水声通信网络浅析

水声通信网络浅析 摘要：随着现代信息技术的飞速发展，覆盖了地面、空中、太空、水面的立体信息网已经形成并为各国的通讯、交通、资源调查、国防等各项业务服务。近年来，随着世界各国海洋开发步伐的加快，发达国家开始对水下声通信网进行研究。水声通信网络（UWN）承担着探测、数据通信的重要使命。它通常由海底传感器、自主式水下运载器（AUV）和水面站组成，水面站可进一步与Internet等主干网连接，在这种环境中人们可以从多个水下远程设备提取实时数据，并把控制信息传递给各个设备。本文将介绍水声通信网络的发展现状、关键技术、具体应用及发展前景。 关键词：水声通信网络  发展现状  AUV  1.发展现状 目前陆上与空中的有线及无线通信已经很成熟，但是水下无线通信仍处于研究与试用阶段。随着人类对海洋探索、开发的不断深入，无论是军用领域还是民用领域，都对水下通信有着极大的需求。 尽管在水下可以使用电缆、光缆等有线方式进行通信，但是这些方式中节点无法移动，适用对象极其有限。电磁波在水下的衰减很大，要想在水中传播很远的距离就必须采用很低的频率，这就要求很高的传输能量和很长的天线，通常是难以实现的。目前水下通信方式主要有长波通信、水下激光通信、中微子通信、水声通信等。长波通信所需设备体积庞大，价格昂贵，通信效率低，目前主要用于基地与潜艇之间的远程通信；水下激光通信目前主要研究蓝绿激光水下通信系统，其穿透海水能力强，可实现基地与下潜400米以上的潜艇的通信，通信频带宽，数据传输能力强，但是灵活性不够；中微子通信是近年来新兴的技术，比较复杂，目前还仅仅停留在实验室阶段[2]。声波是惟一一种能在水介质中进行长距离传输的能量形式。水声通信是目前水下最合适的通信方式，得到了各发达国家研究机构和军方的高度重视。最早的水声通信可以追溯到20世纪50年代针对模拟数据的幅度调制（AM）和单边带（SSB）水下电话。随着VLSI（very large scale intergration，超大规模集成电路）技术的发展，在80年代早期水下数字频移键控（FSK）技术得到应用，它对信道的时间、频率扩散有一定的鲁棒性。80年代后期出现了水声相干通信，与非相干通信相比，水声相干通信技术可以提高有限带宽水声信道的带宽效率，但是由于水声信道的传播特性恶劣，水声相干通信刚开始并不被接受。90年代DSP（digital signal processing，数字信号处理）芯片技术和数字通信理论的发展使许多复杂信道均衡技术均可以实现，带动了水声相干通信技术的发展，并促使其开始转向对水平信道通信的研究。水下通信发展的一个里程碑式的关键环节是水下声学调制解调器的出现。最早的水下声学网络应用概念是1993年美国提出的自主海洋采样网（AOSN）。美国自1998 年起开始了称为“海网（SeaWeb）”的年度实验， 意在验证水下声学网络的概念与实际使用效果。 2. 水声通信网络的特点与拓扑 水声通信网络的节点有以下几个特点：第一，移动性，因此必须是能够自组织的自主网络， 遵循一定的网络路由方式；第二，由于采用水下无线通信方式，因此必须能够自适应海洋环境特性，能够解决物理层的技术挑战；第三，由于采用电池供电，所以能量受到限制；第四，具有数据传播功能，可把监测数据传达到岸上。 参照陆上无线传感器网络， 水声通信网络的拓扑可分为两大类: 中心化的网络（centralized network）和分布式的对等网络（distributed peer-to-peer network）。 在中心化网络中， 节点之间的通信是经过中心节点实现的，并且网络通过这个中心节点接入骨干网。这种配置的主要缺点就是存在单一故障点， 即这个节点的失效将导致整个网络的失效。同时由于单个调制解调器的作用距离有限，整个网络的覆盖范围也就有限。 对等网络中没有中心节点， 每个节点具有较为平等的权限。根据路由方式的不同，对等网络又分为完全连接的对等网络和多跳对等网络。完全连接的对等网络为网络中的任意两个节点提供直接“点到点”连接，这样的拓扑减少了对路由的需求。然而当节点分散在很大的区域时，通信所需的功率也随之大大地增加，并且还会产生“远近”问题，即当一个节点A 正在往远端的某节点发送数据包时， 会阻碍与节点A 相邻的节点接收其他信号。多跳对等网络则仅在相邻节点之间进行通信， 一个信息从源到达目的地经过节点间的多次跳接来完成。多跳对等网络的作用距离取决于节点的数量，而不再受限于单个调制解调器的作用距离，因此可以覆盖较大的区域。 事实上水下传感器网络应该是一种中心化网络和对等网络的混合体。网络拓扑决定了网络的路由方式、能量损耗、网络容量和可靠性。 3. 水声通信网络的分层与各层功能 为了对数据进行有效和可靠的传输， 水声通信网络必须遵循一定的网络协议。水声通信网络主要包括物理层、数据链路层和网络层。 3.1物理层要解决怎样利用传输介质的特性（即信道特性）和相应的调制、编码方法，使数据进行有效的传输。