李海雷，张洪刚，黄靖航

（海军工程大学 兵器工程学院，湖北 武汉 430033）

0 引 言

通信作为信息的重要传播技术，引领着行业的发展。其应用可涵盖海、陆、空，就目前的发展来看，陆域的因特网和空域的无线电传输已经取得成熟的应用。而在水下，只有声信号可以远距离传输，但由于水声信道多变且复杂，存在着长时延、强多途、快起伏、大衰减、严带限、高噪声等固有特性，使得通信技术在水下的应用研究明显滞后。当前各国都投入大量的人力、财力、物力着重发展水声通信技术，充分体现了其在未来发展的重要性。

水声通信网络（Underwater Acoustic Communication Network, UACN）是以声波为信息载体组成的水下无线传感器网络，UACN在海洋领域的开发研究中具有重要作用，可广泛应用于海洋科学研究、气象水文数据采集、环境污染监测、海洋地质勘探、洋流运动数据获取、海洋灾难预警救助等方面。在军事领域，UACN可为水下作战提供通信、探测、定位和导航所需的信息传输互联功能，特别是对水下侦察和作战群体的管理、指挥、调度具有重要作用，是未来水下信息化无人战、智能战的重要技术支撑。

海洋兴则国兴，我国当前及未来的安全挑战主要来自海上，相对于陆空域无人化、智能化集群作战的蓬勃发展，水下方向作战的多平台协同、集群作战的研究进展明显滞后，其根本原因是水声通信网络的关键技术没有突破。例如在水下反潜作战中，作战平台包括水面舰艇、潜艇、反潜飞机及UUV等，不同平台发射的攻击武器入水后无法有效协同，甚至会相互干扰。如果水下节点基于水声通信技术形成移动网络，实现信息互通，共享战场态势，必然会带来作战效能的跨越式提升。

国外在水声通信领域的研究起步较早，主要成果有美国发展的Seaweb项目，以及在此基础上发展的可部署分布自主系统（DADS）。欧洲在MAST计划支持下发展了浅海声通信网络SWAN、浅海长距离稳健声链路等项目。国内多所大学、研究所近年来加强了水声通信领域的研究，研究成果覆盖水声通信与网络技术的诸多层级，部分试验结果已与国外水平相当。然而，综合来看，我国水声通信技术仍落后于西方主要国家。本文基于此背景展开研究，首先分析了目前水声通信网络体系结构与水声信道特性，然后针对水下多平台协同攻击需求对比分析了典型水声MAC协议特征及其在水下移动网络中的适用性，并在此基础上提出了可用于水下小规模移动通信网络的MAC协议初步设计。

1 水声通信网络的体系结构

目前水声通信主要解决两个问题，一是点到点的2个信息源间的通信；二是在声通信的基础上进行组网，即解决多个通信节点共享水介质信道时的信息交互问题。

基于国际化标准组织开放系统互联模型（OSI）的网络通信分层和结构划分，可将水声通信网络UACN简化为三层结构，如图1所示。

图1 OSI与简化的UACN分层结构

（1）物理层：进行二进制数据流的发送与接收，处于通信最底层与信道直接相关，包括信号调制解调、信道编码等；

（2）数据链路层：主要是通信协议的设计，包括为每个传感器终端节点公平有效的分享带宽资源，负责数据帧的传送，并进行必要的同步控制、差错控制与流量控制；

（3）网络层：负责源节点到目的节点数据传输路径的建立，完成路由与传输功能。

本文针对水声通信网络UACN分层结构中的数据链路层协议开展研究。由于水下信道复杂多变，水声通信领域的研究成果大多是在特定条件下，基于无线电经典协议的适应性改进，当前国际上并未建立适合水下各种条件的通用水声通信标准。因此，对于水声通信网络的研究，应该突破陆空域无线通信网络的系列标准，探寻一种不同于无线电传输的定义模式。尤其应该探讨针对不同信道条件、不同应用需求等特定应用的个性化水声通信网络标准。

