吴 华，吴学智，闫 肃

（海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033）

0 引 言

海洋权益和资源是国家发展战略中极其重要的一环，推动着世界各国不断投身于海洋国土与资源的建设开发。近100年来，美国声呐装备的发展历程充分体现了其对水声装备的重视。二战后，美国将水声与雷达、原子弹并列为三大发展计划，大胆创新、不断发展水声装备技术。目前，美国海军声呐装备种类多、规模大、技术先进，代表着世界最高水平。同时，基于海网（Seaweb）的民用前沿遥测网（Front-Resolving Observational Network with Telemetry，Front）和气象海洋系统也在持续发挥效用。

21世纪以来，一些有实力的发展中国家逐渐认识到海防与资源勘探的紧要性，纷纷加大了这方面的投入力度。无论是资源开发还是海上安全的需求，都持续推动着海洋信息传输网络技术的革新与应用[1]。

1 水下无线通信方式

作为传统信息媒介的无线电波在海水中衰减严重，一般只能到达水下100 m处，且甚低频/超低频（VLF/SLF）的陆上天线庞大，发射功率超高，导致抗毁能力和隐蔽性差。因此，世界各国的军事力量都在积极探索新的水下通信方法。目前，已提出并实践的水下无线通信技术主要包括蓝绿激光通信、中微子通信和水声通信等。

蓝绿激光在海水中的衰减相对其他波段的光要小得多，可穿透至水下300 m，且误码率较低，信息容量大，但限于其应用难度较大、对工作环境要求较高，且耗资巨大、横向传播距离短，在我国研究较少。中微子通信利用中微子作为信息载体，在海水中信道参数稳定，传输信息容量大，但限于技术的复杂性和高成本，在国内外均只停留在试验阶段[2]。

经过无数实践证明，声波是唯一能携带信息在水下进行中远距离传输的有效载体。带宽在50 kHz内的声波在水中的衰减系数为10-4～10-2dB/m[2]。海洋中的声速是温度、深度和盐度的函数，可以简单表示为：

式中：C为声速（m/s），T为温度（℃）；S为盐度（‰）；Z为水深（m）。式（1）在0≤T≤35、0‰≤S≤40‰、0≤Z≤1 000范围内适用。由式（1）可知，声速大小随着环境而变化。水中的信道条件十分复杂，时变多径的特性严重影响了水下信息传输的质量。总地来说，它是一个多径效应严重的时变、频变信道。

三种水下无线通信方式的比较，如表1所示。

表1 无线电、蓝绿激光与水声通信

2 国内外研究现状

2.1 水声通信技术

冷战时期，在大西洋活动的苏联核潜艇成为了刺激美国海军提升信号处理技术的重要原因。苏联解体后，美国海军作战转向第三世界国家周围的海域，其水下威胁也变成了众多常规潜艇。20世纪60年代后，美国潜艇和水面舰艇开始安装AN/WQC-2/A水下通信声呐，其低频段1.45～3.1 kHz用于远程水下通信。目前，美国在水声通信设备制造、水声通信网络研发应用等方面成果非常突出。

在国家“863”计划、国家自然科学基金委员会、军队等支持下，中国科学院声学研究所、哈尔滨工程大学、厦门大学、中国船舶重工集团第715研究所等长期致力于水声通信领域的研究，成果覆盖水声通信与网络技术的诸多层次，一些试验结果和国外水平相当。然而，综合来看，我国水声通信技术仍落后于西方国家，还没有被用户广泛认可的水声通信产品，但在学习国外成果的同时也不断涌现出技术创新点。

2.2 水声网络

1991年“美苏冷战”结束后，美国海军活跃海区由远海转移至近海。由于近海的浅水声场环境远比深海复杂，大大增加了探潜、反潜和猎雷的难度。因此，要求海军必须运用针对性的水声技术增大水下探测距离，构建海洋信息网，以扩大水下预警的空间。美国制定并开展过多个水下网络发展计划，其中被熟知的有“海网”（Seaweb）项目、“近海水下持续监视网”（PLUSNet）计划和“深海汽笛战术寻呼”（DSTP）系统等。美军着手构建的水下战术信息网如图1所示，信息节点包括传感器节点、水声/无线电浮标、AUV、潜艇、水面舰艇、通信卫星和无人机等[3]。

