水聲通信網(wǎng)的研究進(jìn)展及其應(yīng)用

朱永建， 徐鵬飛

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，在海事信息應(yīng)用領(lǐng)域中，水聲網(wǎng)絡(luò)和水聲通信技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在水上，尤其是軍事中情報(bào)的收集與監(jiān)聽(tīng)，沿海的監(jiān)測(cè)，以及水下偵察與多點(diǎn)探測(cè)、集群管理的調(diào)度和指揮等方面，水聲網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)不斷顯示出其重要性。目前，不斷擴(kuò)大的海洋監(jiān)測(cè)范圍和多樣化發(fā)展的水下武器系統(tǒng)迫切需要能傳得更快、更遠(yuǎn)的水聲通信，用以準(zhǔn)確有效地抵抗外部干擾[1-2]。各國(guó)軍方打算，通過(guò)在水下建網(wǎng)，將潛艇與浮標(biāo)、戰(zhàn)機(jī)、艦艇、傳感器、無(wú)人潛航器、等各種作戰(zhàn)平臺(tái)構(gòu)成一體化網(wǎng)絡(luò)。隨著“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”概念的提出及發(fā)展，一種必然的發(fā)展方向就是深入到水下：一方面，海面以下的戰(zhàn)場(chǎng)是現(xiàn)代化立體戰(zhàn)爭(zhēng)中的重點(diǎn)；另一方面，水下網(wǎng)絡(luò)特通信技術(shù)的發(fā)展為其實(shí)現(xiàn)提供了有力條件?？梢钥隙?，其將使水下立體作戰(zhàn)產(chǎn)生天翻地覆的變化，也對(duì)各國(guó)海軍的作戰(zhàn)思想和裝備建設(shè)產(chǎn)生重大的影響[3]。

1 水聲通信技術(shù)

水下無(wú)線通信是水下網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，它主要包括3類，分別是：根據(jù)它們不同的特性及應(yīng)用場(chǎng)合，可分為水下電磁波通信、水下光通信和水聲通信。水性地磁波通信雖受水文條件影響甚微，通信穩(wěn)定，但傳播衰減大；水下光通信的激光信號(hào)需要直線對(duì)準(zhǔn)傳輸，且容易被水吸收，再加上水中的浮游生物和懸浮粒子將使其發(fā)生散射，同時(shí)水中的自然光還會(huì)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行干擾[4-5]。這兩種通信方式均只適應(yīng)短距離。

相較之下，在水中聲波的衰減小得多是中長(zhǎng)距離水下通信的最有效的手段。同時(shí)，水聲通信信道是難度大的一種無(wú)線通信信道，具有以下顯著的特點(diǎn)[1,6-7]：

（1）屬于窄帶通信，信號(hào)衰減嚴(yán)重

在海水中，聲波傳播的能量損失主要包括擴(kuò)散、吸收損失。擴(kuò)散損失近似與傳輸距離的平方成正比，主要由于波陣面的擴(kuò)散引起聲能的損失，在深海中，擴(kuò)散損失表現(xiàn)為球狀，而在淺海中，其表現(xiàn)為水平方向的柱狀擴(kuò)散。吸收損失與聲波的頻率成正比,頻率越大,吸收損失越大。相對(duì)于無(wú)線信道，水下通信帶寬要窄得多，傳輸距離在 1～10 km，帶寬小于10 kHz；100～1 000 m，帶寬約20～50 kHz。

（2）起伏效應(yīng)嚴(yán)重

聲波在海水中傳播大約每1 000 m時(shí)延0.67 s,通信時(shí)延大。當(dāng)海水是傳輸介質(zhì)時(shí)，空間分布會(huì)變得不均勻，并產(chǎn)生隨機(jī)的變化，所以水聲信號(hào)也變得隨機(jī)起伏，其傳播速度隨海水的壓力(深度)、溫度、鹽度的變化而變化。由于信道的變化，脈沖響應(yīng)會(huì)時(shí)變，這在很大程度上影響了通信系統(tǒng)的性能參數(shù)。

（3）多徑效應(yīng)嚴(yán)重

海面和海底的反射以及海水分層介質(zhì)的折射都會(huì)對(duì)聲波的傳播進(jìn)行干擾和影響，故在發(fā)收端之間形成多條不同路徑的信道先后到達(dá)接收機(jī)[8]。多徑傳輸?shù)拇嬖?，且信道?dòng)態(tài)變化，使得在接收端信號(hào)幅度衰落、碼間干擾[9]等，是造成水聲信道數(shù)據(jù)傳輸速率低的主要原因。