2 水声通信的信道特性

水声通信的信道特性包括时变、空变、频变，随季节、气候等不确定性因素而致的随机性，以及有限的信道带宽等，而对于水下移动通信节点，强多普勒效应也是考虑的重点。

由于海水介质本身的吸收、波阵面扩展、声线弯曲以及海水介质的不均匀性等导致声传播有着严重的衰减。水声信号传播衰减主要包括几何扩展损失TL和水介质的吸收损失TL，其中，TL随工作频率的提高迅速增大：

对于水声通信信道带宽受限情况，上、下边频的传播衰减起伏对水声通信的影响不容忽视。如果水声通信频带选取2～4 kHz，对于通信距离=50 km，其上、下边频传播损失相差5 dB，即使=100 km，传播损失也仅相差10 dB，进行合理的电路或信号处理设计就可以适应。但如果信号频率取2～8 kHz，在=50 km和=100 km条件下TL就分别变为20 dB和39 dB，接收处理部分很难适应。由此可见，不仅声传播衰减随频率升高急剧增大，且由此带来实际可利用的频带宽度非常有限。不同频率（）和传输距离（）下的TL见表1所列。

表1 不同频率（f）和传输距离（r）下的TL（dB/km）

强多途径效应也是制约水声通信应用的一个重要因素。由于海水介质不均匀性、海面和海底的反射、水中折射等因素，声线传播有多条路径，接收端的声场可看做是到达声线的叠加，造成了多途效应。图2所示为节点发送信号沿着多条不同路径到达目的节点的示意图。多途效应对于接收信号的影响包括信号幅度的随机起伏和衰落，在时域上表现为信号的时延扩散和码间干扰，频域上体现为频率选择性衰落。沿不同路径传播的信号到达目的节点的时间不同，使得信号的振幅与相位的相关性减弱，给信号解调带来了极大困难。

图2 水声信道的多途效应

水声通信发送节点和接收节点的相互移动会产生多普勒频移。此外，海洋介质的不均匀性，即信道的时变、空变性质也会产生多普勒频散。由于水下声速约为1 500 m/s，比电磁波传播速度小5个数量级，水声通信节点较小的移动速度就会造成明显的多普勒频移。水声信道的载波频率低，带宽有限，再叠加较强的多普勒频移，导致水声信道的通信性能降低，高速率传输易引起接收端相邻码元的干涉。

综上，关于水声通信信道高多普勒、强起伏、快时变等典型特性，对于水下移动节点的水声通信必然导致高误码率、不稳定、作用距离近等问题。在复杂的海洋环境下如何提高通信速率，降低误码率具有空前的挑战性。

3 水声移动网络MAC协议

在水声网络通信分层体系结构中，MAC协议是数据链路层的重要组成部分，也是受水声信道影响在网络体系构建中最具特色的内容。MAC协议将信道资源分配给用户，实现多用户公平、高效共享带宽资源，避免碰撞和冲突。水声通信中，MAC协议通常分为2类，分别是固定分配类MAC协议和随机竞争类MAC协议。固定分配多址方式就是在频域、时域或码域先将信道划分成子信道，再将这些子信道分配给用户；随机竞争多址方式则是竞争访问信道，用户按自身意愿随机发送信息，当发生碰撞时按协议处理。

3.1 固定多址接入协议

固定多址接入协议又称静态分配多址接入协议，典型的固定多址接入协议有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）等。

FDMA协议将通信系统的有限可用频带划分为若干等间隔频段，每个用户指定唯一的频段或信道。分配好信道后，收发双方可连续不断地发射且不受干扰。FDMA技术存在信道带宽利用率低、不同频段频率选择性衰落等问题。综合来看，频分多址技术对于节点数较多且数量变化快，突发性强的水下移动节点并不适合。FDMA协议原理如图3所示。

