水聲通信技術(shù)的發(fā)展及特性分析

本文主要分析了水聲通信技術(shù)的基礎(chǔ)內(nèi)容。引出其作為通信系統(tǒng)所具有的一般結(jié)構(gòu)，分析了其與無線電通信系統(tǒng)的主要區(qū)別。介紹了水聲通信技術(shù)的發(fā)展歷程，分析了水聲通信系統(tǒng)由于水聲信道的特性而表現(xiàn)出的特點(diǎn)。列出了水聲通信系統(tǒng)的研究進(jìn)展，得出水聲通信系統(tǒng)已經(jīng)取得了發(fā)展，但任需要完善的結(jié)論。

1、引言

海洋面積占據(jù)著地球總面積的71.8%，因此如何在海上通信是人們很自然就會提出的問題。原始的海上通信方式包括烽火、信號彈、旗語等，到了電氣信息時(shí)代，產(chǎn)生了現(xiàn)代化的通信手段。現(xiàn)在的海上通信包括水上通信和水下通信兩種形式。由于海上通信主要是船艦、潛艇等移動物體之間的通信，因此主要是無線通信，不考慮有線通信。而水上無線通信環(huán)境完全相似與陸地的無線通信環(huán)境，因此完全可以使用無線電通信系統(tǒng)。但水下無線通信卻不能再使用無線電通信系統(tǒng)，這是因?yàn)殡姶挪ㄔ谒@種介質(zhì)中衰落特別嚴(yán)重，導(dǎo)致無線電通信系統(tǒng)根本無法在水下應(yīng)用。后來人們發(fā)現(xiàn)聲波這種信號在水中的傳播距離可以達(dá)到通信的要求，因此就催生出了水下聲波通信技術(shù)。

作為一個(gè)通信系統(tǒng)，水下聲波通信技術(shù)具有通信系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)，因此跟無線電通信系統(tǒng)相比，它們的唯一區(qū)別就是通信所使用的波的種類不同，無線電通信系統(tǒng)使用電磁波實(shí)現(xiàn)通信，而水聲通信系統(tǒng)使用聲波實(shí)現(xiàn)通信。無線電通信系統(tǒng)使用天線發(fā)送和接收電磁波，水聲通信系統(tǒng)使用換能器在發(fā)送端將電信號轉(zhuǎn)換成聲波信號，在接收端將聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號。水聲通信系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 水聲通信系統(tǒng)

2、水聲通信技術(shù)的發(fā)展概述

1914年英國海軍部隊(duì)將研制成功的水聲電報(bào)系統(tǒng)安裝在巡洋艦上，這可以看做是水聲通信技術(shù)的開端。第二次世界大戰(zhàn)后的1945年，美國海軍將研制的水下電話應(yīng)用在潛艇之間的通信上［1］。到了20世紀(jì)70年代，隨著軍事和民用對水聲通信技術(shù)需求的提高，并且電子信息技術(shù)也迅速發(fā)展，數(shù)字調(diào)制技術(shù)開始應(yīng)用在水聲通信系統(tǒng)中，而在此之前水聲通信系統(tǒng)主要使用模擬調(diào)制技術(shù)。數(shù)字通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)提高了水聲通信系統(tǒng)的傳輸速率和可靠性。

20世紀(jì)90年代至今，數(shù)字信號處理技術(shù)不斷發(fā)展，一些新技術(shù)也應(yīng)用在水聲通信系統(tǒng)中，包括空間分集、碼分多址、擴(kuò)頻技術(shù)、水下多載波調(diào)制技術(shù)、多輸入多輸出技術(shù)、水下通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。因此水下通信技術(shù)已經(jīng)開始從點(diǎn)對點(diǎn)的物理層通信，往多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)通信方向發(fā)展。

水聲通信技術(shù)從最初應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，提供水下目標(biāo)的探測、定位和識別等服務(wù)，發(fā)展到提供通信、導(dǎo)航等服務(wù)階段。隨著人類海洋活動的增加和對海洋資源利用程度的提高，水聲通信技術(shù)開始應(yīng)用于民用領(lǐng)域，為海上科學(xué)考察、水下資源探測等人類活動提供服務(wù)。也正是這些軍事和民用需求推動了水下通信技術(shù)的發(fā)展，讓水下通信技術(shù)朝著更完善、更全面的立體和智能方向發(fā)展。

