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海洋论坛水声通信及组网的现状和展望

溪流之海洋人生2018-12-05 12:41:45
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水声

通信是海洋中无线信息传输的主要技术手段。水声通信技术在海洋环境监测、水下航行器/载人潜水器作业等方面有着广泛应用。水声通信及网络可灵活地用于不同的速率载荷、覆盖距离、水体深度、网络结构的情景,可广泛地应用于海洋环境观测,实现水下不同空间位置多个观测设备之间的信息交互。同时,水声信道传输状态多变、海洋作业环境恶劣,对通信算法和设备可靠性有较高要求,水声通信及组网成为目前的研究热点。水声通信网络在国外已有20a发展历史,开展较早且具有代表性的是美国的Seaweb网络。美国的Seaweb网络经过多年的试验,实现了多固定节点的组网、自适应节点路由初始化、潜艇和AUV的数据接入、利用固定节点对AUV定位、分簇网络等多种功能,在基于卫星浮标的远海观测网、港口近岸的水下侦查网络及军用水下航行器指令传输及定位等应用中展示了很好的应用效果和技术先进性。欧洲也开展了试验研究。

近年来,在国家“863”计划、军方、国家自然科学基金等支持下,我国水声通信领域在通信算法、通信机研制、网络协议仿真、组网应用试验、协议规范制定等方面取得长足进步。本文主要介绍面向海洋环境监测的水声通信网技术,并对未来的技术趋势进行展望。

一、水声通信及节点技术

水声通信信道是复杂的信道,信道带宽窄、传播速度慢、时变性强、频率选择性衰落、噪声严重等不利因素在水声通信信道中都很明显。如何针对水声信道特点,采取高性能、可实现的通信算法,是水声通信领域的关键问题。物理层主要解决利用信道进行点对点的可靠通信的问题,物理层技术方案主要包括调制解调和纠错码两部分内容。对于水声通信中的调制解调技术,一般根据接收端是否恢复原始载波相位可划分为相干通信和非相干通信。

⒈相干水声通信

相干通信需要在接收端恢复原始载波相位信息,一般应用于信道不太恶劣的情况。相干通信信道利用率高,一般超过1bps/Hz,即传输比特速率超过信道频率宽度。如果信道衰落严重,采用多阵元接收的方式获得空间分集。

相干水声通信根据发射载波数目,可划分为单载波调制和正交频分复用调制(OFDM)。在时变多径信道下,如果参数设置合理,采用最佳接收处理算法,二者性能基本一致。单载波的优势在于发射端不依赖信道状态信息,发射机工作效率高。OFDM的优势在于:频域均衡计算量小,利用加长符号周期可直接克服多径。如果OFDM在发射端载波间隔等参数不适合信道状态,将影响通信效果。二者结合实现优势互补,例如单载波发射频域均衡技术和多载波并行传输技术(一般4个或者8个载波)也是目前在研究的内容。

时间反转通信技术是针对水声信道特点的接收处理方法,用于多阵元接收,简化接收机复杂度。未来的时间反转通信研究将基于时变信道模型开展。

未来相干水声通信研究将针对水声信道特点,充分利用信道的空间特性、信道冲击响应稀疏特性、噪声突发特性,利用迭代技术,实现可靠的高阶调制通信,并降低计算复杂度,实现低信噪(混)比要求、低计算量、高传输速率的可靠水下通信。在国家“863”水声通信网项目中,采用单载波(中科院声学所)和OFDM(哈尔滨工程大学)两种相干通信方案,并对单载波调制时间反转技术(浙江大学)进行了研究。

⒉非相干水声通信

在非相干通信中,接收端不需要恢复原始载波相位信息。非相干通信可应用于信道较为恶劣的情况,一般采用单阵元接收即可。非相干通信信道利用率低,传输比特速率小于信道频率宽度,相对于相干通信每比特传输能耗大。在相干、非相干并存的通信系统中,大量数据传输一般优先采用相干通信。