图3 FDMA协议原理

CDMA协议利用扩频编码调制信息流，比如用带宽远大于信号带宽的伪随机序列码进行调制，不同的用户使用相关性较低的伪随机序列码，从而扩展原数据带宽。CDMA的优势是在抗频率选择性衰落方面鲁棒性更高，具有更强的抗多途干扰能力和保密性，这对于军用水声通信网络尤为重要。但CDMA系统容量会受多址干扰的限制，同时其存在远近效应。对于活动范围变化较大的移动节点，由于距离变化和信道空变特性会影响接收端的声压值，必须调整发射功率和码长度来适应，并不断更新设置值，此举增加了水声网络的复杂度。CDMA协议原理如图4所示。

图4 CDMA协议原理

TDMA协议将时间分成周期性的帧，每帧再分成若干个时隙，然后按照一定的时隙分配原则使用户在指定的时隙内发送数据。TDMA的优点是灵活性强，即一帧中分配给不同用户的时隙数目可改变，因此可以利用优先级重新分配时隙。但如果用户在已分配的时隙上无数据传输，这段时间将被浪费。由于水声信号的传播时延大，时隙间的保护间隔取决于最大传播时延和同步精度，实际应用中应设置得足够大，以免由于传播时延的不同而引起碰撞，此举导致网络吞吐量较低，因而不适合用于长距离、大范围、高吞吐率的水下通信组网。CDMA协议原理如图5所示。

图5 TDMA协议原理

3.2 随机竞争多址接入协议

随机竞争多址接入协议中，网络节点通过公平竞争获得信道使用权，无需提前分配。典型的随机竞争类MAC协议有ALOHA协议、载波侦听多址接入（CSMA）、IEEE802.11协议（CSMA/CA）等。

ALOHA协议引入了数据包广播结构，每个节点可自由转发数据帧。若不同节点的数据帧出现重合则冲突发生，这时需要按照重传机制及时处理，直到通信成功。为检测冲突，后续提出的ALOHA-CA和ALOHA-AN协议中，节点根据侦听到的数据包信息与节点间的传播时延进行冲突避免。ALOHA协议适用于网络负载不太高的稀疏网络，特别是传输时间较短的突发性传输场景。

CSMA协议中如果一个节点的数据要发送，首先需检测信道是否空闲，若信道忙则等到空闲时再传输，这样可以降低数据碰撞概率，提高系统利用率。如果多个节点检测到信道空闲后立即同时接入信道，将导致冲突。为避免这类冲突的发生，可以增加随机退避时间或增加载波侦听，即CSMA/CA协议。由于水声信道中的传播时延大大高于陆空域无线网络，因此在水下移动网络中CSMA协议的性能无法保证。

3.3 水声移动网络MAC协议设计需解决的问题

相对于陆空域无线网络，水声无线网络MAC协议设计应重点考虑时延、隐藏与暴露终端问题。

水下声信号传播速度约1 500 m/s，相比空气中的无线电波相差5个数量级，因此具有严重的长时延问题。增加控制报文可以确保有效信息的无干扰转发，但同时非有效信息占有一定时间，增加了传输过程的时延。如果减少类似RTS/CTS的握手次数，则会产生隐蔽终端或者暴露终端的问题，影响传输效率。同时，由于水声信道的高传播延迟，2个站点是否冲突不仅取决于他们的发送时刻，还取决于他们的地理位置。对于水下移动通信节点，其间的相对运动与动态调整均会影响通信特性。

隐藏终端指一个节点传输对于另一个节点传输是隐藏的，在接收端造成冲突。暴露终端指节点不必要的推迟发送信息。隐藏终端与暴露终端降低了传输效率，浪费有效时间。目前解决这类问题的方法主要通过握手机制，但会导致控制信息占用较多的信道资源。尤其对于水下移动无线网络，握手机制大多数情况下会降低网络通信效率并增加时延。