（4）環(huán)境噪聲大，誤碼率高

海洋中存在潮汐、湍流、海面波浪、風(fēng)成噪聲、行船及工業(yè)噪聲等。由于海平面的波動(dòng)、內(nèi)波、海水背景噪音、信道多徑傳播等影響，使水聲信道信號(hào)出現(xiàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，數(shù)據(jù)傳送誤碼率高。

2 水聲通信網(wǎng)的組成及其特點(diǎn)

20世紀(jì)90年代，美國(guó)率先提出“水聲通信網(wǎng)”的概念。水聲通信網(wǎng)主要由以下部分組成：浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)，在海底、海中的傳感器節(jié)點(diǎn)(包括固定的節(jié)點(diǎn)和承載它的移動(dòng)平臺(tái))，以及存在于它們之間的雙向連接鏈路。網(wǎng)絡(luò)以分布式、多個(gè)節(jié)點(diǎn)的方式對(duì)水下的目標(biāo)位置進(jìn)行大面積覆蓋，可以進(jìn)行信息采集、分類、處理和壓縮，并通過(guò)水下通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)以中繼方式回傳到陸地或船上的信息控制中心的綜合系統(tǒng)[10]。其典型的組成示意如圖1所示。

水聲網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫撬暰W(wǎng)絡(luò)的重要研究?jī)?nèi)容,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了網(wǎng)絡(luò)的路由方式、能量損耗、網(wǎng)絡(luò)容量和可靠性。水聲網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，有多種分法[10-11]。從管理和訪問(wèn)控制功能角度，可將水聲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為集中式、分布式和多跳式。

圖1 典型的水聲網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成

水聲通信網(wǎng)絡(luò)是水聲通信與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，與陸地或空中的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)相比，水聲通信網(wǎng)絡(luò)具有如下的特點(diǎn)：信道高度動(dòng)態(tài)，網(wǎng)絡(luò)相對(duì)脆弱，通信能力不足；依靠電池供電，持續(xù)工作時(shí)間有限。水聲網(wǎng)絡(luò)的以上特點(diǎn)，決定了目前水聲網(wǎng)絡(luò)無(wú)法規(guī)模化應(yīng)用及長(zhǎng)時(shí)間在水下工作。

3 研究進(jìn)展

水聲通信方面的研究主要包括水聲傳感與調(diào)制、水聲信號(hào)處理方面的研究。在水聲調(diào)制解調(diào)器方面，較典型的有英國(guó)Tritech公司的Micron Data Modem系列產(chǎn)品和澳大利亞DSPComm公司最新的AquaNetwork，其設(shè)備已初步具有組網(wǎng)功能，其微型調(diào)制解調(diào)器通信距離可達(dá)1 000 m,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)40 b/s。同時(shí)，為擴(kuò)大海域監(jiān)測(cè)范圍，研究出水下傳感器移動(dòng)的方法，可以用水下滑翔機(jī)或自主式水下航行器(AUV)等水下可移動(dòng)的設(shè)備作為載體，將水下節(jié)點(diǎn)安裝于這些設(shè)備上，使之成為水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。Hydroid 公司研制生產(chǎn)的REMUS系列AUV，巡航速度為1.5～2.9 m/s，續(xù)航能力較好，能持續(xù)幾十小時(shí)。

從上個(gè)世紀(jì)九十年代以來(lái)，水聲通信技術(shù)的研究重心已由較低速的非相干FSK調(diào)制技術(shù)轉(zhuǎn)變到高速相干通信技術(shù)。與非相干方式相比，相干水聲通信的數(shù)據(jù)傳輸速率高得多，但收、發(fā)端的系統(tǒng)高復(fù)雜性嚴(yán)重制約了其實(shí)際使用。相干接收機(jī)研究的重點(diǎn)在于減小接收機(jī)算法的計(jì)算復(fù)雜度或提高均衡器的跟蹤能力,最近水聲通信新技術(shù)的研究，主要包括水下多載波調(diào)制技術(shù)、碼分多址(CDMA)擴(kuò)譜技術(shù)、空間分集技術(shù)、水下通信網(wǎng)絡(luò)等，有望促進(jìn)相干水聲通信技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展。

國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的研究已取得一定成果。廈門大學(xué)研制的語(yǔ)音通信機(jī)在廈門極淺海域進(jìn)行了多次試驗(yàn)[2]，其穩(wěn)定通信距離在10 000 m左右,擴(kuò)展通信距離可達(dá)到12 000 m；在水聲圖像傳輸方面也取得較好進(jìn)展，在廈門港海試結(jié)果為：水平傳輸距離820 m時(shí)，傳輸速率1.5 kbit/s，不同海況下數(shù)據(jù)誤碼率均小于10-4。

