水聲通信技術(shù)

1、水聲通信技術(shù)水聲通信是海洋中無(wú)線信息傳輸?shù)闹饕夹g(shù)手段。水聲 通信技術(shù)在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、水下航行器/載人潛水器作業(yè)等方 面有著廣泛應(yīng)用。水聲通信及網(wǎng)絡(luò)可靈活地用于不同的速率 載荷、覆蓋距離、水體深度、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情景，可廣泛地應(yīng) 用于海洋環(huán)境觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)水下不同空間位置多個(gè)觀測(cè)設(shè)備之 間的信息交互。同時(shí)，水聲信道傳輸狀態(tài)多變、海洋作業(yè)環(huán) 境惡劣，對(duì)通信算法和設(shè)備可靠性有較高要求，水聲通信及 組網(wǎng)成為目前的研究熱點(diǎn)。水聲通信網(wǎng)絡(luò)在國(guó)外已有20a發(fā)展歷史，開(kāi)展較早且具有代表性的是美國(guó)的Seaweb網(wǎng)絡(luò)。美國(guó)的Seaweb網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了多固定節(jié)點(diǎn)的 組網(wǎng)、自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)路由初始化、潛艇和AUV的數(shù)

2、據(jù)接入、利用固定節(jié)點(diǎn)對(duì) AUV定位、分簇網(wǎng)絡(luò)等多種功能，在基于 衛(wèi)星浮標(biāo)的遠(yuǎn)海觀測(cè)網(wǎng)、港口近岸的水下偵查網(wǎng)絡(luò)及軍用水 下航行器指令傳輸及定位等應(yīng)用中展示了很好的應(yīng)用效果 和技術(shù)先進(jìn)性。歐洲也開(kāi)展了試驗(yàn)研究。近年來(lái)，在國(guó)家“ 863 ”計(jì)劃、軍方、國(guó)家自然科學(xué)基 金等支持下，我國(guó)水聲通信領(lǐng)域在通信算法、通信機(jī)研制、 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真、組網(wǎng)應(yīng)用試驗(yàn)、協(xié)議規(guī)范制定等方面取得長(zhǎng) 足進(jìn)步。本文主要介紹面向海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的水聲通信網(wǎng)技 術(shù)，并對(duì)未來(lái)的技術(shù)趨勢(shì)進(jìn)行展望。水聲通信信道是復(fù)雜的信道，信道帶寬窄、傳播速度慢、 時(shí)變性強(qiáng)、頻率選擇性衰落、噪聲嚴(yán)重等不利因素在水聲通 信信道中都很明顯。如何針對(duì)水聲信道特點(diǎn)，

3、采取高性能、 可實(shí)現(xiàn)的通信算法，是水聲通信領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。物理層主 要解決利用信道進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的可靠通信的問(wèn)題，物理層技術(shù) 方案主要包括調(diào)制解調(diào)和糾錯(cuò)碼兩部分內(nèi)容。對(duì)于水聲通信 中的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，一般根據(jù)接收端是否恢復(fù)原始載波相位 可劃分為相干通信和非相干通信。、相干水聲通信相干通信需要在接收端恢復(fù)原始載波相位信息，一般應(yīng) 用于信道不太惡劣的情況。相干通信信道利用率高，一般超 過(guò)1bps/Hz，即傳輸比特速率超過(guò)信道頻率寬度。如果信道 衰落嚴(yán)重，采用多陣元接收的方式獲得空間分集。相干水聲通信根據(jù)發(fā)射載波數(shù)目，可劃分為單載波調(diào)制 和正交頻分復(fù)用調(diào)制（OFDM）。在時(shí)變多徑信道下，如果參 數(shù)設(shè)置合理

4、，采用最佳接收處理算法，二者性能基本一致。 單載波的優(yōu)勢(shì)在于發(fā)射端不依賴(lài)信道狀態(tài)信息，發(fā)射機(jī)工作 效率高。OFDM的優(yōu)勢(shì)在于：頻域均衡計(jì)算量小，利用加長(zhǎng) 符號(hào)周期可直接克服多徑。如果OFDM在發(fā)射端載波間隔等 參數(shù)不適合信道狀態(tài)，將影響通信效果。二者結(jié)合實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì) 互補(bǔ)，例如單載波發(fā)射頻域均衡技術(shù)和多載波并行傳輸技術(shù) （一般4個(gè)或者8個(gè)載波）也是目前在研究的內(nèi)容。時(shí)間反轉(zhuǎn)通信技術(shù)是針對(duì)水聲信道特點(diǎn)的接收處理方 法，用于多陣元接收，簡(jiǎn)化接收機(jī)復(fù)雜度。未來(lái)的時(shí)間反轉(zhuǎn) 通信研究將基于時(shí)變信道模型開(kāi)展。未來(lái)相干水聲通信研究將針對(duì)水聲信道特點(diǎn)，充分利用 信道的空間特性、信道沖擊響應(yīng)稀疏特性、噪聲突發(fā)特性，

