水声通信技术

水声通信技术

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。

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。

一、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。

二、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。

三、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。

四、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。