水下無線通信的類型及應用

水下無線通信的類型及應用

地球上的面積覆蓋著三分之二的地球表面。這是人類調查和研究的前沿之一。海洋不僅在國際商業(yè)和漁業(yè)中扮演重要的角色,而且還包含了有關氣候的信息,以及大量急待開發(fā)的資源。水下無線通信是研制海洋觀測系統(tǒng)的關鍵技術。借助海洋觀測系統(tǒng),可以采集有關海洋學的數據,監(jiān)測環(huán)境污染、氣候變化、海底異常地震火山活動,探查海底目標,以及遠距離圖像傳輸。水下無線通信在軍事中也起到至關重要的作用,而且水下無線通信也是水下傳感器網絡的關鍵技術。水下無線通信主要可以分成三大類:水下電磁波通信、水聲通信和水下光通信,它們具有不同的特性及應用場合。1離子型電導率的測定由于海水的導電性質,海水對電磁波起了屏蔽作用。海水中含多種元素,但在每升海水中含量超過1毫克的僅12種(除水中的氫和氧外),它們以多種形式存在,絕大多數處于離子狀態(tài),其中Na+,K+,Ca++,Mg++,SO4--,CO3--,Cl-,HCO3-8種離子占海水中溶質總量的99%以上,這是使海水成為導體的主要原因,其電導率隨海區(qū)鹽度、深度、溫度而不同,為3~5S/m,工程上一般取其平均值:4S/m,它高于純水的電導率5~6個數量級。所以對平面電磁波傳播而言海水是有耗媒質,這就決定了平面電磁波在海水中的傳播衰減較大。1.1海域間的傳播路徑這是一種世界各海軍國家傳統(tǒng)的軍用遠程單向通信,從發(fā)射到接收的海區(qū)之間的傳播路徑是在大氣層中,衰減較小,但從大氣層進入海面再到海面以下一定深度接收點的過程中,電磁波場強將急劇下降。這就決定了這類通信只能是遠距離的小深度的水下通信。(1)其他正演能量的能量通信的發(fā)端在大氣層中,其平面電磁波以垂直極化的形式(這是傳播損耗較小的傳播形式)在海面上傳播,其水平磁場在海面感應出水平電場,此水平電場以接近垂直的方向向下傳播,最后到達接收點。如圖1所示,海面上垂直極化平面電磁波的垂直電場分量為Ev,水平磁場分量為Hh,由Hh在海面上感應的二次場是一個水平電場分量Eh,Hh就是由大氣層進入海洋并向深處傳播的主要電場分量,而海面上的Ev和Hh繼續(xù)在大氣層中傳播。Ev和Hh的比值有以下關系:λ0:電磁波在自由空間的波長(m);σ:海水的電導率(S/m)。例如,工作頻率為10kHz,則λ0=30km,σ=4S/m,此比值約0.00037,即Eh比Ev小68.6dB。這說明電磁波從空氣中進入海面以下的能量是很少的。(2)衰減常數ff0水中的潛艇要接收的攜帶信號的電場正是上文中的Eh,設z=0為海面,z為海水深度(m),由大氣層進入海面的電場水平分量表示為Eh(0),則其向下(近似于垂直向下)傳播過程中的電場水平分量為:α≈(πfμ0σ)1/2為衰減常數,單位是奈培;β(πfμ0σ)1/2為相移常數,單位是弧度。其中f為工作頻率;μ0=4π×10-7H/m,(由于海水的磁導率μ實際上和自由空間的磁導率μ0接近,故通常取μ0作為海水的磁導率)。當Eh(z)衰減到Eh(0)的1/e時(e=2.1828…),稱此深度為穿透深度,以δ表示,δ=1/α,單位為m。可以看出,頻率愈高,衰減愈大,穿透深度愈小。如頻率為100Hz,穿透深度約為25m,每米衰減約0.34dB;頻率為10kHz,穿透深度僅為2.5m左右,每米衰減約3.4dB。為此,希望將電磁波信號送到較大深度時,就需要適當降低工作頻率。1.2x以下上世紀冷戰(zhàn)時期,美國和前蘇聯分別將岸對潛(艇)單向通信的工作頻率,從甚低頻的幾十千赫茲降到了超低頻的100Hz以下,從而實現了100m左右的收信深度。