海洋水下近距離無(wú)線通信技術(shù)研究進(jìn)展*

和一帆,陳 武,狄志剛,王暉瑜,黃 渤,孫吉星,金 曦,楊岳澄,陳亞林,宋 強(qiáng),劉鳳慶,孔祥峰

(1.中海油常州涂料化工研究院有限公司,天津 300270;2.青島鋼研納克檢測(cè)防護(hù)技術(shù)有限公司,山東 青島 266071;3.中國(guó)海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,山東 青島 266100;4.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)海洋儀器儀表研究所,山東 青島 266071)

海洋傳感器及觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),在海洋環(huán)境調(diào)查、海洋觀測(cè)、海洋資源開(kāi)發(fā)工程等多方面都有著重要的應(yīng)用,是認(rèn)識(shí)海洋、探索海洋的有效手段。到目前為止,大部分海洋觀測(cè)系統(tǒng)依然采用電纜或光纜通信作為主要的通信方式,然而這種通信方式布設(shè)成本高、結(jié)構(gòu)不靈活,且當(dāng)通信電纜布設(shè)后,若某一傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障則難以更換或維修。與之相比,水下無(wú)線通信技術(shù)可應(yīng)用于海洋觀測(cè)系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器及集成系統(tǒng)間的近距離無(wú)線連接,并且在不影響已布設(shè)好有纜網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上還可以實(shí)現(xiàn)傳感器等水下聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的維護(hù)或便捷更換,從而有效地解決有纜通信的種種弊端。

水下無(wú)線通信的方式主要有水下聲通信、水下電磁波通信以及水下光通信等[1]。由于聲波在水下傳播的能力比較強(qiáng),因此水下聲通信的傳輸質(zhì)量比較穩(wěn)定,但其在傳輸速率、傳輸帶寬、抗干擾性等方面有所不足。與之相比,水下光通信和水下電磁波通信有著傳輸速度快、能量損失小、抗干擾性強(qiáng)、傳輸信息量大等優(yōu)點(diǎn)[2],得到了眾多研究者們的關(guān)注,并且近年來(lái)隨著水下通信需求的增加和技術(shù)的發(fā)展,基于電磁波或激光的海洋水下近距離無(wú)線通信技術(shù)也在水下傳感網(wǎng)絡(luò)、無(wú)人水下航行器、水下數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)等領(lǐng)域逐漸發(fā)展應(yīng)用起來(lái)[3-4]。

本文主要基于電磁波和激光的水下近距離無(wú)線通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述,同時(shí)總結(jié)水下近距離無(wú)線通信技術(shù)所面臨的問(wèn)題與發(fā)展前景。

1 水下電磁波通信技術(shù)

水下無(wú)線電磁波通信是指將水作為信息的傳輸介質(zhì),把不同頻率的電磁波作為載波用來(lái)傳輸指令、數(shù)據(jù)、語(yǔ)言等信息的一類水下無(wú)線通信技術(shù),其原理主要是利用電磁波在水介質(zhì)中的傳播特性來(lái)實(shí)現(xiàn)信息傳輸。相比于傳統(tǒng)的有線通信,水下電磁波通信具有更好的靈活性和便捷性,因此在海洋探測(cè)、潛水作業(yè)、海洋資源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

然而,水下電磁波通信技術(shù)也存在一些問(wèn)題,具體如下。

1)抗干擾能力差。由于水中存在大量的干擾影響,如水流密度不均勻、懸浮物和其他噪聲等,這些干擾的存在會(huì)影響電磁波的傳播,進(jìn)而降低通信質(zhì)量。

2)設(shè)備成本高。由于水下環(huán)境的特殊性,水下無(wú)線通信設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造成本較高,限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。

3)能量衰減快。水的介質(zhì)特性使得電磁波在水中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生能量損失,導(dǎo)致信號(hào)衰減快,影響通信質(zhì)量等。

近年來(lái),針對(duì)上述問(wèn)題又有了一些新的研究進(jìn)展。

1.1 水下信道建模與分析

基于電磁波在水下傳播易受到干擾的問(wèn)題,研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)新的信道建模和分析方法,以提高水下通信的性能。建模和分析信道模型和參數(shù)可以幫助設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定、可靠、高效的水下無(wú)線電磁波通信系統(tǒng)。