5、 利用迭代技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可靠的高階調(diào)制通信，并降低計(jì)算復(fù)雜 度，實(shí)現(xiàn)低信噪（混）比要求、低計(jì)算量、高傳輸速率的可 靠水下通信。在國(guó)家“ 863 ”水聲通信網(wǎng)項(xiàng)目中，采用單載波（中科院聲學(xué)所）和 OFDM （哈爾濱工程大學(xué)）兩種相干 通信方案，并對(duì)單載波調(diào)制時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)（浙江大學(xué)）進(jìn)行 了研究。二、非相干水聲通信在非相干通信中，接收端不需要恢復(fù)原始載波相位信 息。非相干通信可應(yīng)用于信道較為惡劣的情況，一般采用單 陣元接收即可。非相干通信信道利用率低，傳輸比特速率小 于信道頻率寬度，相對(duì)于相干通信每比特傳輸能耗大。在相 干、非相干并存的通信系統(tǒng)中，大量數(shù)據(jù)傳輸一般優(yōu)先采用 相干通信。非相干通信常見(jiàn)方式

6、為編碼頻域調(diào)制，在接收端進(jìn)行匹 配濾波、平方率檢測(cè)、糾錯(cuò)譯碼即可，算法簡(jiǎn)單，魯棒性好。 非相干通信技術(shù)相對(duì)成熟，國(guó)外商品化的水聲通信機(jī)一直沿 用非相干技術(shù)作為首要通信方式。在國(guó)家“863 ”水聲通信網(wǎng)項(xiàng)目中，采用多進(jìn)制卷積碼、恒重碼、開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制（OOK） 的方案作為信令、低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，保證不同參加單位（中科院聲學(xué)所、中船重工 715所、哈爾濱工程大學(xué)）研制 的水聲通信機(jī)之間的互通。未來(lái)如各單位硬件平臺(tái)能夠支 持，將采用基于多進(jìn)制 LDPC碼的非相干方案。擴(kuò)展頻譜通信中的跳頻通信、直接序列擴(kuò)頻通信也屬于 非相干通信，與編碼頻域調(diào)制相比速率更低。擴(kuò)展頻譜通信可以實(shí)現(xiàn)碼分多址（CDMA）,在

7、多移動(dòng)平臺(tái)協(xié)同作業(yè)等交互 頻繁的網(wǎng)絡(luò)中可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的快速接入和并行的信息交互， 但同時(shí)帶來(lái)了遠(yuǎn)近效應(yīng)、碼同步等技術(shù)問(wèn)題。在海洋環(huán)境監(jiān) 測(cè)的應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)吞吐量較低，一般不采用CDMA技術(shù)。三、信道糾錯(cuò)碼技術(shù)糾錯(cuò)碼技術(shù)包括傳統(tǒng)的卷積碼、代數(shù)碼，及基于迭代譯 碼的turbo碼、低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC碼）。在水聲通信中， 為提高通信系統(tǒng)性能，應(yīng)采用基于迭代譯碼的糾錯(cuò)碼，即 turbo碼或者LDPC碼，這對(duì)通信機(jī)信號(hào)處理平臺(tái)研制提出一 定的要求。同時(shí)，迭代技術(shù)不只用于譯碼本身，在接收處理 中對(duì)解調(diào)、信道均衡、信道估計(jì)、信道糾錯(cuò)碼進(jìn)行聯(lián)合迭代 處理，即turbo均衡技術(shù)，可以提高整個(gè)接收機(jī)的性能，同 時(shí)對(duì)水聲通信機(jī)處理能力要求更高。四、水聲通信節(jié)點(diǎn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)技術(shù)涉及到換能器技術(shù)、低功耗硬件處理平臺(tái)、耐 壓水密結(jié)構(gòu)等。低功耗硬件處理平