水聲通信網(wǎng)絡信道建模與仿真研究進展

張育芝, 張效民, 王安義, 孫彥景, 王 斌, 劉 洋

(1.西安科技大學通信與信息工程學院, 西安 710054； 2.西北工業(yè)大學航海工程學院, 西安 710072;3.中國礦業(yè)大學信息與控制工程學院, 徐州 221116)

隨著信息化、數(shù)字化、智能化的時代發(fā)展,人類對信息和資源的需求也從陸地向海洋擴展,經(jīng)略海洋成為各國的戰(zhàn)略目標。水聲通信網(wǎng)絡在國防安全、資源開發(fā)、環(huán)境保護等領(lǐng)域有巨大的發(fā)展?jié)摿Α＠?蛟龍?zhí)栞d人潛水器最深下潛深度7 000 m,與母船之間的通信依賴于水聲技術(shù)；在海洋981石油鉆井平臺,中國自主研發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)[1-2]可將水下設備信息和海洋環(huán)境信息通過水聲鏈路實時傳輸?shù)姐@井平臺；越來越多的水聲通信與網(wǎng)絡成功應用,必將為海洋信息化提供有力的技術(shù)支撐[3]。

水聲通信網(wǎng)絡以聲波為載體。海洋中的有線通信以水密電纜或光纜為載體,造價昂貴、維護困難、無法移動,適合在局部范圍布放。大范圍的海洋信息傳輸需要通過無線的方式,電磁波和光波在海水介質(zhì)中衰減嚴重,聲波是目前唯一適合于在海洋中進行中遠程距離信息傳輸?shù)妮d體[4-5]。

陸上無線信道及其通信網(wǎng)絡的研究日益成熟,而水聲領(lǐng)域還面臨很大挑戰(zhàn)。水下實驗布放不便、耗費巨大,因此,基于合理的水聲信道模型和網(wǎng)絡模型對相關(guān)算法和協(xié)議進行仿真與完善,使得理論設計能在實際實驗中有效工作,是水聲通信網(wǎng)絡理論研究和系統(tǒng)實驗的基礎。由于水聲信道的復雜性和隨機性,很難總結(jié)出信道響應所具有的統(tǒng)計特性；相對于無線電磁波的信道模型而言,水聲信道尚未有公認、標準的水下信道模型。

針對水聲通信網(wǎng)絡的應用,首先系統(tǒng)研究水聲傳播特性,并探討水聲傳播特性對于通信和組網(wǎng)的影響及設計思路,然后從信道建模和網(wǎng)絡仿真兩個方面綜述最新研究進展,最后展望水聲通信網(wǎng)絡信道建模和仿真研究的未來發(fā)展方向。

1 水聲信道傳播特性

水聲信道特性與無線電信道迥異,在通信領(lǐng)域,水聲信道是非常具有挑戰(zhàn)的通信介質(zhì)信道。相對于陸上無線電信道,水聲信道具有一系列特殊性:聲波低速傳播造成傳播時延長,并使得多徑時延和多普勒效應高于無線電通信幾個數(shù)量級；水聲信道傳播損失與頻率和距離的關(guān)聯(lián)性、海洋環(huán)境噪聲與頻率的關(guān)聯(lián)性共同造成水聲信道載波頻率低、可用帶寬窄、分數(shù)帶寬大；同時,海洋環(huán)境的時-空-頻變特性使得水聲信道變化非常復雜[4-5]。水聲通信與無線電4G(Generation)通信的信道特性對比如表1所示。

表1 水聲和無線電通信信道特性對比Table 1 Characteristics comparison of underwater acoustic channel and radio channel

1.1 低聲速與多徑多普勒效應

海洋中的聲速傳播速度低是多徑多普勒效應數(shù)量級較為顯著的根本原因,并且聲速的非均勻分布還造成聲線的彎曲和能量的損失。

1.1.1 非均勻低聲速

海洋中的聲速具有一定的垂直分布特性,影響因素中,溫度的變化對聲速影響最大,海洋聲速隨溫度的增加而增加,而溫度分布極不穩(wěn)定；深度影響壓力,增加時聲速增加；鹽度增加時聲速增加,通常除特殊海區(qū)外鹽度變化不大。在臨近海面的淺水層,溫度與深度成反比,壓力與深度成正比,這兩個相反的變化趨勢使得水面以下幾百米的深度聲速變化迥異。在深海中,海水溫度基本恒定,則聲速主要受壓力影響,與海水深度成正比增加。

聲速呈垂直非均勻分布,與溫度(T)、鹽度(S)、深度(H)成正比。理論推算不可行,可通過經(jīng)驗公式計算,如式(1)所示。典型的深海聲速分布如圖1所示。

c=1 449.2+4.6T-0.055T2+0.000 29T3+

(1.34-0.01T)(S-35)+0.016H

(1)

圖1 深海聲速分布Fig.1 Acoustic speed distribution in deep sea

在對聲速不敏感的系統(tǒng)中,可取近似值1 500 m/s；在一些需要準確聲速的系統(tǒng)中,如需要通過聲速和傳播時間來精確定位時[6-8],必須測定聲速分布以準確地估計位置。

1.1.2 多徑效應

海洋中的多徑效應主要由海底和海面反射、分層介質(zhì)折射、海水內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素引起。

淺海信道聲速變化不大,在仿真中常常假設為均勻聲速信道,幾乎任何兩點之間都存在直達聲、海面和海底界面反射聲:在近距離,往往有比較明顯的直達徑,加之界面反射損失較小,多徑現(xiàn)象非常顯著,如圖2(a)所示；在遠距離,多次反射使聲能損失較大,直達聲已經(jīng)十分微弱,所以到達的聲波多為小掠射角的多徑。