2012年,A. Zoksimovski等[5]對(duì)電磁波水下通信技術(shù)進(jìn)行了建模,在深海鉆井傳感器的非接觸健康監(jiān)測(cè)中使用正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術(shù),并在100 kHz～6.5 MHz之間的頻率下進(jìn)行了測(cè)試。聶志強(qiáng)等[6]基于OFDM技術(shù)提出了水下近距離超帶寬電磁波通信方法,結(jié)果表明,當(dāng)傳輸距離為11 m時(shí),信息傳輸速率可達(dá)到40 kbps,并且在相同誤碼性能下比特信噪比與單載波相比可以節(jié)省約2.5 dB。2016年,K. Kwak等[7]提出了一種基于電磁波通信的水下三維空間衰減模型,建立了一個(gè)利用距離確定水下3D空間位置的識(shí)別系統(tǒng),并研究了介質(zhì)、輻射和天線對(duì)電磁波衰減特性的影響,從而推導(dǎo)出了電磁波在三維空間中的信號(hào)衰減特性。Zhou J等[8]建立了一種磁場(chǎng)通信的遠(yuǎn)場(chǎng)模型,通過(guò)對(duì)最大通信距離的數(shù)值分析表明該磁場(chǎng)通信適用于水下環(huán)境,通過(guò)增加發(fā)射機(jī)的磁矩,進(jìn)而提高了接收機(jī)的最小可檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。2019年,王俊[9]建立了一種適用于深水環(huán)境下的近距離通信直射波模型,并根據(jù)此模型設(shè)計(jì)了一種基于OFDM的通信系統(tǒng),研究結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與單載波系統(tǒng)相比在誤碼性能方面有較大提升,此外信息傳輸速率和頻帶利用率也有所提升,相比于16進(jìn)制的正交振幅調(diào)制(QAM)的單載波方案,信噪比節(jié)省約3 dB。2020年,D. Park等[10]提出了一種應(yīng)用于水下基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)定位的電磁波距離衰減模型,分析了結(jié)構(gòu)引起的電磁波傳播特性和信號(hào)干擾效應(yīng),并通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)表明所提出的傳感器模型有著更高精度的定位結(jié)果。

1.2 水下天線的研究

水下天線是水下電磁通信的重要組成部分。由于用于輻射低頻電磁波的天線設(shè)備體積大、造價(jià)高,信號(hào)衰減、信道干擾等因素限制了電磁波在水下通信中的進(jìn)一步應(yīng)用。因此,研究人員通過(guò)研究新型的水下天線設(shè)計(jì),以提高水下通信的可靠性和效率。2018年,I. I. Smolyaninov等[11]提出了一種工作在50 MHz頻段下的水下便攜式無(wú)線電天線,可有效地在海水和空氣界面發(fā)射表面電磁波。由于表面波傳播長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)相同頻率下傳統(tǒng)無(wú)線電波的趨膚深度,因此該技術(shù)非常適用于數(shù)米距離的寬帶水下無(wú)線通信。2022年,Amit等[12]提出了一種圓形結(jié)構(gòu)的四帶蝴蝶結(jié)天線。研究表明,所提出天線設(shè)計(jì)的輻射方向圖是全方向的,其回波損耗小于-25 dB,并且由于所提出的天線具有穩(wěn)健的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),因此可以通過(guò)不同的錐度傳輸多個(gè)頻率。2023年,Yang S等[13]提出了一種基于超緊湊型極低頻(ELF)磁力傳輸天線(UEMTA)的遠(yuǎn)程水下電磁(EM)通信系統(tǒng)。該通信系統(tǒng)的變送器主要包括波形發(fā)生器、變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)和三相感應(yīng)電機(jī)。接收器由一個(gè)200匝的線圈和信號(hào)分析儀組成,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬對(duì)通信性能進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明,ELF波在鄰近海域的水下傳播能力較強(qiáng)、衰減較慢,實(shí)驗(yàn)中最長(zhǎng)傳播距離可達(dá)210 m。

