海洋论坛▏水声通信网若干问题的探讨

在海洋水文资料的收集、海洋运输航道的检测、海洋渔业资源的调查、矿业资源（石油、天然气）的勘探和开发中，传统的收集海底数据的方法是把传感器放到海底，过一段时间把设备从海底取上来取数据,这样的信息不仅不及时，而且一旦设备损坏将使数据丢失。但是如果通过水下通信网就可以把数据及时可靠的传到陆地。由于海洋环境多变和危险性，无人深潜器和水下智能机器人得以应用，它们通常要在大范围内移动，因此更需要水下通信网以便对它们进行及时的控制和信息的收集；现代海战，海底战场作为“四维战争”中重要组成部分，具有极其特殊的战略地位和极其重要的军事价值。在本国海域建立水下战场的通信网和预警网将是国防建设的必须面对的问题。因此水下通信网的研究具有重大意义。陆地通信网的建设已日益成熟，水下通信网的研究必然要借鉴现有的技术，但是由于水下和空中环境的差异使得在借鉴陆地通信网技术时要进行大的改进和革新。本文主要讨论我国浅海水声信道的特点、水下通信网的基本框架、多址接入技术等关键技术。

 一、水下和陆地无线信道的差异

随着现代通信技术的不断发展，无线接入技术日益成熟，但是由于水声信道不同于空中信道（如表1所示，表中空中无线信道是GSM系统的参数），使得陆地通信网在水下环境的性能大大降低。首先，水中声波的传播速度比电磁波的速度低五个数量级，传输时延为0.67秒/公里，高的传输时延对随机接入信道的随机接入协议产生大的影响，从而大大降低通信网的吞吐量；其次,由于海底和海洋表面的反射以及由于海水声速在深度方向近似地按水平分层变化，水下多径要比空气中的多经要复杂的多（如表中所示），这些都降低传输速率和提高误码213率；再次，水声信道的复杂环境如：强噪声、强起伏、多径干扰、多普勒频移限制了可靠通信的带宽和范围。国内的通信带宽一般为 1K～10KHZ，较窄可用的带宽将导致极低的比特率几十比特；最后，水下传感器或者基站能源靠电池提供，因而节约能源将比陆地更重要。而且基站不固定，是一类自组织网路,要求具有环境自适应性、故障检测和处理能力等。水声信道与空中无线信道差异表

参数	空中无线信道	浅海水声信道
传输速度	3.0×108米/秒	1500米/秒
载波频率	890～960MHZ(GSM通信系统)	1k～10KHz
信道带宽	50MHz（上下行频段各占25MHZ）	10KHz
信号传输速率	1200～9600bps	几十bps
最大多径传播时延扩展	10us	50～1000ms
发射、接收端相对运动速度	100km/h（无线一般3～10km/h）	10km/h
多普勒频移	83Hz(载频900MHz)	20Hz

 二、水下通信网的系统框架及其概述

⒈ 水下通信网基本框架

从上图看出，移动通信系统是无线通信和有线通信（主要是光纤通信）的结合，无线主要解决移动用户接入问题，传输网用光纤网是因为其频带宽（大于1GHZ）、不受电磁干扰、保密性高等特点。在水下由于有无人深潜器、水下机器人、潜艇等移动用户，所以无线是必须的，如果传输网也用声纳传输，那么由于水声信道频带窄、传播速度太低将会导致水下通信网的性能非常低。借鉴陆地通信网的经验，如果传输网用光纤网，接入网用声纳网（声纳即作为基站又作为用户），那么即解决了用户的移动又解决了信息传输中水声信道频带窄、传播速度低的瓶颈。水下通信网如下图所示。

⒉ 接入网的多址接入技术在通信网中多址机制可以分为以下三类：①随机竞争类：主要分为纯Aloha(P_Aloha)﹑时隙Aloha(S_Aloha)和载波侦听（CSMA）以及MACA(其改进协议 MACAW)等；②按需分配类（或称预约类、无竞争类）：如token ring等；③固定分配类，如FDMA、TDMA、CDMA 等是通过时隙﹑频率﹑正交码把一条信道分割成若干个相互独立的子信道。现有通信系统的多址接入都是随机接入和固定分配的结合。例如随机接入信道是小区内所有移动用户共享信道，所以采用随机接入的方法；广播信道采用固定分配的方法。从陆地通信信道分配可以看出，对于大范围内移动的多用户而言，多信道的分配是必需的。因此水下多址接入技术也将是随机接入和固定接入的结合。由于水下环境的特点和CDMA具有较高的系统容量、低功耗、较好的功率控制和抗干扰的优点，码分多址对于浅海水声通信网络而言将是很好的多址接入方式。⒊ 水下信道资源分配由于点对点通信追求的是作用距离越远越好，但是声波传播的衰减系数与频率的平方成正比，所以点对点的声纳通信一般集中在低频段，国内的通信带宽一般为 1K～10KHZ，但是通信网为了实现信道资源的复用，需要作用距离在有限范围内即可，所以对于通信网而言声纳机的工作频率可以提高，这样一是拓宽频带资源；二是更好的解决邻区干扰；在陆地通信网中每个小区中都必须有固定的信道资源，而且相邻小区的信道资源是不同的。由于光速是水中声速的十万倍，每个基站的信道资源完全可以又控制中心通过光纤网集中分配。水下由于用户数不象陆地用户数多，在水下通信网中有些小区可能没有用户或者用户数很少，这样可以让这个小区的部分信道资源给相邻小区用户的使用。这样可以充分的利用资源和解决水下信道资源少的问题。而且也可以避免相邻小区的互相干扰。另外由于声纳机的工作频段都以实测数据为主，因此需要进一步的分析和实验来探讨可用带宽和物理信道的划分。由于水下频带资源的限制和水声信道以及水下用户的特点，借鉴陆地逻辑信道的分配（如下表），水下逻辑信道可以分为广播信道（用于基站向移动台发送控制信息）、随机接入信道（用于移动台向基站发送控制信息）和业务信道（是双向的，用于传递数据）。

⒋ 媒体接入控制(MAC)协议在陆地无线接入网中，MAC层屏蔽了物理传输媒质的特性，为高层提供了使用物理介质的手段。高层通过MAC层提供的逻辑信道来传输数据和信令信息，MAC根据物理介质的特性将这些信息映射到物理层提供的传输信道上，并为每个传输信道选择合适的传输格式。水下的MAC层也将完成同样的功能。对于随机接入信道，WCDMA采用的ALOHA协议，但是由于水声信道的特点，水下随机接入信道采用CSMA协议。

 三、结论

本文借鉴陆地通信网的成熟技术，根据我国沿海水声信道的特点，对国内水下通信网的系统框架、多址接入技术、逻辑信道的分配、MAC层协议等通信网的关键技术进行了探讨。国内水下通信网处于起步阶段，要设计一个高可靠性、高吞吐量、时延小的高性能水下通信网，更多的细节问题需要进一步研究。

■文/杨长清 孟桥 陆佶人，东南大学无线电系，主要从水下通信网协议研究

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