在发射端要把信息比特变成信道能够传输的信号（声信号），在接收端又要把介质中的信号变回信息比特， 这主要涉及三方面的问题：媒体转换（如电声信号变换）、频带利用效率、信道适应性。 3.2数据链路层要解决的是多个用户怎样合理有效地利用信道的问题，即媒体访问控制（MAC），主要涉及媒体访问方式和纠错控制两方面。 3.3网络层要解决的是路由问题， 重要功能有邻居发现、分组路由、拥塞控制和网络互连等。网络层没有传输错误检测和纠正机制，必须依赖数据链路层的端到端的可靠传输服务。水声通信网络中路由协议的设计目标是快速、准确、高效、可扩展性好。 4. 自主式水下运载器（AUV） 4.1水下机器人概述 水下机器人是一个水下高技术仪器设备的集成体。它除集成有水下机器人载体的推进、控制、动力电源、导航等仪器、设备外,还需根据应用目的的不同,配备声、光、电等不同类型的探测仪器。这样,水下机器人可以作为人类进行水下研究、观测和作业的动态实验室平台,作为人类智能和各种感官、器官在水下的延伸,去完成人类肌体无法直接达到的各种水 下环境的探索任务。 水下机器人可分为两种基本类型, 即“自治式水下机器人”和“遥控式水下机器人”。“自治式水下机器人”, 国际上统称为AUV (Autonomous Underwater Vehicle) ,它是根据各种传感器的测量信号,由机器人载体上携带的智能决策系统自治地指挥、完成各种机动航行、动力定位、探测、信息收集、作业等任务,其与岸基和船基支撑基地间的联络通常是靠水声通信来完成。 4.3通信声纳用于AUV 的情况 目前已开发出许多可用的先进技术,例如,俄罗斯、白俄罗斯和美国的研究单位已研制出低误码率、高可靠性、基于扩谱通信体制的水下通信系统。但比特率仅达10 - 20bp s ,误码率最低可达10 - 7 以下,传送距离可达几十至几百公里。而高速通信声纳或调制解调设备多使用相干或非相干调制技术、自适应均衡抗多途技术及纠错码技术等多种技术的联合。试验样机的通信速率最高可达8K - 10Kbp s ,传送距离最远可达10Km ,误码率最低可达10 - 4 以下。典型的产品有美国Bent hos 公司的ATM - 871/ 870、891/ 880 (上端) 和ATM - 875/ 877、885/ 887 (下端) ,最大1200/ 2400bp s ; 法国ORCA Inst rument s 生产的MATS12/ MATS53 (20 - 2400bp s/ 20 - 4800bp s) 。 4.3水下机器人在军事上的应用情况 水下机器人很早就用于侦察、监听等军事目的，近来，随着世界形势的发展，美国海军水下机器人的应用情况是其在军事上应用的缩影，美国海军正在研发一系列的水下机器人，组建世界第一支水下无人舰队。 4.4启示 世界三分之二是海洋，人们对海洋的探知从来没有停止过，水下机器人的应用使人们对海洋的认识达到了新的高度。在军事领域，水下机器人的作用也越来越广，预计美国海军将建成一支真正意义上的水下无人舰队，以满足其全球战略的需要。这应该引起我们的重视，适时开展该项技术的研究、开发和利用，以满足未来海洋战略的需要。在我国，水下机器人在海洋勘探、海洋工程、水下救助以及水下勘测和检测等方面的研究应用从来没有停止过，也产生了较好的经济和社会效益。为了尽快缩小与国外特别是美国海军的差距，适应国际形势，满足国家海洋战略的需求，应该积极发挥地方工业部门的作用，重新整合他们的力量，也就是要做到组织、人员和设备的“三落实”。 5.发展前景 水声通信与水声网络技术必将在人类探索海洋、认识海洋和开发海洋中发挥越来越重要的作用。未来的水声通信网既町以获取大范围的海洋信息，也可以快速、便捷地传递、控制和管理各种信息。建它一个庞大的全球海洋温度、海流、潮汐数据和资源监测网络，并能实现数据的可靠实时传输，将对人类认识海洋、预警灾害性气候、环境保护等方面发挥非常重要的作用，无论在军事或是民用上都具有重要的应用前景。主要的应用领域： (1)水声反潜网络； (2)水下潜器的命令和数据传送； (3)水声网络的协作传输与探测技术； (4)网络化海洋环境监测和灾害预警。 参考文献： 1.朱昌平等.水声通信基本原理与应用.北京：电子工业出版社，2009. 2. 郑君杰，阮鲲，李延宾，林璐等.水声通信网络问题研究【J】. 电信科学 , Telecommunications Science, 编辑部邮箱 2009年 10期 . 3.陈威. 水声通信网及多址接入技术的研究 【D】 .厦门：厦门大学，2008. 4. 张文瑶，裘达夫，胡晓棠等. 水下机器人的发展、军事应用及启示【J】.中国修船，2006,19（6）. 5. 桑恩方，庞永杰，卞红雨等. 水下机器人技术【J】. 机器人技术与应用，2003 年第3 期. 6. 许肖梅. 水声通信与水声网络的发展与应用[J].声学技术，2009年12月，第28卷第6期. 文档已经阅读完毕，请返回上一页！