1.3 水下通信網(wǎng)絡(luò)的研究

隨著水下油氣勘探和海洋科學(xué)研究的不斷發(fā)展,對(duì)于水下通信網(wǎng)絡(luò)的需求也變得更加迫切。研究人員正在研究水下通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、優(yōu)化方法等,以提高水下通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和效率。2018年,Wang S等[14]研究了基于磁感應(yīng)的淺海監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),提出了一種高能節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)聚類算法以降低網(wǎng)絡(luò)能耗,仿真結(jié)果表明,所提出的方法在相同傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量的情況下,可以提供比其他方法更長(zhǎng)的壽命,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。2023年,T. Hossain等[15]基于混合可重構(gòu)智能表面(RIS)輔助的射頻-水下光學(xué)無(wú)線通信(RF-UOWC)在未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的潛在價(jià)值,研究了混合雙跳RIS輔助RF-UOWC網(wǎng)絡(luò)的保密性能,評(píng)估了RF和UOWC信道的廣義系統(tǒng)特性,導(dǎo)出了性能度量的數(shù)學(xué)表達(dá)式,并通過(guò)蒙特卡羅(MC)模擬對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明,通過(guò)增加反射元件的數(shù)量可以增加信噪比增益,進(jìn)而可以提升保密性能,其系統(tǒng)模型圖如圖2所示。

a) 水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

b) 二維和三維水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中六邊形模式節(jié)點(diǎn)部署示例

圖2 RIS輔助雙跳RF-UOWC組合系統(tǒng)模型

2 水下光通信技術(shù)

水下無(wú)線光通信(UWOC)是指利用海水中低損耗窗口波長(zhǎng)段為450～530 nm的藍(lán)綠激光作為水下通信的信息載體進(jìn)行水下通信的技術(shù)。其系統(tǒng)一般由發(fā)射端、接收端和水下信道三部分組成。水下無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行編碼調(diào)制后,在光源處將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào),之后轉(zhuǎn)換成的光信號(hào)在水下信道傳輸,最后再由探測(cè)器接收并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并進(jìn)行譯碼解調(diào),恢復(fù)出原始信號(hào)[16]。水下光通信具有傳輸速率高(在近距離通信中,其通信速率可達(dá)到100 Mbps)、信號(hào)方向性較強(qiáng)、幾何損耗較小[17]等特點(diǎn)。此外,光通信還具有較強(qiáng)的抗電磁干擾、光電器件體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

雖然水下光通信技術(shù)有著諸多優(yōu)勢(shì),但目前其應(yīng)用仍存在固有難點(diǎn),如:1)由于水中微小顆粒的存在會(huì)使光信號(hào)產(chǎn)生吸收和散射現(xiàn)象,從而導(dǎo)致信號(hào)的衰減,進(jìn)而導(dǎo)致光脈沖的時(shí)延與擴(kuò)展;2)水下光通信信號(hào)的完整性和可靠性需要進(jìn)一步增強(qiáng);3)水下激光通信的設(shè)備在傳輸距離和傳輸速率等方面有待提高。為了應(yīng)對(duì)上述難點(diǎn),近年來(lái),又探索出了不同于傳統(tǒng)地面自由空間光通信的新系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

2.1 水下光學(xué)模型與分析

水下環(huán)境對(duì)光的傳輸和衰減具有很大的影響。研究人員正在研究水下環(huán)境的光學(xué)特性,以制定更好的水下無(wú)線光通信技術(shù)和方案。

目前,針對(duì)光信號(hào)因吸收和散射導(dǎo)致的光衰減效應(yīng)問(wèn)題已經(jīng)建立了許多信道優(yōu)化模型。其中,比爾-蘭伯特定律模型是應(yīng)用最為廣泛的模型之一[18],它將吸收和散射效應(yīng)建模為指數(shù)衰減的形式,但不考慮時(shí)間色散的影響。為了描述光傳輸過(guò)程中散射出來(lái)的光對(duì)總接收光產(chǎn)生的額外影響,輻射傳輸方程(RTE)模型又被提出來(lái),該方程可以生成波束擴(kuò)展函數(shù),用于準(zhǔn)確描述特定線路配置的光吸收和散射效應(yīng),但很難確定RTE的精確分析解,只能導(dǎo)出近似解,且在這個(gè)過(guò)程中會(huì)丟失時(shí)間的分布信息。

