水聲通信技術的發(fā)展及特性分析

本文主要分析了水聲通信技術的基礎內(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。列出了水聲通信系統(tǒng)的研究進展，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，到了電氣信息時代，產(chǎn)生了現(xiàn)代化的通信手段?，F(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)，這是因為電磁波在水這種介質(zhì)中衰落特別嚴重，導致無線電通信系統(tǒng)根本無法在水下應用。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到通信的要求，因此就催生出了水下聲波通信技術。

作為一個通信系統(tǒng)，水下聲波通信技術具有通信系統(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)使用電磁波實現(xiàn)通信，而水聲通信系統(tǒng)使用聲波實現(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、水聲通信技術的發(fā)展概述

1914年英國海軍部隊將研制成功的水聲電報系統(tǒng)安裝在巡洋艦上，這可以看做是水聲通信技術的開端。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用在潛艇之間的通信上［1］。到了20世紀70年代，隨著軍事和民用對水聲通信技術需求的提高，并且電子信息技術也迅速發(fā)展，數(shù)字調(diào)制技術開始應用在水聲通信系統(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。數(shù)字通信技術的優(yōu)點提高了水聲通信系統(tǒng)的傳輸速率和可靠性。

20世紀90年代至今，數(shù)字信號處理技術不斷發(fā)展，一些新技術也應用在水聲通信系統(tǒng)中，包括空間分集、碼分多址、擴頻技術、水下多載波調(diào)制技術、多輸入多輸出技術、水下通信網(wǎng)絡技術等。因此水下通信技術已經(jīng)開始從點對點的物理層通信，往多個節(jié)點之間數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡通信方向發(fā)展。

水聲通信技術從最初應用于軍事領域，提供水下目標的探測、定位和識別等服務，發(fā)展到提供通信、導航等服務階段。隨著人類海洋活動的增加和對海洋資源利用程度的提高，水聲通信技術開始應用于民用領域，為海上科學考察、水下資源探測等人類活動提供服務。也正是這些軍事和民用需求推動了水下通信技術的發(fā)展，讓水下通信技術朝著更完善、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、水聲通信技術的特點

水聲信號傳播的信道包括水體、海面和海底，而水聲通信技術的特點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、頻的變化而隨機變化，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。

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

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

（3）多普勒效應。由于接受端與發(fā)射端的相對運動，使得接受信號的頻率發(fā)生變化。除了通信設備的相對運動外，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散。由于水聲信號的傳播速度低，使得同樣運動速度時水聲通信中多普勒效應比無線電通信中嚴重十萬倍［2］。

對于接近或離開目標，多普勒頻移的表達式如下

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，聲波速度和目標速度可比，所以多普勒頻移就不可以忽略。

（4）多徑效應。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)過不同路徑到達的多個信號。在不同深度的水體中，多徑效應的時延也不同，在深海信道中時延可達幾秒，在淺海信道中時延也有幾十毫秒。多徑效應還與發(fā)射端與接收端的相對位置有關，以海底平面為參考，垂直信道的多徑效應弱，水平信道的多徑效應強。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擾，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，使得水聲通信技術具有傳播速率低、時延大、誤碼率高、可靠性低、帶寬有限、功耗高，體積大等特點。

4 水聲通信技術的研究進展

4.1 非相干水聲通信技術

20世紀70年代后，數(shù)字調(diào)制逐漸取代模擬調(diào)制，成為水聲通信技術主要的調(diào)制方式。非相干通信技術主要是利用鍵控的方式進行調(diào)制，由于頻移鍵控（FSK）調(diào)制技術的通信數(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)利用多進制頻移鍵控（MFSK）進行調(diào)制，在200m左右的距離上實現(xiàn)了1.2kbps的水聲通信速率。

4.2 相干水聲通信技術

相干通信技術主要包括相移鍵控（PSK）、差分相移鍵控（DPSK），其帶寬利用率比非相干通信技術提高了一個數(shù)量級［4］。20世紀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，采用多相移鍵控（MPSK）信號，空間分集、自適應均衡器、糾錯編碼和多普勒補償?shù)燃夹g。

4.3 多載波水聲通信技術

以正交頻分復用（OFDM）為代表的多載波水聲通信技術將高速串行信號轉(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的Shengli Zhou等人提出了補零OFDM水聲通信方案，實現(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

多輸入多輸出技術（MIMO）利用信號在信道中多徑傳播的特性來實現(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［5］，因此這也是當前高速率水聲通信技術的發(fā)展趨勢之一。

編碼技術可以提高通信系統(tǒng)的糾錯性能，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（LDPC）碼［6］，應用在水聲通信系統(tǒng)中可以明顯提高通信質(zhì)量。

擴頻技術信號所占用的帶寬遠大于原始信號帶寬，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的重要發(fā)展方向。

5、結(jié)語

水聲通信技術的理論已經(jīng)比較成熟，而在具體實現(xiàn)中還存在一些問題。雖然水聲通信技術已經(jīng)取得了長足的進展，但要實現(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，還需要MIMO技術、編碼技術、擴頻技術等技術的結(jié)合與實現(xiàn)，還有一段路要走。

參考文獻

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

［2］ 朱敏，武巖波。 水聲通信技術進展［J］。 中國科學院院刊，2019，34（3）：289-296.

［3］ 佟宏偉。 水聲通信技術的調(diào)查研究［J］。 科技經(jīng)濟導刊，2018，26（35）：20.

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

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

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