海洋技术▏浅谈水声通信及相关技术应用

胡凯溪流之海洋人生 2023-05-07

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一、水声通信技术及其发展

⒈水声通信技术与水声通信网络

水声技术已成为海洋开发的主导技术之一，计算机及网络信息技术的发展又将进一步推动水声通信网络成为一个信息化、现代化的海洋研究开发系统，把各种各样的水声传感器通过水声通信网络互联，能为不同用户间提供检测、遥控、安全保障和协同作业所需的信息传输，可用于海洋资源开发开发深海油气资源；在相关海域布放多种传感器对重要的海区进行大面积、长时间、全天候的连续观测和信息的收集，并实时传回至信息收集与处理中心进行研究与分析，能真正掌握海洋的自然变化规律，以便于对环境变化和灾害发生进行及时的预报。

⒉水声通信网络发展现状

水声通信网络在民用和军用两方面都有着巨大的应用潜力，美欧发达国家在这方面投入了相当大的力量进行研究与开发，到目前为止，国外一些机构组建研究的水声通信网络已为数不少，部分已经成功的进行了海洋实验并走向了实际应用，进而发展到覆盖空中、地面、水下的立体信息网的形成。例如美国海军研究总署和麻省理工学院联合开发的水下自治采样网络，美国海军的海洋万维网(Seaweb)系统，欧洲的系列化水声通信网络计划等等，都已经达到了很高的水平。与此相对应，我们国家的水声网络计划无论是在基础理论研究还是实际装设备的研发都还处在刚刚起步的阶段。

二、水声通信信道特性

水声通信信道是属于随机的时空频变参、多途效应明显、传输衰减严重、噪声级较高、信号传播速度较低和严格带限的一类特异通道，与一般无线通信信道差异明显。

⒈多径效应

多途由海面和海底反射所产生的宏观多途和由海水不均匀介质而形成的声波的折射的微观多途所组成。在水声信道中，在收、发两端始终存在着一条以上的传播路径，也由于浅海水声信道随机的时、空、频变特性，使得多途现象更为严重。多途传播对接收信号的影响在时域上主要表现为码间干扰；在频域上则体现为频率选择性衰落。显然，如何抑制多途，实现信号的稳定、可靠检测是水声通信中要解决的关健问题。

⒉多普勒频移

声波在浅海信道传播时由于多普勒效应造成发射信号的频率漂移，这种漂移称为多普勒频移。收、发端的相对运动以及海面波浪运动和海中湍流都会引起多普勒频移，其中海面波浪运动是主要因索，并且随着海风风级的增强而增大。

⒊声波传输损耗

由于海水介质不是理想无损耗介质，声波在海水传播时也会衰减。由于海水介质中存在泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质分布的不均匀性，引起声波散射和声强衰减，尤其在含有气泡群的海水中，具有非常高的声吸收和散射。另外海面、海底对声波的散射，也是引起声强衰减的一个原因。

⒋有限的带宽

声波在水声信道环境传递的过程中，会因为水介质的物理吸收而造成声波能量的损失。介质吸收造成的能量损失与声波频率的平方成正比，频率越高能量损失就越多，而对于频率较低的声波其能量的损失就相对比较小。因此，水声通信信道带宽是严格受限的。此外，水声信道中，信息可靠传输的距离与载波的工作频段也有较大的关系。近距离通信通常使用频带略高一些，一般是10～100kHz。而中远距离信息传输，比较适合的工作载波频率就应该在20kHz以下，通常带宽只有几kHz。水声信道带宽受限还有另一个原因那就是受到水声换能器带宽的限制。因此，相较于采用电磁波作为载体的其它信道，水声信道的带宽是比较窄的。

三、水声通信相关技术的应用

由于水声通信信道的复杂性，水声通信系统设计所面临的最大问题应该是频率选择性衰落和多径传播引起的码间干扰，这其中的关键环节就是选择合适的调制技术和信道纠错编码技术实现高速稳定的传输。

⒈信号调制技术

对于一般无线或有线通信信道，要想获得比较好的通信性能，使用的技术手段包括数字调制解调、信道估计、载波同步、信道均衡、信道编码等等。前面已经分析过，水声通信面临的最大问题是有限的带宽资源以及多途衰落特性的影响。在各种调制技术中，正交频分复用，又称OFDM技术目前是比较成熟和可靠的一种技术。OFDM信号是由多个子载波构成，每个子载波都可以根据信道的特性选择不同的调制方式，水声通信系统中，比较常用的是MQAM和MQPSK调制方式。OFDM系统可以通过有效的信号调制技术、信号同步、信道均衡等措施来提高频带资源的利用率和传输的可靠性，在具体的信号处理过程中，采用插入保护间隔和加窗等手段有效避免符号间干扰ISI(Inter Symbol Interference)问题。

⒉水声信道信道编码方式的选择

考虑到水声信道环境的复杂性和，存在的频率偏移，时间同步以及噪声等问题，会导致随机性和突发性错误的产生，使接收信号统计中误码率相对偏高，影响信息传输的有效性和可靠性。因此，为进一步改善系统的误码率性能，就要求系统在信号接收端能够对传输过程中产生的错码予以检测和纠正，信道纠错编码的应用正是为了解决这一问题。目前比较成熟的信道编码方案主要有RS码、卷积码、级联码、Turbo码、LDPC码等。目前比较流行的是Turbo码和LDPC码。Turbo码通过在编译码过程中交织和解交织的过程，实现了随机性编译码的思想，通过短码的有效结合构成长码，从而达到了接近香农理论极限的性能。实践中显示，Turbo码具有抗衰落、抗干扰性能，尤其适合功率受限的系统，只要时延和复杂度允许，可在多种恶劣条件下提供接近极限的通信能力。LDPC码，全称Lowdensity Parity-check，即低密度奇偶校验码，在编解码过程中其运算量和灵活性方面都比较优秀，译码复杂度低，可并行译码且译码错误可检测，被广泛认为是下一代纠错码的最优方案。