水聲通信網(wǎng)絡(luò)是涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，關(guān)鍵技術(shù)[7,10]主要有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全、時(shí)間同步、定位技術(shù)等。中國(guó)在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究起步較晚,研究的成果為：廈門大學(xué)參考國(guó)內(nèi)外的水聲通信網(wǎng)絡(luò)模型，自主提出的一種水聲網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[12]；中科院自動(dòng)化所研究的基于機(jī)器魚的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)方案；中科院聲學(xué)所、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所和西安光學(xué)精密機(jī)械所共同研制成功的水下反恐傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)；中國(guó)海洋大學(xué)在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)和海洋立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域展開(kāi)了研究，研制了水面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)并在海上進(jìn)行了部署。

4 應(yīng)用

各國(guó)海軍均致力發(fā)展真正的水下作戰(zhàn)平臺(tái)之間的高效通信，以充分發(fā)揮其作戰(zhàn)效能。水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型組成為：在海底或海中的固定傳感器節(jié)點(diǎn)、潛艇和水下潛航器，海面上的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及陸上的中繼站。二十世紀(jì)九十年代初，美國(guó)就已經(jīng)著手研究淺海和深海局域網(wǎng)，現(xiàn)階段美國(guó)正在進(jìn)行多個(gè)水下網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，如海網(wǎng)(Seaweb)、海鷹(Seaeagle)以及近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)(PLUSNet)。

“海網(wǎng)”(Seaweb)是由美國(guó)研究局和空海戰(zhàn)系統(tǒng)中心主持的歷經(jīng)十多年的重要研究項(xiàng)目，它通過(guò)水聲通信鏈路，網(wǎng)絡(luò)由固定節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接組成，是現(xiàn)在相對(duì)成功的水聲概念網(wǎng)絡(luò)。自1998年起，美國(guó)海軍平均每?jī)赡赀M(jìn)行一次海底水聲網(wǎng)絡(luò)通信試驗(yàn)。在1998年試驗(yàn)中，Sesweb采用FDMA方式、樹(shù)狀形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)在源節(jié)點(diǎn)發(fā)送，經(jīng)過(guò)4次水聲中繼和一次無(wú)線通信中繼后，傳送到岸站，這次試驗(yàn)表明：由分布式節(jié)點(diǎn)群組建的大范圍廣域水聲網(wǎng)絡(luò)是可行的。在2000年試驗(yàn)中采用了混合式 CDMA/TDMA的復(fù)用方式，增加了協(xié)議的控制功能，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)已達(dá)17個(gè)，節(jié)點(diǎn)的空間距離為1～5 km，通過(guò)浮標(biāo)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為中繼，潛艇在水深約122 m處，向岸上發(fā)送了包含圖像、文字等信息在內(nèi)的數(shù)據(jù)報(bào)文。在2004年的試驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)增加到40個(gè)，試驗(yàn)進(jìn)行了分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)路由協(xié)議的驗(yàn)證。至今，Sesweb已具備了很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)自組能力，如節(jié)點(diǎn)位置定位(100 m量級(jí))、自動(dòng)節(jié)點(diǎn)識(shí)別、時(shí)鐘同步(0.1～1.0秒量級(jí))、自適應(yīng)發(fā)射功率控制、節(jié)點(diǎn)更新和失效后的網(wǎng)絡(luò)組等功能。

“海鷹”(Seaeagle) 于2004年由美國(guó)海軍進(jìn)行試驗(yàn)，是由海洋傳感器、無(wú)人潛航器以及多媒體網(wǎng)關(guān)浮標(biāo)組成，形成了能夠穿越水面的網(wǎng)絡(luò)。分布式傳感器上裝有遠(yuǎn)程聲吶調(diào)制解調(diào)器，可以與錨定浮標(biāo)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。錨定浮標(biāo)一般帶有水聲收發(fā)信機(jī)與調(diào)制解調(diào)器，將其作為網(wǎng)關(guān)浮標(biāo)。同時(shí)，它與海洋傳感器及水面無(wú)線電進(jìn)行連通，使得水下數(shù)據(jù)可以穿過(guò)水面，從而實(shí)現(xiàn)水面與水下立體網(wǎng)絡(luò)通信。

5 結(jié)語(yǔ)

水聲通信網(wǎng)絡(luò)能夠提供隱蔽、持續(xù)以及高速的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)通信手段[13-16]，對(duì)潛艇的水下隱蔽通信方式和水下作戰(zhàn)方式大有助益，將產(chǎn)生重大變革。現(xiàn)階段，美國(guó)己初步建設(shè)了水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)中國(guó)水聲通信網(wǎng)絡(luò)的研究提出了迫切的需求。中國(guó)水聲通信網(wǎng)絡(luò)的研究近幾年得到了一定的進(jìn)展,但仍面臨著許多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。應(yīng)加快中國(guó)水下通信網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)。

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