與RTE的解析解相比,數(shù)值解已被證明能夠更完整地描述水下光傳播的過(guò)程[19]。2015年,C. Li等[20]基于確定性數(shù)值方法開(kāi)發(fā)了一種高效的RTE求解器。該求解器采用無(wú)矩陣高斯-賽德?tīng)?Gauss-Seidel)迭代法來(lái)求解水下無(wú)線光通信系統(tǒng)的接收功率,進(jìn)而解決了傳統(tǒng)離散縱坐標(biāo)法(SN)不能很好地與體積散射函數(shù)(VSF)一起工作的問(wèn)題。

近年來(lái),為了考慮多因素對(duì)光通信信號(hào)的影響,出現(xiàn)了一些綜合優(yōu)化模型。如2019年,E. Zedini等[21]提出了一種綜合的統(tǒng)計(jì)模型來(lái)表征在淡水和咸水中存在氣泡和溫度梯度的情況下,水下無(wú)線光通信信道中湍流引起的信道衰落地問(wèn)題,解決了由于氣泡和溫度梯度導(dǎo)致的光通信信道中光束輻照度波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)問(wèn)題。2021年,Cai R等[22]提出了一個(gè)綜合多參數(shù)模型,以綜合吸收、散射和動(dòng)態(tài)湍流的影響。通過(guò)將相位結(jié)構(gòu)函數(shù)與理論值進(jìn)行比較,將次諧波法與嚴(yán)格采樣約束法相結(jié)合,進(jìn)一步提高了模擬精度。2022年,Xu D L等[23]為了降低水下光通信過(guò)程中通信信道會(huì)受到粒子和湍流共同引起的吸收和散射效應(yīng)的影響,在蒙特卡羅模擬的水下無(wú)線光通信信道湍流衰減模型中加入了湍流效應(yīng)。結(jié)果表明,該系統(tǒng)的路徑損耗增加了5 dB以上,而信道脈沖響應(yīng)幅度卻降低到了1/3以下,光強(qiáng)概率密度函數(shù)更加分散。同年,Y. Weng等[24]針對(duì)通信過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)波束難對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題,提出了一種聲學(xué)導(dǎo)航方法來(lái)指導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程,將對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題建模為一個(gè)部分可觀察的馬爾可夫決策過(guò)程(POMDP),模擬結(jié)果表明,該方法在模擬環(huán)境中優(yōu)于基線方法。R. Xiao等[25]提出了一種新型水下無(wú)線光通信信道的數(shù)學(xué)形式化方法,并使用蒙特卡羅積模型進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果表明,提出的新方法在允許給定的計(jì)算時(shí)間內(nèi)具有更低的樣本方差和誤差。

2.2 信道調(diào)制技術(shù)的研發(fā)

信道調(diào)制技術(shù)是優(yōu)化水下無(wú)線光通信系統(tǒng)的重要方法。它可以提高信號(hào)的傳輸速率和傳輸距離,同時(shí)還可以提高信號(hào)的抗干擾能力和可靠性。目前,流行的信道調(diào)制技術(shù)之一是開(kāi)關(guān)鍵控(OOK)調(diào)制,該技術(shù)操作簡(jiǎn)單,但效率較低。另一種流行的調(diào)制技術(shù)是脈沖位置調(diào)制(PPM),該技術(shù)具有編碼簡(jiǎn)單、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)。

在水下光通信系統(tǒng)中,數(shù)字脈沖間隔調(diào)制(DPIM)也被廣泛采用。DPIM是一種異步調(diào)制方案,具有可變的符號(hào)長(zhǎng)度。相較于PPM調(diào)制技術(shù),DPIM具有更高的帶寬效率。2012年,C. Gabriel等[26]進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)比研究了DPIM、OOK、PPM和其他一些調(diào)制技術(shù)。研究結(jié)果顯示,在相同距離下,PPM調(diào)制技術(shù)是最節(jié)能的。DPIM的帶寬效率比PPM和OOK更好,但解調(diào)設(shè)備較為復(fù)雜。為了減輕水下光信號(hào)因衰減造成通信質(zhì)量和效率降低的影響,2020年,P. N. Ramavath等[27]在多輸入單輸出(MISO)水下光通信系統(tǒng)中應(yīng)用了里德-所羅門(RS)碼,從而提高了系統(tǒng)的可靠性和效率。此外,BCH碼和循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)也已被廣泛應(yīng)用于水下無(wú)線光通信系統(tǒng),以改善低信噪比下的水下系統(tǒng)的誤碼率。2013年,Wang W P等[28]使用簡(jiǎn)單的OOK調(diào)制方法模擬了BCH和RS碼的抗噪聲特性。結(jié)果表明,RS碼在糾錯(cuò)功能方面優(yōu)于BCH碼,但傳輸數(shù)據(jù)頻率會(huì)降低。雖然上述方法可以減少功率和誤碼率,但在強(qiáng)干擾環(huán)境中效果并不理想。因此,低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)和Turbo碼又被提出。LDPC碼可以提供接近香農(nóng)極限的糾錯(cuò)性能[29],而Turbo碼則將2個(gè)或多個(gè)卷積碼和交織器相結(jié)合,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)接近香農(nóng)極限的誤碼率。