以上兩種方式的通信,發(fā)射設備的規(guī)模宏大,其占地面積以平方千米計,發(fā)射機輸出功率從幾百千瓦到數兆瓦,通信距離可達數千千米甚至超過萬米,但收信深度(潛艇能可靠接收信號時艇的水線深度)都較淺,甚低頻通信的收信深度僅幾米至幾十米,超低頻通信的收信深度也僅百米左右。1.3接收方與水中的微波通信當發(fā)、收雙方的天線均在海水中時,電磁波可能的傳播路徑有四種,如圖2所示。1.天線上的電流僅能觀察到近區(qū)場,即利用近區(qū)場通信。在波源附近場強隨距離增大而急劇衰減,在一定范圍內場強近似與距離的立方成反比衰減,這是目前能用作水中短距離通信的區(qū)域。設天線長度為l;天線電流為I,天線上的電流分布均勻。當l遠小于周圍海水深度時,問題可簡化為無限大有耗媒質中的水平電偶極子,可以解得各近場分量,其中水平面內極坐標中的兩電場分量為此處,Eφ:電場的φ分量;Eρ:電場的徑向分量;Il:電流矩;φ:相對于天線軸線(x軸)的方位角;σ:海水電導率;ρ:收發(fā)間距離:k:傳播常數,ω:工作角頻率。這是工程上計算近區(qū)場的近似表示式。2.海洋或海面反射的傳播路徑因幅度過小,暫未能利用。3.空氣中較明顯的傳播路徑波離開波源穿過海面向周圍傳播,在沿海面?zhèn)鞑ミ^程中,如前所述,不斷有小部分能量又進入海中,并向下傳播至接收點。由于在大氣中的傳播衰減小,所以這種傳播路徑的特點是收發(fā)雙方愈接近海面時觀察到的場強愈大。給出海面水平單位電流矩的近場電場分量為其中是海水中的傳播常數;為空氣中的傳播常數;d為發(fā)射天線所處深度;z為深度;ρ為水平距離。4.海底輻射加壓縮dshs傳播路徑只要海底地質結構的電導率遠低于海水,這種傳播路徑將與上越下傳播路徑相似,向下傳播的波進入海底,一部分在海底沿海底與海水的交界面橫向傳播,并不斷有一小部分能量向上進入海水中而被觀察到。由于海底的電導率小于海水的電導率,波在海底傳播過程中的衰減較在海水中傳播的衰減小,所以源和觀察點愈接近海底,觀察到的場強愈大,就總的傳播路徑衰減而言,它優(yōu)于第一種傳播路徑而僅次于第三種傳播路徑。收發(fā)雙方皆在海水中的電磁波通信,雖然由于傳播衰減較大,使得通信距離較短,但受水文條件影響卻甚微,通信顯得相當穩(wěn)定,而且可以穿透如防波堤之類的水中物體。2006年6月,WirelessFibreSystems發(fā)布了首款商用水下射頻調制解調器S1510;2007年1月,發(fā)布了寬帶水下射頻調制解調器S5510,該調制解調器在1m的范圍內,數據傳輸率達到了1~10Mbit/s。2m/s的配電條聲波在海面附近的典型傳播速率為1520m/s,比電磁波的速率低5個數量級。與電磁波和光波相比較,聲波在海水中的衰減小得多,因此,水聲是一種有效的水下通信手段。2.1聲信道的特點水聲通信系統(tǒng)的性能受復雜的水聲信道的影響較大。水聲信道是由海洋及其邊界構成的一個非常復雜的介質空間,它具有內部結構和獨特的上下表面,能對聲波產生許多不同的影響。水聲信道影響通信的主要特性如下所述。1.擴展引起聲能擴散傳播損失是由于聲能擴展和衰減所引起的損失之和。擴展損失主要是由于波陣面的擴展引起聲能的擴散。常見的幾何擴展有兩種:球面擴展和柱面擴展。球面擴展主要發(fā)生在深水通信中,而柱面擴展主要發(fā)生在淺水通信中。衰減損失包括吸收、散射和聲能泄露。聲能量的吸收表現為海水介質吸收和界面介質(如海底)的吸收。2.噪聲單位的噪聲海洋中有許多噪聲源,包括潮汐、湍流、海面波浪、風成噪聲、地震、火山活動和海嘯產生的噪聲、生物噪聲、行船及工業(yè)噪聲等。噪聲的性質與噪聲源有密切的關系,在不同的時間、深度和頻段有不同的噪聲源。3.