圖2 立體化水聲通信系統(tǒng)

3、水聲通信技術(shù)的特點(diǎn)

水聲信號傳播的信道包括水體、海面和海底，而水聲通信技術(shù)的特點(diǎn)主要是由水聲信道的特性決定的。水聲信道是隨參信道，其特性參數(shù)隨著空、時(shí)、頻的變化而隨機(jī)變化，水聲信道模型如圖3所示。

圖3 水聲信道模型

水聲信道的特性主要包括以下幾點(diǎn)。

（1）起伏效應(yīng)。由于海面的隨機(jī)運(yùn)動、海底的隨機(jī)不平整、水體的非均勻性，因此信道不僅在空間上分布不均勻，而且是隨機(jī)時(shí)變的，水聲信號在這樣的信道中傳播也是隨機(jī)起伏的。

（2）時(shí)變效應(yīng)。由于海水中內(nèi)波、水團(tuán)、湍流以及通信目標(biāo)相對位置的改變等的影響，水聲信道表現(xiàn)出時(shí)變性。并且由于水聲信號的傳播速度低、通信碼元的周期較長，使得信道的時(shí)變性對通信的影響更為明顯。

（3）多普勒效應(yīng)。由于接受端與發(fā)射端的相對運(yùn)動，使得接受信號的頻率發(fā)生變化。除了通信設(shè)備的相對運(yùn)動外，起伏的海面、不平整的海底對水聲信號的反射，水中湍流對水聲信號的折射等也會引入多普勒頻移，使得接收端的多普勒頻移不是單一的，而造成多普勒頻移擴(kuò)散。由于水聲信號的傳播速度低，使得同樣運(yùn)動速度時(shí)水聲通信中多普勒效應(yīng)比無線電通信中嚴(yán)重十萬倍［2］。

對于接近或離開目標(biāo)，多普勒頻移的表達(dá)式如下

度相比于無線電波速度很小，因此多普勒頻移很小可以忽略。而在水聲通信系統(tǒng)中，聲波速度和目標(biāo)速度可比，所以多普勒頻移就不可以忽略。

（4）多徑效應(yīng)。發(fā)射端發(fā)射的水聲信號會沿著不同的路徑傳播，接收端將先后接收到同一信號經(jīng)過不同路徑到達(dá)的多個(gè)信號。在不同深度的水體中，多徑效應(yīng)的時(shí)延也不同，在深海信道中時(shí)延可達(dá)幾秒，在淺海信道中時(shí)延也有幾十毫秒。多徑效應(yīng)還與發(fā)射端與接收端的相對位置有關(guān)，以海底平面為參考，垂直信道的多徑效應(yīng)弱，水平信道的多徑效應(yīng)強(qiáng)。多徑信道會使水聲信號出現(xiàn)拖尾，影響下一碼元的幅值而造成碼間串?dāng)_，多徑信道還有頻率選擇性衰落的特性，是無線通信系統(tǒng)面臨的最嚴(yán)峻的問題。

（5）環(huán)境噪聲。海洋中存在許多噪聲源，包括海面波浪、生物等引起的自然噪聲和行船、工業(yè)等引起的人工噪聲，這些不同的噪聲具有不同的噪聲級、占據(jù)不同的頻率，對水聲信號造成不同程度的影響。

（6）信道帶寬小。由于海水對聲波信號的吸收衰減隨頻率指數(shù)上升，這就導(dǎo)致水聲信號只能使用低頻信號，因此通信速率也比較低。另一方面，由于換能器帶寬的限制，水聲通信主要使用低頻信號。

由于水聲信道的這些特性，使得水聲通信技術(shù)具有傳播速率低、時(shí)延大、誤碼率高、可靠性低、帶寬有限、功耗高，體積大等特點(diǎn)。

4 水聲通信技術(shù)的研究進(jìn)展

4.1 非相干水聲通信技術(shù)