我国在特定海域水声信道环境下开展了中小规模的水声组网试验（将在第5部分作进一步介绍），但目前还没有成型的水声通信网络投入实际应用。

3 浅海声信道特性研究

水声通信与无线电通信方式的信道差异较大，因此两者的多径效应体现存在明显区分。在水声多径信道特性的预先估计下，实施系统研究能大大提高仿真、试验的效率。同时，水声信道又是时变的信道，对其参数进行实时的动态跟踪也十分必要。

针对水声信道的多径效应与传输衰减，厦门大学水声通信重点实验室提出了一种大时延扩展水声多径信道估计的低复杂度算法（Fast Estimation of Sparse Channel via Convex Optimization，FESCCO），在弱检测信号的条件下精确估计了多径时延[4]。

图1 美军海洋战术信息网

哈尔滨工程大学乔钢等提出了浅海环境中一种优化的MIMO条件下OFDM水声信道估计算法。结合浅海水声信道的稀疏性，对编码校验后的信息与原始信息对比，实现了对信道估计的判决反馈更新。仿真和水池实验结果证实：改进算法不仅能有效抑制连续误码，还能通过大量削减导频信号来提高有效通信速率[5]。

时间反转镜（Time Reversal Mirror，TRM）技术是近年来研究人员热衷的一项水声信号处理新技术，其突出贡献是可以在没有水声环境参数支持的的情况下匹配声信道，引导空间聚焦和时间压缩。

4 水声数据通信技术

对于水声通信中的调制解调技术，按照解调时是否还原初始信号相位，可以定义为水声相干通信和非相干通信。

4.1 非相干通信

非相干通信信道利用率一般较低，传输比特速率小于信道带宽（即信道利用率Rw＜1 b/s/Hz），常见调制方式为FSK，在接收端进行匹配滤波、平方率检测和纠错译码即可，算法相对简单，鲁棒性好[6]。扩展频谱通信中的跳频通信（FHSS）和直接序列扩频通信（DSSS）也属于非相干通信。扩频信号具有抗干扰能力强、抗多径能力强、隐蔽通信、可进行多址通信、抗频率选择性衰落等诸多优点。

厦门大学研究基于扩频技术的水声语音通信样机[7]，其通信距离为7.5～12 km。随后，成功研制的第3代样机可适用于远、中、近程,差别仅在于工作频率和发射功率两个影响通信距离的主要因素，有广阔的军事应用前景。

杭州应用声学研究所杜鹏宇与哈尔滨工程大学合作，提出了一种基于改进差分能量检测器的移动直扩水声通信技术。通过对连续扩频信号的匹配及能量检测同步跟踪，估计了接收端信号中的多普勒频移，同时依托扩频增益，在弱检测信号条件下完成了多普勒频移量的匹配修正[8]。

4.2 相干通信

相干通信的信道利用率一般大于信道带宽[6]。相干水声通信的重点为单载波调制和OFDM通信。针对水声信道带宽窄、信息传输速率相对空中无线电较低等特点，厦门大学针对浅海信道多变的特点，对水声信道匹配估计、信道编码以及空时分集增益等相关技术进行重点攻关，已组建相应的整套浅海条件下的OFDM图像传输系统计划[9]。厦门港海试结果为：距离820 m时，速率1.5 kb/s，不同条件下的误码率均小于10-4；当传输速率为4.8 kb/s时，误码率量级为10-3[7]。

除此之外，王逸林等以线性调频（LFM）信号为载波，提出了一种基于分数阶傅里叶变换（FRFT）的OFDM水声通信方式。该方式借助信息帧之间的保护间隔，有效减小了多径效应带来的码间干扰，还通过正交差分相移键控（QDPSK）与分数阶载波自适应调整的结合，抑制了多普勒效应[10]。

在频率选择性衰落信道中，科研人员经常会将空时编码（Space-Time-Codes，STC）技术与OFDM、DSSS等技术结合，将频率选择性衰落信道转变成并行相关的频率非选择性衰落信道，减小了码间干扰对STC信号的影响，使多径衰落的影响减至最低，并能改善水声信道上数字通信系统的性能和容量。

5 水声通信网络技术

与陆上无线电网络相比，水声通信网（Underwater Acoustic Communication Network，UACN）的起步较晚。同因特网相比，水声通信网络逐渐演变出自身特点，相应可简化为物理层、数据链路层以及网络层。图2为UACN、OSI（开放系统互联）以及TCP/IP三种体系结构。水声网络的物理层主要解决水声通信问题，下面对水声通信网及目前国内研究与建设情况进行分析介绍。