2.3 新型水下無(wú)線光通信設(shè)備的研發(fā)

研究人員正在開(kāi)發(fā)新型的水下無(wú)線光通信設(shè)備,如高功率激光器、高速光調(diào)制器、光纖放大器等,以提高水下無(wú)線光通信的傳輸距離和傳輸速率。

2019年,Wang J等[30]提出了一種多像素光子計(jì)數(shù)器(MPPC)作為接收器和正交頻分復(fù)用(OFDM)的UWOC系統(tǒng)(見(jiàn)圖3),并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,該系統(tǒng)有著312.03 Mbps的凈數(shù)據(jù)速率,誤碼率(BER)低于FEC信道編碼技術(shù)。2021年,Li J等[31]研究了基于SiPM陣列的多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)水下無(wú)線光通信系統(tǒng)的性能,MIMO技術(shù)可以在不增加信噪比和帶寬的情況下,使得信道的可靠性得到大幅度提高[32]。在實(shí)驗(yàn)中,使用光子計(jì)數(shù)6×3的MIMO方案(見(jiàn)圖4),在閃爍指數(shù)為4.66×10-3的10 m水箱中,以1 Mbps的OOK調(diào)制實(shí)現(xiàn)了7.38×10-9J/bit的能量。同年,Lin R等[33]基于高帶寬、低功耗的微型LED陣列,實(shí)現(xiàn)了雙工水下無(wú)線光通信和水下充電,其系統(tǒng)原理圖和光電探測(cè)器實(shí)物圖如圖5和圖6所示,2.3 m雙工UWOC系統(tǒng)中微型LED發(fā)射機(jī)的最大調(diào)制帶寬和數(shù)據(jù)速率分別為251.3 MHz和660 Mbps。此外,在相同的UWOC系統(tǒng)中,基于微型LED的光電探測(cè)器在0和-5 V下分別可以實(shí)現(xiàn)52.5和60 Mbps的最大數(shù)據(jù)速率。

圖3 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 基于微型LED陣列的雙工UWOC系統(tǒng)原理圖

圖6 微LED陣列的照片作為發(fā)射機(jī)和

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,基于水下無(wú)線光通信技術(shù)和水下無(wú)線電磁通信技術(shù)出現(xiàn)的信號(hào)衰減、傳輸距離短、設(shè)備成本高以及抗干擾性差等問(wèn)題,建立信道優(yōu)化模型、水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以及研發(fā)高性能的天線和設(shè)計(jì)相應(yīng)的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高速率、長(zhǎng)距離、低成本和高可靠性水下無(wú)線通信的重要手段。此外,將信道調(diào)制技術(shù)與新型通信設(shè)備相結(jié)合,也是提高通信性能的另一種手段。然而,雖然現(xiàn)在出現(xiàn)了很多優(yōu)化水下無(wú)線通信的方法,但面對(duì)更加復(fù)雜的水下環(huán)境以及其他一些影響因素,水下無(wú)線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性,以及信息的傳輸質(zhì)量與效率方面仍面臨著許多挑戰(zhàn),如何研發(fā)更好地適用于水下通信的系統(tǒng)仍是研究重點(diǎn)。此外,如何更好地實(shí)現(xiàn)多通信方式的融合和多用戶通信也是水下無(wú)線通信技術(shù)的重要研究方向。