在深海區(qū)域,聲速隨不同深度而變化,且聲線向聲速小的方向彎曲。深海聲速剖面在一定深度存在最小值,稱為聲道軸；當聲源位于聲道軸附近,在聲道軸上下傳播的聲線都會彎曲并圍繞聲道軸傳播,如圖2(b)所示,聲線能量保持在聲道中,聲信號可以沿著聲道軸傳得很遠,利用這一特性可進行超遠程水聲通信。

圖2 淺海和深海多徑效應Fig.2 Multi-path effect in shallow and deep sea

圖3(a)采用射線模型BELLHOP仿真軟件對淺海均勻聲速條件下的聲線傳播進行了仿真,可見明顯的海面和海底反射。

淺海常見的聲速變化信道有兩種情況:一是在負梯度淺海,近距離上主要包括直達和反射多徑。二是在正梯度淺海,存在表面聲信道,多徑主要由經(jīng)過海面多次反射的聲線組成。

圖3(b)采用射線模型BELLHOP仿真軟件對深海非均勻聲速條件下的聲線傳播進行仿真,不同顏色曲線用于不同聲線的區(qū)分?？梢?聲線圍繞深度大約1 250 m(聲速最小值深度)的聲道軸傳播。

深海中還存在匯聚區(qū)與聲影區(qū)。從圖3(b)可見,聲線密集處為匯聚區(qū),聲線稀疏甚至完全沒有聲線到達的區(qū)域為聲影區(qū)。在通信節(jié)點布放時應避免聲影區(qū)。

圖3 淺海和深海聲線傳播Fig.3 Propagation of sound ray in shallow and deep sea

與無線電通信不同的是,水聲通信系統(tǒng)有時并沒有視距(line of sight, LOS)的直達路徑存在,如淺海表面聲道和深海聲道軸傳播。同時,由于聲速非均勻,傳播路徑短的信號不一定速度快,因而不一定是第一條接收路徑的強度最大。因此,區(qū)別于LOS或直達路徑的概念,在水聲通信中主達路徑為接收多徑中強度最大的一條路徑。

海洋水聲信道的多徑效應,本質(zhì)上是多條本征聲線的集合,本征聲線的特征參數(shù)決定了多徑信道的系統(tǒng)函數(shù)。低聲速和海洋邊界的共同作用使得水聲信道多徑時延非常大,通常在毫秒級,具有稀疏性[9-12]的特點,還往往呈現(xiàn)出多徑簇[13]聚集的特性。

1.1.3 多普勒效應顯著

聲波在海水中的低速傳播使得水聲信道的多普勒效應非常顯著。多普勒頻移(fd)與多普勒因子a=v/c和載波頻率fc成正比,其中,v為收發(fā)端的相對速度,fd表達式為

(2)

例如,一般商船速度以10 m/s(36 km/h)移動時的多普勒因子為6.7×10-3,比無線電通信中汽車以20 m/s(72 km/h)移動時的多普勒因子6.7×10-8高5個數(shù)量級。同時,即使水下設備本身不運動,海水介質(zhì)的運動會引起設備位移,水聲通信的多普勒頻移總是不可避免的。

水下航行器移動引起的多普勒頻移可以直接計算；海面波浪和海水湍流引起的多普勒頻移,可看成不斷向前推進的正弦曲線進行計算；實際中,海水運動引起的多普勒頻移基本與海況等級成正比例關(guān)系,還與接收機入射角度有關(guān)。

多普勒因子與波速密切相關(guān)。水中的非均勻聲速,使得聲傳播路徑的多普勒因子不盡相同,給接收端信號恢復帶來很大挑戰(zhàn)。水聲通信的非均勻多普勒估計和補償[14-17]在通信物理層得到了重點關(guān)注和研究。多普勒估計值還可以輔助水聲時間同步與定位[18]。

1.2 傳播損失、噪聲與帶寬受限

1.2.1 頻率依賴的傳播損失

水聲傳播的一個顯著特點是能量衰減不僅取決于傳播距離,而且依賴于載波頻率。海水中的傳播損失主要包括擴展損失和吸收損失,此外還有邊界損失。擴展損失是由于聲波陣面在傳播過程中不斷擴展而引起的聲強衰減(幾何衰減)。吸收損失是由于介質(zhì)黏滯、熱傳導以及其他弛豫過程引起的聲強衰減,同時也包括海洋介質(zhì)中的懸浮物引起的散射。

不同傳播距離和載波頻率條件下的傳播損失顯示:擴展損失只與距離有關(guān)；而吸收損失不但與距離有關(guān),而且與頻率有關(guān)(吸收系數(shù)與頻率成正比),傳播損失的計算公式為

TL=10lg[A(d,f)]=10lg{dk[α(f)]d}=

k10lgd+d10[lgα(f)]

(3)

式(3)中：TL為傳播損失；k10lgd為擴展損失,其中,d為距離,(單位:m),球面擴展k=2,柱面擴展k=1,未知可取k=1.5；d10[lgα(f)]為吸收損失,吸收系數(shù)(α)用Thorp公式計算,工程可用近似計算公式α(f)=0.036f3/2, dB/km,其中f的單位為kHz,d的單位為km。

在一定通信距離下,總的傳播損失隨著頻率增加而迅速增大,如圖4所示。特別是在較大通信距離時,傳播損失隨頻率增大而顯著增加,因而極大地限制了遠程水聲通信可用的載波頻率。這種關(guān)系在系統(tǒng)設計中影響水聲通信系統(tǒng)工作距離與載波頻率的選擇[5]。

1.2.2 頻率依賴的海洋噪聲

水下環(huán)境噪聲是水聲通信主要的背景干擾,其成因復雜、種類多變,與海域位置、氣象條件及載波頻率等都有關(guān)系,可以分為海洋環(huán)境噪聲和外部干擾。