图2 三种网络分层对比

一个典型的水声网络可由水下固定节点/移动节点、水面浮标、通信卫星节点和岸基信息处理站/中心等组成。水面通信浮标可担当网关的作用，负责水下节点与岸基、空中以及卫星间的信息中继。由于水声信道的复杂性和水下节点的特殊性，通常具有网络规模大、网络拓扑动态变化、自组织性、节点自身能量以及计算存储能力有限、通信距离受限等特点。

数据链路层要解决媒体访问方式和纠错控制问题。作为媒体访问方式中常用的随机接入，较常使用ALOHA协议、载波侦听多路复用（CSMA）以及避免冲突复用（CSMA/CA）等。应用广泛的纠错机制则有纠错重发（ARQ）和前向纠错（FEC）技术。

路由协议一般综合网络成员构成、信息发生周期、信息传递方向和节点布放环境等要素来综合考虑[11]。依据路由生成策略，可将路由协议分为先验驱动和按需驱动。厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室，在水声通信网络方面开展了深入、系统研究，重点包括以下三个方面。一是水声通信网络MAC技术研究。二是优化MACAW，使其更适用于水声网络的实际环境，减少各节点能量的消耗。计划结合S-MAC的睡眠引导机制，通过仿真软件OPNET进行方案论证。三是水声网络多节点连网试验研究。采用FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编辑门阵列）设计、构建并实现水声通信网络系统，并在室内水池和厦门港海域顺利完成了多节点的连网试验[7]。实验室参考国内外提出的水网络拓扑结构，针对应用环境设置了多个并行的类似节点群，并由群首组成另外的群落，通过两个特定中心频率来区分[12]。

由于试验成本昂贵，加上海洋环境多变，显著影响了通信效果。国内在水声通信组网方面的研究主要基于AQUASIM、OPNET等网络仿真软件，单次长时间海上实际应用试验较少，主要集中在“863”课题支持下开展的一些研究。例如，在课题“海洋环境监测传感器网络技术”支持下，中国科学院声学研究所通过研制的小型化、低功耗、通用型UACN（Underwater Acoustic Communication Network，水声通信网）声通信节点，于2008年和2009年间在浙江千岛湖完成了4～7节点的自组织网络构建，实时传输了语音、图像以及传感器监测数据[13]。

除此之外，中国科学院声学研究所、哈尔滨工程大学、715研究所和浙江大学先后在特定海域联合进行了4次水声通信网络验证。哈尔滨工程大学于2014年在南海进行了水声通信组网试验，工作时间大于1个月、节点规模突破了15个，实现了对水下温盐深参数的连续监测与收集[13]。表2为实验中节点间信息发送与接收的数据统计结果。

表2 2014年南海实验结果统计

事实上，应用于不同环境条件的UACN往往会因侧重相应的性能而牺牲其他指标。在计算机与集成技术迅猛发展的今天，性能持续优化的芯片也在不断推动水声通信技术与网络的繁荣发展。在这种发展趋势下，具有融合性和跨层性的水声异构网络的研究显得尤为重要。

6 结 语

目前，高速的水声通信系统是我国未来民用水声通信的主要发展趋势。高速水声通信技术被认为是“蛟龙号”载人潜水器的三大技术突破之一，实现了潜水器和水面船只之间的报文、语音和图像的实时传输[14]。作为水声通信网络中的重要节点，AUV亦是我国水声科研人员下一步的热门研究方向。2018年4月6日，执行中国大洋49航次科考任务的“潜龙二号”无人潜水器成功完成第50次下潜。经由一台随“潜龙二号”下水的声通信机、AUV与母船之间达成信息实时交流。

在军事应用方面来看，目前水面舰艇及岸基对深海中潜艇的中远距水声通信有许多亟待解决的重难点问题。在国家战略与民用方面，深海自然资源勘探中的信息通信技术研究意义重大。深海潜水器领域活跃的研究和不断涌现的成果，无疑会为下一步水下信息传输网络系统的建设打下良好基础。

随着地球上石油、天然气等传统能源的不断消耗减少，海洋必将是今后全世界关注的重点。军事上，美国联手其他国家在我周边部署严密的水下监视体系，并在此基础上前推其水下进攻力量，对我维护水下安全、保卫国家海上战略利益带来了严峻挑战。美“无暇”号海洋侦测船是用来侦听水下音响的专用船只，主要任务是获取海洋水文数据、侦察水下潜艇，长年活跃在我国南海海域。因此，为适应海军使命任务和整体转型要求，满足军事斗争和战略通道的安全需求，水下信息网络的建设迫在眉睫。