非相干通信常见方式为编码频域调制,在接收端进行匹配滤波、平方率检测、纠错译码即可,算法简单,鲁棒性好。非相干通信技术相对成熟,国外商品化的水声通信机一直沿用非相干技术作为首要通信方式。在国家“863”水声通信网项目中,采用多进制卷积码、恒重码、开关键控调制(OOK)的方案作为信令、低速数据传输的方式,保证不同参加单位(中科院声学所、中船重工715所、哈尔滨工程大学)研制的水声通信机之间的互通。未来如各单位硬件平台能够支持,将采用基于多进制LDPC 码的非相干方案。

扩展频谱通信中的跳频通信、直接序列扩频通信也属于非相干通信,与编码频域调制相比速率更低。扩展频谱通信可以实现码分多址(CDMA),在多移动平台协同作业等交互频繁的网络中可实现多节点的快速接入和并行的信息交互,但同时带来了远近效应、码同步等技术问题。在海洋环境监测的应用中,网络吞吐量较低,一般不采用CDMA技术。

⒊信道纠错码技术

纠错码技术包括传统的卷积码、代数码,及基于迭代译码的turbo码、低密度奇偶校验码(LDPC码)。在水声通信中,为提高通信系统性能,应采用基于迭代译码的纠错码,即turbo码或者LDPC码,这对通信机信号处理平台研制提出一定的要求。同时,迭代技术不只用于译码本身,在接收处理中对解调、信道均衡、信道估计、信道纠错码进行联合迭代处理,即turbo均衡技术,可以提高整个接收机的性能,同时对水声通信机处理能力要求更高。

⒋水声通信节点技术

节点技术涉及到换能器技术、低功耗硬件处理平台、耐压水密结构等。低功耗硬件处理平台技术是制约节点工作时间、可靠性、处理性能的关键。另外,国外水声通信机还扩展了超短基线、长基线、声学释放器、声信号存储等功能,使用更加方便。水声通信节点的通信性能、工作可靠性、长期工作能力是水声通信能否实际应用的关键。

二、水声通信组网及应用

⒈水声通信组网

水声通信网络协议在物理层之上,解决多个节点之间数据传输的问题,主要研究内容包括媒体访问控制协议(MAC)、路由协议、同步和定位技术等。

用于水声通信网络中的竞争性媒体访问控制协议一般可分为以下三类:随机接入的Aloha协议、握手方式的MACAW协议、载波侦听冲突检测的CSMA/CS协议。CSMA/CS协议需要专门的侦听硬件和算法支持,一般用于吞吐量较大的组网中,在海洋环境监测组网中不常用。因而,对于海洋环境监测水声通信组网,如果数据较短,采用Aloha协议,发射端直接使用信道发送数据,收到正确应答即完成一次传输过程,避免握手带来的开销;如果数据较长,采用MACAW协议,在数据发射之前发送端利用握手信号占据信道使用权,保证传输不被其他节点干扰。

路由协议需根据网络的拓扑结构、数据产生的时间周期、数据流的方向、节点布放的灵活性来综合考虑。对于海洋环境监测,网络拓扑一般中心式拓扑结合多跳转发的结构,图1 所示是2014年5月南中国海试验的结构。数据传输一般在中心网关和观测节点之间发生,不要求任意两个观测节点之间的相互数据访问。中心网关向观测节点下发命令,观测数据按固定时间周期经观测潜标回传至中心网关。大部分观测节点为固定布放,允许移动节点接入。另外,水声信道的时变特点可能导致链路的短时中断,各节点的电量需要均衡使用,因而要求水声通信网络具有对路由表进行优化的能力。

图1 水声通信网试验的网络拓扑图

⒉应用情景分析

水声网络观测技术的应用情景主要有:

①海洋立体观测。在深海潜标的不同深度设置多个观测节点,在海底布设多个观测站,通过水声通信网络把各观测设备数据传输到主控器,再通过移动节点将数据取走或通过卫星将数据发送到岸站,解决了水下设备难以用电缆连接的问题。

②突发事态的海洋观测。在出现类似石油平台爆炸沉没、海上油田溢油、水下输油管泄漏等突发污染事故,以及赤潮爆发等突发生态事件时,采用水声网络观测技术可以快速响应,投放位置和传感器类型选择灵活,观测数据实时性和连续性好。