圖4 傳播損失Fig.4 Transmission loss

海洋環(huán)境噪聲常出現(xiàn)在安靜的深海背景中,主要由湍流、航運、波浪、和熱噪聲組成,這些噪聲通常被認為是有色高斯噪聲,可通過圖5所示的Wenz噪聲譜經(jīng)驗曲線計算,圖中NL為背景噪聲級Wenz噪聲經(jīng)驗譜曲線包括湍流噪聲(Nt)、航運噪聲(Ns)、波浪噪聲(Nw)、熱噪聲(Nth)之和,以dB為單位可表示為式(4),其中頻率f單位為kHz,s為航運密度(取值0～1),w為海面風速,總噪聲譜密度為各項之和。

(4)

圖5 Wenz海洋噪聲譜Fig.5 Wenz noise spectrum

外部干擾是一種可識別的噪聲,只存在某些特定的環(huán)境中,如冰川破裂、海底地震運動、魚蝦群活動、通信設備的機械噪聲等,一般有很明顯的非高斯成分。

噪聲譜級具有高度頻率依賴性,噪聲功率譜密度隨頻率的增加而下降,影響著通信系統(tǒng)功率、頻率等發(fā)送參數(shù)的設計。選擇合適的通信頻率和帶寬時不僅要考慮頻率依賴的路徑損失,還需考慮頻率依賴的噪聲。

1.2.3 最優(yōu)工作頻率與帶寬受限

水聲通信中,傳播損失A隨著工作頻率的提高而增大,噪聲N卻隨著工作頻率的提高下降,使得接收信噪比(signal to noise ratio, SNR)在一定帶寬內(nèi)是有極值的。在水聲通信網(wǎng)絡中,若要在一定的距離上進行通信,信號發(fā)送功率S一定時,則窄帶SNR是工作頻率的函數(shù),可表示為

(5)

可見,對于一定距離的通信,在某一頻率上存在接收信噪比極大值,此時fopt為最優(yōu)工作頻率[19]。最優(yōu)載頻近似經(jīng)驗計算公式為

(6)

根據(jù)圖6分析3 dB系統(tǒng)帶寬,可得超遠程水聲通信(100～1 000 km)可用帶寬小于1 kHz；遠程水聲通信(10～100 km) 可用帶寬只有幾kHz；中程水聲通信(1～10 km) 可用帶寬約十幾kHz；近程水聲通信(0.1～1 km) 可用帶寬約幾十kHz；超近程水聲通信(小于0.1 km) 可用帶寬大于100 kHz。

圖6 水聲通信最優(yōu)載頻Fig.6 Optimal carrier frequency for underwater acoustic communication

1.3 時-空-頻變特性

水聲信道是時-空-頻變的,其變化特征與海洋介質(zhì)的各種不同時間、空間尺度的運動狀態(tài)有關(guān),且與頻率密切相關(guān)。

1.3.1 時變性

從時間尺度上而言,水聲信道變化包括:季節(jié)尺度變化的聲速剖面、混合層厚度等；數(shù)天至數(shù)月的天氣尺度變化的渦、峰；數(shù)分鐘至數(shù)小時變化的內(nèi)波；數(shù)秒變化的風浪；數(shù)毫秒至數(shù)秒變化的湍流等。此外,除了水聲介質(zhì)變化,通信節(jié)點的相對運動往往也是隨著時間變化。圖7采用BELLHOP水聲信道仿真軟件,對淺海環(huán)境水深100 m、風力2級、收發(fā)節(jié)點位置固定(水下20 m,會隨海水漂移)、中心載頻15 kHz、通信距離1 500 m的信道沖激響應進行仿真,可見,多徑時延和幅度有一定變化。圖8為文獻[13]中對美國麻省理工學院的海洋實測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,可見信道沖激響應比仿真的時變特性更為劇烈。

圖7 時變多徑水聲信道仿真Fig.7 Simulation of time-varying multi-path UWA channel

圖8 時變多徑水聲信道實測結(jié)果Fig.8 Experimental results of time-varying multi-path UWA channel

1.3.2 空變性

包括因地而變的水深、聲速分布、不平整的海底特性與地形；空間隨機分散的非均勻體:浮游生物、氣泡等。因此,聲學聲場結(jié)構(gòu)等因地而變,多徑結(jié)構(gòu)的空間變化隨著布放位置的不同而各異,深海通信中還存在聲影區(qū)等特殊位置。

1.3.3 頻變性

水聲信道的一些特性依賴于頻率,對于不同的頻率,聲傳播有著不同的衰減、噪聲等,產(chǎn)生嚴重的此起彼伏的譜特性。

同時,水聲信道表現(xiàn)出極強的復雜性和隨機性,其時-空-頻變化是交叉存在的,在系統(tǒng)設計中考慮水聲通信網(wǎng)絡的穩(wěn)健性非常必要。

2 水聲信道特性對通信網(wǎng)絡的影響

2.1 傳播時延

低聲速導致水聲信號傳播有很大的時間延遲,影響水聲通信網(wǎng)絡吞吐量[20],并帶來特殊影響。

2.1.1 自適應水聲通信

在自適應水聲通信中,需要獲取信道狀態(tài)信息進行發(fā)送參數(shù)優(yōu)化。由于水聲信道的收發(fā)非對稱性,發(fā)送端需要通過接收端的反饋獲得信道狀態(tài)信息。通過水聲鏈路進行信息反饋,傳播時延非常大,在此時間內(nèi)信道狀態(tài)很可能發(fā)生變化,造成反饋信道狀態(tài)信息與實際發(fā)送時刻信道狀態(tài)信息的失配。

基于信道大尺度衰減或慢變的自適應系統(tǒng)中,可采用信道反饋或統(tǒng)計均值等作為信道狀態(tài)依據(jù)?；谛诺佬〕叨人ヂ涞目熳冏赃m應系統(tǒng)中,需獲取準確的信道狀態(tài)信息。Radosevic等[21]和Zhang等[22]分別研究了自適應OFDM調(diào)制和多用戶OFDM載波分配和調(diào)制,顯示出自適應通信的優(yōu)越性；王安義等[23]、Qiao等[24]也對自適應通信進行了仿真和實驗研究。近年來,美國一些學者利用機器學習的思想對信道狀態(tài)進行學習和預測以作自適應傳輸[25-26],是對海洋通信智能化發(fā)展的探索性研究。