路徑和路徑對聲波的影響由于介質空間的非均勻性,水聲信道必然存在多徑現象,也就是說在一定波束寬度內發(fā)出的聲波可沿幾種不同的路徑到達接收點。聲波在不同路徑中傳播時,由于不同路徑長度的差異,到達該點的聲波能量和時間也不相同,從而引起信號的衰落,造成波形畸變,并且使得信號的持續(xù)時間和頻帶被展寬。由于海水中內部結構(如內波、水團、湍流等)的影響,多徑結構通常是時變的。在數字通信系統(tǒng)中,多徑效應造成的碼間干擾(ISI)是影響水聲通信數據傳輸率的主要因素。4.軍合成數字視頻電話系統(tǒng)sdcs水聲信道一個十分復雜的多徑傳輸的信道,而且環(huán)境噪聲高、帶寬窄、可適用的載波頻率低以及傳輸的時延大。為了克服這些不利因素,并盡可能地提高帶寬利用效率,已經出現多種水聲通信技術。(1)單邊帶調制技術。世界上第一個水聲通信系統(tǒng)是美國海軍水聲實驗室于1945年研制的水下電話,主要用于潛艇之間的通信。該模擬通信系統(tǒng)使用單邊帶調制技術,載波頻段為8~11kHz,工作距離可達幾公里。(3)相移鍵控(PSK)。上世紀80年代初,水下聲通信中開始使用相移鍵控調制方式。相移鍵控系統(tǒng)大多使用差分相移鍵控方式(DPSK)進行調制,接收端可以用差分相干方式解調。采用差分相干的差分調相不需要相干載波,而且在抗頻漂、抗多徑效應及抗相位慢抖動方面都優(yōu)于采用非相干解調的絕對調相,但由于參考相位中噪聲的影響,抗噪聲能力有所下降。近年來,水聲通信在以下兩個方面取得了很大的進步:(4)多載波調制技術。(5)多輸入多輸出(MIMO)技術。目前已有多家公司(例如:LinkQuest,DSP-COMM和Tritech)生產商用水下聲調制解調器。3水下光調制技術海水對藍綠光的衰減比對其它波段光的衰減要小很多,這使得利用藍綠光進行水下無線光通信成為可能。水下光通信的最大優(yōu)勢是可能提供超過1Gbit/s量級的數據傳輸率。然而也存在一些制約水下光通信性能的因素:(1)水對光信號的吸收很嚴重;(2)水中的懸浮粒子和浮游生物使光產生嚴重的散射作用;(3)水中的環(huán)境光對光信號的干擾。到目前為止,還沒有商用的水下光調制解調器。近年來,來自水下傳感器網絡和海底探測的需求,極大地促進了短距離高速率的水下光通信技術的發(fā)展。例如,一種水下光調制解調器原型機已用于深海海底探測。在實驗室環(huán)境中,傳輸距離為2m的情況下,水下光通信的數據傳輸率達到了1Gbit/s。4水下無線通信的發(fā)展趨勢水下無線通信有三大類:水下電磁波通信、水聲通信和水下光通信,它們具有不同的特性及應用場合。雖然電磁波在水中的衰減較大,但受水文條件影響甚微,使得水下電磁波通信相當穩(wěn)定。水下甚低頻和超低頻單向通信適用于軍用岸對潛(艇)通信;水下高頻通信適用于短距離的水下無線通信。水下電磁波通信的發(fā)展趨勢為:既要提高發(fā)射天線輻射效率,又要增加發(fā)射天線的等效帶寬,使之在增加輻射場強的同時提高傳輸速率;應用微弱信號放大和檢測技術、抑制和處理內部和外部的噪聲干擾,優(yōu)選調制解調技術(尤其重視已調波在頻域上能量高度集中的調制方法)和編譯碼技術來提高接收機的靈敏度和可靠性。此外,已有些學者在研究超窄帶理論與技術,力爭獲得更高的頻帶利用率;也有學者正尋求能否突破香農極限的科學依據。由于聲波在水中的衰減最小,水聲通信適用于中長距離的水下無線通信。在目前及將來的一段時間內,水聲通信是水下傳感器網絡當中主要的水下無線通信方式。但是水聲通信技術的數據傳輸率較低,因此通過克服多徑效應等不利因素的手段,達到提高帶寬利用效率的目的將是未來水聲通信技術的發(fā)展方向。水下光通信具有數據傳輸率高的優(yōu)點,但是水下光通信受環(huán)境的影響