20世紀(jì)70年代后，數(shù)字調(diào)制逐漸取代模擬調(diào)制，成為水聲通信技術(shù)主要的調(diào)制方式。非相干通信技術(shù)主要是利用鍵控的方式進(jìn)行調(diào)制，由于頻移鍵控（FSK）調(diào)制技術(shù)的通信數(shù)據(jù)可靠性較高，因此最為常用［3］。1981年美國麻省理工大學(xué)和伍茲霍爾海洋研究聯(lián)合開發(fā)的水聲通信系統(tǒng)利用多進(jìn)制頻移鍵控（MFSK）進(jìn)行調(diào)制，在200m左右的距離上實(shí)現(xiàn)了1.2kbps的水聲通信速率。

4.2 相干水聲通信技術(shù)

相干通信技術(shù)主要包括相移鍵控（PSK）、差分相移鍵控（DPSK），其帶寬利用率比非相干通信技術(shù)提高了一個(gè)數(shù)量級［4］。20世紀(jì)90年代美國Scripps海洋研究所發(fā)展出了單載波相干通信技術(shù)，采用多相移鍵控（MPSK）信號，空間分集、自適應(yīng)均衡器、糾錯(cuò)編碼和多普勒補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。

4.3 多載波水聲通信技術(shù)

以正交頻分復(fù)用（OFDM）為代表的多載波水聲通信技術(shù)將高速串行信號轉(zhuǎn)化為低速并行信號，增加了碼元持續(xù)時(shí)間，降低了帶寬，有利于在多徑信道中傳輸。2005年美國康涅狄格大學(xué)的Shengli Zhou等人提出了補(bǔ)零OFDM水聲通信方案，實(shí)現(xiàn)了2.5km距離22.7kbps的水聲通信速率，且誤碼率低于。

4.4 其他技術(shù)

多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）利用信號在信道中多徑傳播的特性來實(shí)現(xiàn)高速、可靠、多端通信。由于其具有提高信道容量、抗衰落、降低誤碼率等特點(diǎn)［5］，因此這也是當(dāng)前高速率水聲通信技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。

編碼技術(shù)可以提高通信系統(tǒng)的糾錯(cuò)性能，降低通信系統(tǒng)的誤碼率。編碼方式包括RS碼、卷積碼、Turbo碼、低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC）碼［6］，應(yīng)用在水聲通信系統(tǒng)中可以明顯提高通信質(zhì)量。

擴(kuò)頻技術(shù)信號所占用的帶寬遠(yuǎn)大于原始信號帶寬，但其具有抗多徑和抗干擾能力，并且可以在低信噪比的條件下保證通信質(zhì)量，因此也是水聲通信技術(shù)的重要發(fā)展方向。

5、結(jié)語

水聲通信技術(shù)的理論已經(jīng)比較成熟，而在具體實(shí)現(xiàn)中還存在一些問題。雖然水聲通信技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)更快的通信速率、更高的通信質(zhì)量、更完善的通信網(wǎng)絡(luò)，還需要MIMO技術(shù)、編碼技術(shù)、擴(kuò)頻技術(shù)等技術(shù)的結(jié)合與實(shí)現(xiàn)，還有一段路要走。

參考文獻(xiàn)

［1］ 翟逢重，宋宏，黃豪彩等。 海洋技術(shù)教程［M］。 浙江：浙江大學(xué)出版社，2012：257-259.

［2］ 朱敏，武巖波。 水聲通信技術(shù)進(jìn)展［J］。 中國科學(xué)院院刊，2019，34（3）：289-296.

［3］ 佟宏偉。 水聲通信技術(shù)的調(diào)查研究［J］。 科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2018，26（35）：20.

［4］ 李鵬。 現(xiàn)代水聲通信技術(shù)發(fā)展探討［J］。 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018，22：144-145.

［5］ 杜慶偉。 無線通信中的移動計(jì)算［M］。 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2016：104.

［6］ 王海斌，汪俊，臺玉朋，張仁和。 水聲通信技術(shù)研究進(jìn)展與技術(shù)水平現(xiàn)狀［J］。 信號處理，2019，35（9）：1441-1449.