2.1.2 水聲網(wǎng)絡同步和定位

水聲網(wǎng)絡同步中,水聲傳播時延長、同一鏈路往返傳播時延不同、不同鏈路往返時延差等因素嚴重影響同步性能,無線電網(wǎng)絡的時間同步算法不適合水聲網(wǎng)絡。已有研究成果著重考慮了傳播時延長的問題,同時估計頻率偏移和相位偏差以提高同步精度[27]；然而,在同步過程中依賴大量收發(fā)交互會造成信道帶寬和節(jié)點能量的消耗；同時,時變的往返時延差和空變的鏈路時延差仍沒有解決。

水聲網(wǎng)絡定位中,聲速的非均勻傳播,加劇了精確距離測量的難度?；跍y距的定位方法,如TOA(time of arrival),需要通過預先測量聲速剖面來補償聲線彎曲。此外,信標輔助定位方法、動態(tài)參考節(jié)點輔助定位方法[28]具有很大發(fā)展?jié)摿?。對目標的移動性進行運動預測[29],進行聯(lián)合同步和定位[30-32]等方法可以提高定位精度。

2.1.3 水聲網(wǎng)絡多址接入?yún)f(xié)議

水下長傳播時延加劇了網(wǎng)絡接入延遲和多址接入沖突。如在載波偵聽多址接入?yún)f(xié)議中,當偵聽到鏈路空閑時進行接入；但在水聲網(wǎng)絡中,在某時刻沒有偵聽到信息,并不能保證鏈路在數(shù)據(jù)接入時刻是空閑的(可能有數(shù)據(jù)正在傳輸中但由于傳輸時延尚未到達偵聽節(jié)點),時延引起了額外的隱藏終端問題。Zhou等[33]提出了水聲多信道三重隱藏終端問題,并利用協(xié)作節(jié)點降低接入沖突。

長延遲在特殊場景下也能提升系統(tǒng)性能。例如,ALOHA協(xié)議中,兩個節(jié)點同時向一個目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)會發(fā)生沖突；而在水聲網(wǎng)絡傳播時延大,當兩個通信鏈路上的傳播時延差大于數(shù)據(jù)包長度時,則無沖突發(fā)生。有些研究者基于長時延規(guī)律通過在指定時間發(fā)送數(shù)據(jù)以達到在接收端無沖突接收的效果,提高了單位時間的網(wǎng)絡吞吐量[34]。水聲網(wǎng)絡協(xié)議中的延遲感知協(xié)議[35-37]和延遲容忍協(xié)議[38-39]利用長時延特性提高了網(wǎng)絡性能。

2.2 多徑

水聲信道多徑時延差大,使得信號接收不僅取決于SNR也和多徑密切相關(guān)。多徑引起的碼間串擾造成高通信誤碼率,在多徑嚴重的條件下持續(xù)提高發(fā)送功率也無法再提高系統(tǒng)性能。通過信道估計和均衡可以對多徑信道進行補償降低誤碼；同時,SNR作為信道衡量指標并不完全準確，Wan等[40]提出ESNR(effective SNR)作為自適應調(diào)制編碼通信的工作模式切換依據(jù)。

無論時延擴展和多普勒擴展多大,水聲信道的多徑都趨于稀疏,且能量集中在本征路徑上,如圖7、圖8所示。多徑稀疏性是通信系統(tǒng)設計中常常關(guān)注的一個關(guān)鍵特性,針對性的水聲稀疏信道估計及其水聲通信[9-11]與信號檢測[12]可以有針對性地提高水聲系統(tǒng)性能。

傳統(tǒng)通信中的均衡是補償和克服多徑干擾的影響,而時間反轉(zhuǎn)技術(shù)可以利用多徑信號進行聚焦,提高信號檢測和通信性能。同時,在水聲網(wǎng)絡中,由于空變特性,不同空間上多節(jié)點往往具有差異性的多徑結(jié)構(gòu),接收端利用不同多徑對信號進行時間反轉(zhuǎn)聚焦,可區(qū)分多路信號,從而實現(xiàn)多址接入[41]。

2.3 帶寬和能量受限

水聲通信網(wǎng)絡可用帶寬嚴重受限,傳輸距離越遠則可用帶寬越窄。對于遠程水聲通信,為了減少傳播損失和噪聲,工作頻率一般向低頻拓展。對于多節(jié)點通信網(wǎng)絡,可以采用多跳方式把遠程傳輸轉(zhuǎn)為多個近程傳輸,提高單跳的傳輸速率；認知水聲網(wǎng)絡[42]基于信道特性自適應地選擇各節(jié)點工作頻帶,可以充分利用有限帶寬資源。同時,水聲通信系統(tǒng)帶寬一般與工作頻率在同一數(shù)量級,窄帶假設不再適用[43],信號處理與系統(tǒng)設計中應充分考慮系統(tǒng)寬帶特性。

水聲通信網(wǎng)絡能量嚴重受限,電池供電方式限制了節(jié)點和網(wǎng)絡的生存期。水聲通信發(fā)射端功率(幾十瓦)消耗遠大于接收端(mW級),一般水聲系統(tǒng)都采用睡眠模式設計。一種節(jié)能的方法是自適應通信,通過動態(tài)調(diào)整發(fā)送功率、調(diào)制星座、編碼方式等參數(shù),提高能量和頻帶有效利用。另一種節(jié)能的方法是設計網(wǎng)絡協(xié)議以減少無效發(fā)送、提高網(wǎng)絡接入效率,如適當增加幀長度,在一次競爭成功后盡可能地多發(fā)送信息到接收端,提高有效吞吐量；采用靈活的差錯控制和混合自動重傳策略,提高發(fā)送成功率、降低重傳次數(shù)、節(jié)約重傳能量消耗。

