系列產(chǎn)品可根據(jù)不同海洋環(huán)境,自適應(yīng)調(diào)整并在當(dāng)前環(huán)境下保持盡可能高的比特率,其系列產(chǎn)品的性能包絡(luò)如圖10所示。其中,高速中距離設(shè)備S2CM HS在300 m的信息傳輸時(shí)最高傳輸速率可達(dá)62.5 kbit/s;在深海遠(yuǎn)距離型號(hào)中,S2CR 7/17D型通信機(jī)可達(dá)近萬米的通信距離。設(shè)備具備不同的工作模式,如待機(jī)模式、監(jiān)聽模式、接收模式和傳輸模式,最低待機(jī)功耗只有2.5 mW,其輕量化產(chǎn)品的最小直徑為63 mm,通信機(jī)總長240 mm,空氣中質(zhì)量1 150 g[72]。Konstantin Kebkal等在Evologics 水聲通信機(jī)(S2CR系列)的基礎(chǔ)上提出有效載荷數(shù)據(jù)交換,以用作水聲網(wǎng)絡(luò)通信各個(gè)節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘同步的有效方式[73]。Evologics 公司還開發(fā)了程序框架,即EviNS-Evologics 智能網(wǎng)絡(luò)軟件,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的堆棧旨在解決水聲環(huán)境特定條件下的水聲數(shù)據(jù)傳輸問題[74],并提出了對(duì)移動(dòng)水下網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估策略,量化了在水下移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中使用多模態(tài)水下通信相對(duì)于全聲學(xué)方法所產(chǎn)生的聲音暴露水平和影響半徑[74]。

圖10 Evologics公司水聲通信機(jī)比較[72]Fig.10 Comparison of Evologics modems[72]

美國Teledyne Benthos公司推出的超緊湊型水聲通信機(jī)(ultra compact modem,UCM)如圖11所示。該款通信機(jī)的OEM版本僅為60×55 mm,質(zhì)量僅有55 g,休眠狀態(tài)下的最大功率僅為3.5 mW,非常適合具有嚴(yán)格尺寸和質(zhì)量限制的水下應(yīng)用,例如微型AUV和小型海底儀器儀表。

圖11 Teledyne Benthos 公司的超緊湊型水聲通信機(jī)[75]Fig.11 Teledyne Benthos′s Ultra-Compact underwater acoustic modem[75]

新加坡Subnero公司推出的第4代無線網(wǎng)絡(luò)通信 (wireless networkes communication,WNC)系列水聲通信機(jī)見圖12[76],其中的M25M系列水聲通信機(jī)在外場試驗(yàn)時(shí)最高通信速率可到達(dá)15 kbit/s,其最遠(yuǎn)傳輸距離大于4 km,該系列水聲通信機(jī)可組成分布式或類似蜂窩的集中式網(wǎng)絡(luò),這種網(wǎng)絡(luò)具有切換、中繼、路由和跟蹤功能,且每個(gè)通信機(jī)深度休眠時(shí)的功耗小于1 mW[77]。

圖12 Subnero 推出的第4代WNC系列水聲通信機(jī)[76]Fig.12 Subnero introduces 4th generation WNC series underwater acoustic modems[76]

挪威的kongsberg maritime公司推出cNODE MiniS水聲通信機(jī)見圖13,其具有4 000 m的最大額定工作深度,最大傳輸速率可達(dá)6 kbit/s,最大發(fā)射功率有100 W,休眠功率僅有不到100 mW[78]。

圖13 Kongsberg 推出的cNODE系列迷你水聲通信機(jī)[78]Fig.13 Kongsberg launches cNODE series of mini underwater acoustic modems[78]

英國的Sonardyne公司推出Modem 6水聲通信機(jī)如圖14所示,Modem 6水聲通信機(jī)用于與水下傳感器進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸,是一款經(jīng)濟(jì)高效的水下通信設(shè)備,Modem 6支持0.2～9 kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率,其中Modem 6 Mini Dunker是該公司最小的水聲通信機(jī),該型號(hào)水聲通信機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,易于安裝,適用于從各種傳感器傳輸和恢復(fù)數(shù)據(jù),包括:流速剖面儀、溫度深度傳感器和各種定制儀器,可在惡劣的海洋環(huán)境中持續(xù)工作[79]。

圖14 Sonardyne 推出的Modem 6水聲通信機(jī)[79]Fig.14 Modem 6 underwater acoustic modem by Sonardyne[79]

3.3 分析與探討

目前,從水聲通信設(shè)備的通信體制來看,美國的Teledyne Benthos、英國的Sonardyne、新加坡的Subnero等公司生產(chǎn)的主流水聲通信設(shè)備大多采用較為穩(wěn)健的MFSK和擴(kuò)頻的通信體制;德國的Evologics公司持續(xù)采用S2C的掃頻擴(kuò)展載波技術(shù),來解決信道多徑問題;近年來美國的Teledyne Benthos、Popoto、英國的Sonardyne等公司和國內(nèi)浙江大學(xué)的基于PSK的單載波水聲通信機(jī)也在海洋物聯(lián)網(wǎng)水下節(jié)點(diǎn)的市場占有一定的份額;同時(shí),新加坡的Subnero等公司和國內(nèi)的哈爾濱工程大學(xué)、廈門大學(xué)、中科院聲學(xué)所等研究的OFDM水聲通信設(shè)備通過更新迭代也逐漸成熟。以上4種通信體制信號(hào)的時(shí)頻圖見圖15。隨著水聲通信調(diào)制解調(diào)技術(shù)的不斷發(fā)展,未來的水下通信設(shè)備性能將有更大的提升空間。這將有助于海洋物聯(lián)網(wǎng)水下節(jié)點(diǎn)的廣泛部署,加快人類對(duì)海洋領(lǐng)域探索的步伐。