从以上分析可以看出，时延问题和终端问题在解决方案上背道而驰，时延问题的解决是通过减少节点间的握手次数，控制非有效信息的占用；而终端问题的解决是增加控制报文来明确节点间的互通关系，进而减少信息间的碰撞和冲突，提高信息的有效、有序传输。所以我们在设计协议时必须综合考量，根据设计需求和所处的水声环境权衡设计。

4 水声移动网络MAC协议方案设计

由于水声通信信道的复杂性以及通信需求的多样性，由前述分析可见，MAC协议设计的通用化、标准化目前难以实现。针对水声移动网络通信这一特定需求，给出以下几种MAC协议方案设计。

4.1 混合MAC协议

混合模式的MAC协议主要针对水声移动网络组网不同环节的特点，使用不同的接入模式，从而提升整体接入性能。为减小水声信道多径效应引起的频率选择性衰落影响，采用适用于浅海水声通信网的跳频码分多址（FHCDMA）方案，并将TDMA与CDMA技术相结合，作为水声移动通信网的多址接入方法。分布式拓扑是将相邻节点归入一个簇中，在簇内使用TDMA，簇间使用CDMA接入，通过重用CDMA码字实现网络大小的改变。大量实验数据表明，混合模式的MAC协议比较适合特定条件下的水声通信。

4.2 合成包协议

由于信道的长时延特征，若采用多次握手方式避免冲突，水下移动节点在忙碌的信道传输中吞吐率明显下降。因此在水下移动网络MAC协议设计中应着重考虑减少握手次数，可以基于一种合成包协议的思想进行MAC协议设计。基本思想是将确认帧和数据帧合成为一个包，节点同时将这个包发送给临节点，每个接收节点对包中感兴趣的部分进行提取。同时利用传输过程的长时延特征允许节点进行其他处理，比如可以从信道队列中接收下一个数据包。利用传输间隙进行与多个节点的数据传输，不仅节省了单独分开处理的时间，也改善了ALOHA协议在等待ACK帧期间新数据不能及时传递的情况，在克服长时延的同时又能较好地避免冲突。

4.3 定向访问MAC协议

当前MAC协议设计大都基于全向通信模式，如果采用定向访问MAC协议，就能利用节点的位置信息，采用定向模式传输数据。发送节点通过指向性换能器依序连续发送传输请求信号，并通过相对位置信息表来判别自己是否影响正在进行的信息传输，从而实现网络的高效无碰撞运行。节点A、B间预约通信如图6所示，将通信节点分为3部分，依顺序由1至3不断发送信号，若收到回波信号，则在该方向进行协议约定，进而进行数据传输。节点自身存储邻节点的相对位置信息，多个节点接入时可以查阅相对位置表，检查传输过程是否会受到影响。图中节点A和B进行有效传输，节点C和D均在A的传输范围内，此时C节点通过查看位置信息表发现自己影响了A、B节点间的传输，进而采取退避或等待措施，而节点B、D间未受影响，可以继续进行原有通信。这种模式无需节点间先验位置信息，通过检索相对位置信息表就能较好地避免冲突。

图6 节点A、B间预约通信

5 结 语

论文分析了水声通信网络的体系结构及水声通信的信道特性，将其作为数据链路层MAC协议研究的基础。在对当前典型MAC协议充分研究的基础上对比分析了各种协议的优缺点，及其在水下移动网络中的适用性。最后，在综合前人研究成果的基础上提出了对于水下小规模移动通信网络MAC协议的设计方案。水下移动通信网络技术对于我国的海洋开发与军事应用具有重要价值。但当前对于水下移动网络的研究还处于起步阶段，尤其是对高速移动的水下节点间通信及组网问题，还有诸多技术问题需要解决。论文通过综述形式给出本领域的需求与研究现状，寄望于引起更多专家聚焦该领域，更好地服务于我国的海洋强国战略。