2.4 多變信道

水聲信道的多變特性使得理論仿真往往和實際實驗性能有較大差距。在研究信號處理問題中,針對特定的因素可以假設信道具有確定性時變特性。從系統(tǒng)設計角度,往往按較差信道狀況設計,以保證實驗在長時間布放周期內(nèi)的可靠性。同時,實驗中對通信的水深、聲速地形等作以基本測量,有助于節(jié)點的合理布放。

對于時變特性,在小時間尺度和大時間尺度上具有不同的規(guī)律,采用不同的方法進行信道預測；對于空變特性,通信中使用多陣元接收提高接收可靠性,多節(jié)點網(wǎng)絡中可以利用空間差異進行多址接入；對于頻變特性,基于對頻譜特性的認知進行優(yōu)化分配可充分利用水聲信道有限帶寬,對頻譜的管理和優(yōu)化利用是認知水聲網(wǎng)絡發(fā)展的重要方向。

3 水聲信道仿真方法研究

海洋環(huán)境的復雜變化特性,導致水聲信道的準確建模較為困難,迄今為止尚未有一個公認的標準模型適用于各類水下環(huán)境和信道。針對不同的應用,常見的水下信道模型如下。

3.1 經(jīng)驗模型

聲吶方程是典型的經(jīng)驗模型,基本原則為:信號級-背景干擾級=檢測閾。以dB為單位,則噪聲背景下的被動聲吶方程可表示為

(SL-TL)-(NL-DI)=SNR

(7)

根據(jù)聲源級(SL)、傳播損失(TL)、背景噪聲級(NL)、指向性指數(shù)(DI)可計算接收信噪比或檢測閾值。已知設備特點和技術(shù)指標的條件下,聲吶方程可用于對設備參數(shù)進行最佳設計。例如,在一定發(fā)送功率、背景噪聲、檢測性能條件下可求得最大允許的傳播損失,從而進行最優(yōu)載頻設計。

3.2 水聲聲場模型

基于聲場理論,給定環(huán)境參數(shù),三維水下環(huán)境的聲傳播特性可用波動方程來描述:

(8)

式(8)中：(x,y,z)表示水中一個點的三維坐標；2為拉普拉斯算子；p、t和c(x,y,z)分別為水中的聲壓、時間和聲速。找到波動方程的解是一項復雜的任務,根據(jù)應用的不同,有典型的方法來描述聲場的特性。

3.2.1 射線理論

假設相位的變化比幅度的變化快很多,可將三維聲壓看作幅度函數(shù)和相位函數(shù)的乘積,進行求解。該假設適用于高頻系統(tǒng),提供了非常直觀的聲傳播表述,在高頻通信系統(tǒng)中得到廣泛應用[44]。通常使用BELLHOP射線跟蹤程序。

3.2.2 自然震蕩理論

假設在水平分層信道中,僅在深度方向有聲速變化,該方法提供了波動方程的精確解。常用于時間反轉(zhuǎn)處理和匹配濾波處理。常用的程序為基于Kraken自然震蕩模型的Kraken程序。

3.2.3 波數(shù)積分法

假定分層信道,并用波數(shù)積分計算聲場,并使用快速傅里葉變換、快速場分析(fast field program,FFP)得到波動方程的精確數(shù)值解。FFP的一個程序?qū)嵗荗ASES(ocean acoustics and seismic exploration synthesis)[45]。

3.2.4 拋物線近似法

僅考慮向前的傳播方向,用拋物線方程(parabolic equation,PE)近似式的亥姆霍茲方程式進行數(shù)值估計。PE方法依賴距離環(huán)境下的聲場計算。程序?qū)嵗秊镸MPE(Monterey-Miami PE)或RAM(range-dependent acoustic model)模型[45]。

聲場模型可以求得精確解析解,但運算較為復雜。美國學者對比了OASES、RAM、BELLHOP和Kraken模型下的聲壓和傳播損失值[45],結(jié)果顯示OASES在遠場、近場和高頻、低頻都表現(xiàn)最佳；BELLHOP的最大優(yōu)勢在于計算復雜度低、耗時短。射線理論和BELLHOP模型常用于水聲中高頻通信和網(wǎng)絡仿真[46-47]。

3.3 基于本征路徑的水聲多徑信道模型

根據(jù)射線聲學原理建立的本征路徑傳播模型在水聲信道脈沖響應仿真中得到廣泛應用。水聲信道的幾何結(jié)構(gòu)、反射折射效應及其聲學衰減,決定了水聲信道脈沖響應中的多徑數(shù)目、相對時延和強度。在信道測試與建模時,經(jīng)過多次反射、折射失去大部分能量的路徑可以忽略,只選取有限條強度顯著的多徑作為本征路徑,其中強度最大的一條多徑為主達路徑。一般在試驗測定中可設定閾值來選取能量較強的多徑。當多徑數(shù)目Np確定后,衡量水聲信道脈沖響應h(τ)的主要參數(shù)為路徑增益Ap(t)和相對時延τp(t),信道沖激響應可表示為多個路徑增益和相對時延不同的單位沖激響應δ之和

(9)

對于寬帶水聲通信信號,每個子載頻的傳播損失依賴于頻率,頻帶上損失是不均等的,表示為

(10)

式(10)中:γp(t)表示頻率依賴的傳播損失、以及

非理想發(fā)送端電壓響應損失的總和。傳播損失可以由理論或者實驗得到,實際系統(tǒng)中發(fā)送端電壓響應可以由實驗測得。文獻[43]中的實驗結(jié)果驗證了水聲信道的寬帶特性。