圖15 不同通信體制信號(hào)的時(shí)頻圖Fig.15 Time-frequency diagram of signals of different communication systems

一些商業(yè)化的水聲通信機(jī)發(fā)展進(jìn)程中,我們僅僅獲得了一些通信數(shù)據(jù)率和通信距離最大值參數(shù),商業(yè)公司僅提供水聲通信機(jī)的最大數(shù)據(jù)率與最遠(yuǎn)通信距離,忽略了水聲通信中數(shù)據(jù)傳輸速率、距離和頻率之間的緊密聯(lián)系,故無法直接從性能包絡(luò)的角度衡量海洋物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備的性能。在未來的海洋物聯(lián)網(wǎng)水下通信設(shè)備應(yīng)用中,我們更傾向于將速率和距離相關(guān)聯(lián),以比較最遠(yuǎn)通信距離下所支持的最大有效通信速率來衡量通信設(shè)備的性能。

一些水聲通信機(jī)的關(guān)注點(diǎn)在于通信效率而忽略了通信機(jī)的花費(fèi)、大小、布放方便性等其他方面。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)參與研制的多帶OFDM水聲通信機(jī)是一款遠(yuǎn)距離水聲通信機(jī),海試中曾實(shí)現(xiàn)52 km的最大通信距離,在成功檢測(cè)信號(hào)的情況下能實(shí)現(xiàn)4.2 bit/s的可靠的有效通信速率,該水聲通信機(jī)體型大、成本功耗高、且數(shù)據(jù)率低,不適合作為海洋物聯(lián)網(wǎng)的水下通信設(shè)備。而一些科研化的水聲通信機(jī)在小型化、低功耗的進(jìn)程中,也有許多缺陷需要我們注意。如葡萄牙的米納斯吉拉斯聯(lián)邦大學(xué)設(shè)計(jì)的水聲通信機(jī),著重考慮了小型化、低功耗、低成本、多功能的設(shè)計(jì)原則,其構(gòu)造精巧,設(shè)計(jì)精良,具有一定的優(yōu)越性;但該通信機(jī)需要固定在一個(gè)浮標(biāo)上,監(jiān)測(cè)深度范圍有限,浮標(biāo)受海浪波動(dòng)影響較大,不適用于定點(diǎn)觀測(cè)和穩(wěn)固的聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)建立。賓夕法尼亞大學(xué)設(shè)計(jì)的水聲通信機(jī),可長期在水下監(jiān)測(cè),并由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該通信機(jī)方案的可行性,還提供了裝載在通信機(jī)上的溫度傳感器和化學(xué)傳感器采集到的溫度信息和水體的pH信息;但是沒有提供回收方案,且水聲通信機(jī)的整體結(jié)構(gòu)并不能保證其穩(wěn)定地安放在工作環(huán)境中。如何平衡海洋物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備的體積、能耗、成本、功能性和通信指標(biāo)等因素,成為各機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)。

4 結(jié)束語

在近十年的發(fā)展中,人類對(duì)于海洋物聯(lián)網(wǎng)研究逐步深入。結(jié)合前述相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用需求、研究進(jìn)展和成果,海洋物聯(lián)網(wǎng)中的水下通信技術(shù)將向著多模式、高性能與互聯(lián)互通的方向發(fā)展。

水下通信技術(shù)多模式化:為更好地克服水聲信道衰減大、多徑時(shí)延長、多普勒強(qiáng)所帶來的影響,水下通信設(shè)備的通信技術(shù)將會(huì)由單模態(tài)轉(zhuǎn)換為多模態(tài)通信。如水下甚高頻、光通信、電磁通信將成為水聲通信的補(bǔ)充。

水下通信性能的提升:水下通信設(shè)備的性能包絡(luò)將會(huì)逐步提升,隨著信道估計(jì)均衡等算法的日趨成熟,OSDM、OTFS等技術(shù)的引入,更高通信速率和更遠(yuǎn)傳輸距離仍是科研人員持續(xù)探求的目標(biāo),但是如何針對(duì)不同海洋環(huán)境達(dá)到兩者的相互平衡、妥協(xié)仍需進(jìn)一步研究。

水下通信互聯(lián)的重要性:未來的研究重點(diǎn)會(huì)從海洋物聯(lián)網(wǎng)單一節(jié)點(diǎn)的物理層研究逐步擴(kuò)大到海洋物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、信息安全等領(lǐng)域,目前水下的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議種類多,缺乏統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí),水下物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全問題也將逐漸成為下一階段工作重點(diǎn)。