③港口要地安全监控。在敏感时期,可在港池、港口等要地的水下投放多个安全监控节点,加强安全监控力度。

④基于海底光电缆的水声通信观测网。在海底光电缆基础上,通过水声通信网络在垂直、水平方向延伸,扩大海底光电缆观测系统的覆盖范围和观测能力。

⑤水下多移动载体通信与定位网络。对于AUV等水下移动观测设备,实现网络化信息传输和定位。多个AUV可以实现协同组织进行观测,完成实时的数据融合和联合处理,可以实现编队运行达到特定的观测目的。

三、技术发展现状及趋势

⒈国内外技术对比

美国在水声通信技术方面处于国际领先地位,在水声通信产品研发、水声通信技术的应用等方面也都非常突出,主要创新多出自美国的研究团队。位于前列的国家还有德国、英国、法国、日本、加拿大等国。

国内水声通信领域的研究单位主要包括中国科学院声学研究所、中国船舶重工集团第715研究所、哈尔滨工程大学、浙江大学、厦门大学、西北工业大学、东南大学等,研究领域涉及水声通信与组网技术的各个方面,在“863”计划、军方、基金委等支持下开展了理论研究、样机研制和湖海试验,一些试验结果和国外水平相当。就总体而言,我国是滞后于美国等国家的,以跟踪国外研究为主,在一些技术点上有所创新。我国对水声信道模型的理论研究不够深入,在水声通信试验的开展和数据的分析中也不够充分。

美国和欧洲有多家节点生产商,形成了系列化的水声通信产品,广泛应用于民用和军事领域。我国还没有被用户广泛认可的水声通信产品。

⒉未来技术发展趋势

未来水声通信算法研究将会在时变信道的稀疏性、自适应迭代信号处理算法、先进的纠错码等方面形成技术优势。在节点应用方面,需要完善低功耗技术、降低换能器成本、提高节点信息融合能力,并结合应用形成系列化的产品。未来国内水声通信及组网的主要技术方向包括:

①近程高速水声通信节点与组网技术。研制作用距离在1~2km的近程高速水声通信节点,具备高处理能力、低功耗、小体积重量,集成定位信标和释放器功能。研究近程高速水声通信技术,重点提高在浅海信道下的性能,以满足浅海组网观测中大量数据的交互需要,研究优化组网协议和技术方案。

②远程和超远程低速通信技术。发展远程和超远程低速通信技术,提高通信距离和速率,研究与远程低速相适应的网络协议。

③与水声通信网能力相匹配的协同观测技术。由于水声通信网的信道容量有限,网络节点间可以交互的信息量较少,为此需要发展协同观测技术,提高观测站的数据预处理能力,从大量的原始数据中提取出少量的特征信息,这样才能够通过水声通信网达成协同观测的目标,充分发挥网络观测的协同优势。

④海上演示验证试验。结合海洋观测、安全防护等应用需求针对港口、近海、深海等不同试验海区类型开展海上演示验证试验,扩大网络规模和运行时间长度,使网络组成和任务使命复杂度更高,以充分检验网络观测的能力。将水声通信网与海底观测网相结合,实现水声通信网络与海底光电缆网络之间的更好衔接和优化,提高深远海观测网络的灵活性。

四、结语

水声通信和组网技术具有重要的科学、经济、社会及军事等方面的价值,目前还存在很多待攻克的难题,性能与可靠性还不能够满足应用需求。世界各国始终高度重视此领域的研究,因此水声通信和组网技术在很长时间内都将会是海洋领域的研究热点。鉴于其敏感性,我国必须发展自己的水声通信和组网技术。

我国已经研发出支持非相干通信和单载波相干通信的水声通信节点产品,开展了中小规模的水声组网试验,总体技术水平是滞后于美国等先进国家的,还需要在此领域持续深入研究。

【作者简介】本文作者/朱敏 武岩波,中国科学院声学研究所,第一作者朱敏,男,1971年出生,博士,研究员,主要从事海洋声学技术研究。本文来自《海洋技术学报》,参考文献略,用于学习与交流,版权归出版社与作者共同所有。

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