在特定的場景評估一些算法性能時,需要有針對性地評估個別動態(tài)因素,這時可設置部分參數(shù)為靜態(tài)或服從已知的統(tǒng)計分布,即假設信道脈沖響應隨時間發(fā)生確定性變化,服從確定時變模型。表2列出了常用的確定時變水聲信道模型,也稱準靜止信道模型。準靜止水聲信道模型主要應用于對多徑和多普勒補償有針對性研究的仿真中。

對不同確定時變信道下的水聲OFDM通信系統(tǒng)誤碼率進行仿真,水聲OFDM子載波數(shù)64,子載波調(diào)制方式4QAM,符號速率128 bit/符號,本征路徑數(shù)為6,保護間隔為8個載波。由圖9可見，時變多徑信道條件下誤碼率BER(Bit Error Rate)顯著增加,降低水聲通信系統(tǒng)性能。

表2 常用的準靜止水聲信道模型

圖9 水聲OFDM在3種信道模型下的誤碼率Fig.9 BER of underwater OFDM in three channel model

3.4 基于統(tǒng)計特性的時變水聲信道仿真

基于統(tǒng)計特性的時變水聲信道模型可以通過隨機變化的參數(shù)充分描述水聲信道的多變,在理論研究的仿真中廣泛使用,可以充分衡量特定系統(tǒng)和算法在變化信道中的性能。

3.4.1 改進的瑞利衰落水聲信道模型

瑞利衰落信道模型是常用的衰落信道模型,對其進行改進也是水聲信道仿真的一種思路。例如,使用Jakes仿真模型,利用瑞利信道的多徑延遲向量和功率向量,根據(jù)多普勒擴展對信道的時變性進行仿真；再如,為仿真時變多徑信道,引入強度起伏參數(shù)、不均勻度參數(shù)建立時變多徑信道模型。

3.4.2 基于本征路徑的水聲信道模型

Qarabaqi等[47]提出了一種通用的多尺度時變水聲信道模型:針對風浪或海水運動導致的節(jié)點位置不確定性引起的多徑結(jié)構(gòu)變化,引入平均參考徑,并通過多徑傳播距離推導路徑損失和相對時延的變化；對于由隨機散射和瞬時變化引起的每條多徑內(nèi)的小規(guī)模變化,假設散射使得本征路徑周圍散射子路徑形成多徑簇,設多徑簇內(nèi)的幅度和時延服從高斯分布,建立小時間尺度的快變信道模型。Henry等[48]研究了由海面風浪和氣泡引起的水聲信道時變,研究結(jié)果顯示海面風浪和氣泡在低頻引起散射和折射,且在中頻引起界面損失,提出了IRSIM(impulse response simulator)信道仿真工具,基于射線原理并考慮海面變化,環(huán)境參數(shù)可隨機設置,可用于仿真靜止或移動通信中的水聲信道。

3.4.3 大規(guī)模時變水聲信道模型

Sun等[25]研究了水聲信道的大規(guī)模季節(jié)性時變建模和預測問題,建立了隱馬爾科夫過程信道模型,提出了一種遞歸算法對信道進行預測,且可預測信道的周期性變化,淺水實驗驗證了該模型和算法能夠有效模擬衰落統(tǒng)計特性、平均時延、信噪比等參數(shù)。

4 水聲網(wǎng)絡仿真方法研究

水聲網(wǎng)絡和無線電網(wǎng)絡仿真的主要區(qū)別在于對基于信道特性的仿真條件和參數(shù)的改進。公開發(fā)行的網(wǎng)絡仿真軟件,如NS-2、OPNET、OMNeT++等,其無線信道模型和物理層通信模塊并無法直接用于水聲通信網(wǎng)絡仿真。水聲網(wǎng)絡的仿真需考慮信道時延、衰減、噪聲等物理層實際情況,通過修改或添加水聲信道物理層模塊,使其適用于水聲通信網(wǎng)絡。

4.1 基于NS-2/NS-3的水聲網(wǎng)絡仿真

NS-2是一款基于離散事件分裂模型的開源網(wǎng)絡仿真軟件,功能擴展性好,支持大規(guī)模網(wǎng)絡仿真。NS-2使用兩種編程語言:C++用來實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議棧的各個模塊,面向?qū)ο蠊ぞ呙钫Z言(object tool command language, OTcl) 用來編寫仿真腳本和部分模塊,進行參數(shù)配置；通常每個OTcl對象對應一個C++模塊,即分裂模型。NS-2運行輸出trace文件形式的仿真結(jié)果,可使用相關(guān)工具進一步進行分析和可視化圖像輸出。

NS-3是一個全新的網(wǎng)絡仿真軟件,并不是NS-2的簡單擴展,NS-3采用GPU GPlv2開源協(xié)議,其基礎模塊為內(nèi)核模塊和網(wǎng)絡體系模塊,內(nèi)核模塊主要用于實現(xiàn)協(xié)議和相關(guān)環(huán)境,網(wǎng)絡體系模塊主要包括節(jié)點模塊、網(wǎng)絡設備模塊等。NS-3可對數(shù)據(jù)包或事件在仿真過程中的狀態(tài)進行追蹤,最后通過系統(tǒng)提供的接口進行數(shù)據(jù)采集和可視化輸出[49]。

中外有一些水聲通信網(wǎng)絡仿真軟件基于NS-2或NS-3開發(fā),主要成果如下。

4.1.1 美國Aqua-sim

2009年,美國康涅狄格大學水聲傳感器網(wǎng)絡實驗室研發(fā)出了基于NS-2的水聲網(wǎng)絡仿真軟件Aqua-sim[49-50],加入的水聲信道模型能模擬聲傳播損失和多徑效應,在數(shù)據(jù)包沖突檢測模塊中加入聲傳播時延,且具備三維仿真的功能。Aqua-sim能夠仿真水聲信道衰減和長時延水聲通信網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)包碰撞,且提供了一套豐富的基礎協(xié)議；協(xié)議仿真測試后可通過Aqua-net Mate移植到Aqua-net[51]網(wǎng)絡平臺,連接Aqua-net OFDM Modem進行實驗。

隨后,在此基礎上基于NS-3研發(fā)了升級版的Aqua-sim NG(next generation)[52],加入了增強的信道模型包括:多信道模型、噪聲模型、傳播損失,物理層加入了信號特征包括調(diào)制方式和SINR,協(xié)議層加入了同步和定位模塊、“忙終端”(busy terminal)模型,仿真中更接近真實測試。

4.1.2 意大利DESERT和SUNSET

意大利帕多瓦大學提出的DESERT(design, simulate, emulate and realize test-beds for underwater network protocols)[53]基于其早期開發(fā)的NS-Miracle[54]。 NS-Miracle使用C/C++進行模塊開發(fā),Tcl/OTcl進行參數(shù)設置,支持跨層消息,網(wǎng)絡層的多模塊并行,更接近實際網(wǎng)絡。調(diào)用WOSS(world ocean simulation system)進行信道模擬,物理層可連接水聲調(diào)制解調(diào)器,在模擬模式下可通過電腦控制水聲調(diào)制解調(diào)器,在實驗模式下,使用WHOI Micro-Modem和EvoLogics S2C進行實驗。

在DESERT基礎上研發(fā)的DESERT v2[55],支持多模式通信,包括低速聲通信、高速聲通信和光通信模式；連接最新的WOSS系統(tǒng),包括聲速和水深模型,調(diào)用BELLHOP計算聲線傳播以得到信道沖擊響應,也可以調(diào)用特定的曲線,以模擬收發(fā)鏈路；支持物理層連接NS-3和NS-2/Miracle,可進行時變信道仿真,移動場景仿真；增加了連接MATLAB的接口；增加了HERMES物理層仿真模型,在仿真中能夠模擬水聲調(diào)制解調(diào)器特性；具有遠程操作功能和日志記錄功能；增加時間同步模塊,以保證實時調(diào)度并更好地支持上層協(xié)議。

2012年,意大利羅馬大學團隊開發(fā)了水聲網(wǎng)絡仿真軟件SUNSET(Sapienza University Networking framework for underwater Simulation, Emulation and real-life Testing)[56],可用于仿真、模擬和實測,基于開源的仿真器NS-2及其擴展NS-Miracle,可以直接在水聲調(diào)制解器或AUV內(nèi)部加載的Gumstix上直接進行實驗。支持以下幾種調(diào)制解調(diào)器:WHOI Micro-Modem,Evoligics Modem和Kongsberg Modem。對DESERT和SUNSET的測試顯示,兩者在仿真模式下性能接近；在實測模式下,DESERT簡單易行,SUNSET使用了更為復雜的額外模塊,例如,使用的事件和數(shù)據(jù)包調(diào)度模塊能夠提高調(diào)度準確性,有利于在低功耗的嵌入式系統(tǒng)進行應用。

4.1.3 新加坡Unet Stack

新加坡國立大學的聲學研究實驗室提出的Unet Stack[57]是基于Unet水聲網(wǎng)絡項目研發(fā)的,物理層參數(shù)可通過上層軟件定義。其網(wǎng)絡仿真協(xié)議棧由Agent組成,Agent的作用相當于傳統(tǒng)網(wǎng)絡中的“層”,但可自由組合不受層與層的連接約束。UnetStack物理層Agent提供了水聲調(diào)制解調(diào)器及其驅(qū)動,可連接運行和仿真器相同的代碼。仿真器UnetSim中的物理層由仿真Agent替代,提供了仿真信道和實測信道模型。Agent定義了通用的功能和參數(shù)等,可擴展、編寫腳本、跨層協(xié)作,使用Java語言,支持Groovy語言腳本,具有設計、仿真、測試,開發(fā)功能快的優(yōu)點。

4.1.4 中國UANS

哈爾濱工程大學團隊提出了一種水聲傳播模型的水聲通信網(wǎng)仿真軟件UANS(underwater acoustic network simulator)[58],以C++為開發(fā)工具,采用任務驅(qū)動和模塊化結(jié)構(gòu),包括仿真參數(shù)設置模塊、信道模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、協(xié)議模塊等,可進行三維拓撲結(jié)構(gòu)編輯。后續(xù)還提出了基于NS-2和NS-miracle的網(wǎng)絡仿真平臺,使用Tcl設置腳本參數(shù),配置模擬節(jié)點數(shù)量,網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu),節(jié)點間距離等,用C++實現(xiàn)組網(wǎng)協(xié)議；仿真平臺采用分層結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了在嵌入式設備上工作,可通過遠程控制切換參數(shù)配置[59]。

Zeng等[60]提出了基于NS-3的水聲網(wǎng)絡仿真架構(gòu),通過多線程可進行多節(jié)點的多數(shù)據(jù)包并行處理,以“真實水下環(huán)境+硬件節(jié)點+虛擬協(xié)議?！钡哪Ｊ竭\作,可直接移植到硬件平臺進行實驗[61],并使用中科院研制的水聲調(diào)制解調(diào)器進行了驗證性實驗。在實驗應用時,該系統(tǒng)利用設計的NS-3網(wǎng)絡仿真器和真實硬件的虛實結(jié)合多線程接口,結(jié)合水聲硬件設備就能直接進行基于硬件節(jié)點的水下實驗,可以有效的加快水聲網(wǎng)絡協(xié)議真正應用于實際場景。

4.2 基于OPNET的水聲網(wǎng)絡仿真

OPNET采用分層建模機制,包括節(jié)點模型、進程模型、網(wǎng)絡模型,分別對應實際中的設備、協(xié)議、網(wǎng)絡,全面地反映了網(wǎng)絡的相關(guān)特性。OPNET采用離散事件驅(qū)動的仿真機制,事件指的是網(wǎng)絡狀態(tài),離散是仿真時間是離散的,離散事件驅(qū)動可以有效解決通信并發(fā)性和先后順序問題。OPNET包括14個管道階段(pipeline stage),以仿真網(wǎng)絡中發(fā)送、接收的過程。OPNET具有可視化的優(yōu)點,拓撲結(jié)構(gòu)配置方便,提供豐富的模型庫資源,三層建模機制能較全面的模擬實際應用。

中國對基于OPNET的水聲通信網(wǎng)絡研究較多。主要研究成果如下。

(1)管道階段修正的OPNET水聲網(wǎng)絡仿真?；谒曅诺捞攸c,對無線電OPNET中各個管道階段的參數(shù)進行修正,以更好地模擬水聲信道。主要研究成果有:韓晶等[62]提出了基于OPNET的水聲通信網(wǎng)絡仿真方法,在節(jié)點域內(nèi)建立了通信節(jié)點模型,并在管道階段中(pipeline stages)定義了傳播時延階段(stage 5)、接收功率階段(stage 7)、背景噪聲階段(stage 8)等三個管道階段的參數(shù)計算；在進程域內(nèi)對水聲網(wǎng)絡協(xié)議進行了設計；在網(wǎng)絡域內(nèi)建立了一個包含1個主節(jié)點與5個傳感器節(jié)點的水聲通信網(wǎng)絡。丁元明等[63]和Dao等[64]改進分別改進了OPNET傳播時延階段、接收機功率階段、背景噪聲階段的參數(shù)模型,并分析了水聲信道特性對網(wǎng)絡協(xié)議性能的影響。

(2)引入信道物理層發(fā)收參數(shù)的OPNET水聲網(wǎng)絡仿真。針對修改管道階段參數(shù)無法模擬物理層信道衰落、調(diào)制方式、接收端處理等問題,學者提出了引入物理層參數(shù)的OPNET水聲網(wǎng)絡仿真,主要研究成果有:Bai等[65]研究了基于OPNET的時變水聲網(wǎng)絡仿真模型,通過接收功率和誤碼率來反映信道時變特性:接收功率引入瑞利時變特性,并把BPSK(Binary Phase Shift Keying)在瑞利信道下的SNR-BER(前面出現(xiàn)過)曲線導入誤碼率管道階段,以模擬瑞利時變衰落信道下SNR的變化及其對應的誤碼率,對時變信道仿真有一定啟發(fā)意義。Zhao等[66]提出了聯(lián)合BELLHOP和OPNET的仿真,在OPNET中通過MEX接口加入MATLAB引擎調(diào)用BELLHOP,發(fā)送端通過0-5產(chǎn)生帶有傳輸時延的發(fā)送信號,再進入加入的引擎中通過BELLHOP模擬信道傳輸特性；在接收端,接收信號先送入MATLAB引擎,進行加噪聲、解調(diào)、均衡等處理,得到誤比特率,更加真實地模擬水聲信號的物理層處理過程。

(3)建立MATLAB引擎并引入接口文件以實現(xiàn)OPNET與MATLAB函數(shù)的相互調(diào)用,OPNET中引入瑞利衰落模型,并通過讀取調(diào)制曲線計算誤碼率,能夠更真實地反映水聲網(wǎng)絡信道。并針對OPNET水網(wǎng)絡仿真中修改管道參數(shù)的方法無法引入物理層參數(shù)(信道傳遞函數(shù)、調(diào)制方式等)的局限,利用MATLAB將調(diào)制曲線導入OPNET并配合其他管道的配置；在兩種具有結(jié)構(gòu)差異的BELLHOP信道中對ALOHA協(xié)議進行仿真,結(jié)果表明信道結(jié)構(gòu)變化靈敏的影響協(xié)議性能[67]。

5 結(jié)論

通過分析水聲信道特性及其對水聲網(wǎng)絡設計的影響、對比分析水聲信道物理層建模和網(wǎng)絡仿真方法,闡明了水聲信道和網(wǎng)絡仿真的基本思路和方法。包括系統(tǒng)研究了水聲信道典型傳播特性,如傳播時延、多徑、能量受限、時-空-頻變等,及其對通信網(wǎng)絡的影響；對比了經(jīng)驗模型、聲場求解模型、基于本征路徑的多徑信道模型和基于統(tǒng)計特性的時變信道模型等通信信道模型,仿真表明水聲信道結(jié)構(gòu)變化明顯影響接收性能；分析了基于信道特性的水聲網(wǎng)絡仿真工具和模型,顯示出水聲網(wǎng)絡仿真工具的發(fā)展逐步從仿真到仿真實驗一體化系統(tǒng)、從改進成熟軟件到開發(fā)獨立軟件的歷程。

水聲信道仿真模型是海洋信息化從理論到應用的紐帶,其日趨完善是未來建設智慧海洋、打造海陸空天一體化信息網(wǎng)絡的重要基礎。水聲通信與網(wǎng)絡中信道建模與仿真的研究重點和難點有:①從物理層的角度,對聲場進行快速和精確求解,需在提高算法速度和精度的同時基于并行架構(gòu)進行計算,同時,在仿真軟件中盡可能減小聲場求解結(jié)果和實際信道的差異性；②從網(wǎng)絡層的角度,更全面地模擬仿真物理特征,需要兼顧各種尺度、各種維度的信道變化,同時考慮實際應用中水聲設備特性帶來的影響；③對于實際應用,目前中國多家單位研制出了各自的水聲調(diào)制解調(diào)器、相關(guān)仿真和實驗平臺,但各自孤立,迫切需要通用的、仿真和實驗一體化的水聲網(wǎng)絡平臺,便于同行交流、加快從理論到實驗再到實用的研究步伐。