介绍在水声随机多途径传输的信道中, 基于水声的水下无线通信的方法及其实现. 海洋环境
的水声信道不仅是一个极其复杂的时—空—频变随机多途径传输信道, 尚有环境噪声高、带宽窄、载
波频率低、传输延时大等因素制约数据传输速率. 介绍的通信方法及支持实现的关键技术, 都对这些
方面的影响予以考虑. 做出的语音、图像以及数据3 种不同的应用系统, 多数已通过海上实验, 效果
良好, 可实际应用. 并指出国际上技术先进的国家致力这领域研究的也仅在最近才有极少数取得重
大突破, 该结果展示它与国际近于同水平同步地进展.国家“863”计划(8632512211224, 8632512211226, 8632512204207) 和福建省自然科学基金
(A 9910001) 资助项

许克平

许天增

许茹

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第 40 卷　第 2 期 厦门大学学报 (自然科学版) V o l. 40　N o. 2　2001 年 3 月 Jou rna l of X iam en U n iversity (N atu ra l Science) M ar. 2001　文章编号: 043820479 (2001) 0220311209基于水声的水下无线通信研究收稿日期: 2001202215基金项目: 国家“863”计划 (8632512211224, 8632512211226, 8632512204207) 和福建省自然科学基金(A 9910001)资助项目作者简介: 许克平 (1938- ) , 男, 教授.许克平1, 许天增2, 许　茹1, 程　恩1, 王清池2, 粘宝卿2(1. 厦门大学电子工程系, 2. 厦门大学海洋学系, 福建 厦门　361005)摘要: 介绍在水声随机多途径传输的信道中, 基于水声的水下无线通信的方法及其实现. 海洋环境的水声信道不仅是一个极其复杂的时—空—频变随机多途径传输信道, 尚有环境噪声高、带宽窄、载波频率低、传输延时大等因素制约数据传输速率. 介绍的通信方法及支持实现的关键技术, 都对这些方面的影响予以考虑. 做出的语音、图像以及数据 3 种不同的应用系统, 多数已通过海上实验, 效果良好, 可实际应用. 并指出国际上技术先进的国家致力这领域研究的也仅在最近才有极少数取得重大突破, 该结果展示它与国际近于同水平同步地进展.关键词: 海洋; 水声; 无线通信中图分类号: TN 929. 3 文献标识码: A 　　　　　　　　　　　　　　　海洋是人类生存活动十分重要的领域. 海啸的准确预警, 资源开发方面的水下自动生产系统, 以及与国家安全有关的多种监控与观通等, 它们要求现代的通信系统是: 陆—海—空三维空间移动互联通信网.三维移动互联通信网的组成, 当前主要制约于水下通信. 光与电磁波在海水中的传播衰减很大, 无法用在中等以上距离的信息传递. 例如电磁波, 即使选用甚低频 (小于 10 kH z) , 配上兆瓦级的发射功率和庞大的天线, 在海水中的穿透力也不外乎 100 m 左右, 数据传输速率达到 100 bös 而已. 水下通信, 水声是当前唯一可选择的有效手段.之所以这样选择是声波的衰减相对小得多. 要不然水声信道是一个十分复杂的时—空—频变参随机多径传输的信道; 还加上它的环境噪声高、带宽窄、可适用的载波频率低、传输的时延大等. 这诸多不利因素加剧了抗多径干扰的困难. 实现误码率低, 数据率高的水声通信是很困难的,B ill Schw eber (美国 EDN 杂志执行总编辑)说, 如果你认为速率为几百兆位ö秒的数据链路 (铜缆或无线 笔者注)的难度很大的话, 那你试试看达到 2 400 bös (不过, 这是在水中)就更知其难了[ 1 ].2000 年, 美国实现了从水下 400 英尺的潜艇发送 E2M A IL 至陆上. 其间通过中等距离的水声无线数据传输后, 由其他的通信链路予以中转接入因特网[ 2, 3 ]. 这结果标志水声通信技术达到有实用意义的程度; 它亦预示: 国际间, 出于海洋资源开发、科学研究或军事活动等目的,将竞相研究与组建陆—海—空三维移动通信网. 研究的重点放在水下无线移动通信的中继与组网的方法及技术[ 4 ].1　多径传播对接收信号的影响图 1, 2 是浅海负跃层声传播路径的简图[ 5 ]. 假设海面和海底都较平整, 则路径的形状是由声源所在位置以及整个传播范围内的声速结构所决定. 从这个简化的模型中, 看到声源和接收器之间存在大量的声路径.　图 1　上发上收的声线图 (跃层为界)　F ig. 1　Sound rays w hen upper sending and upper receiving　图 2　下发上收的声线图　F ig. 2　Sound rays w hen low er sending and upper receiving实际的海洋, 海面波浪会把入射声波反射到不同的方向上去; 同样, 海底也不是平整的, 尤其海水 沉积层的分界面多数是起伏的; 在浅海域声速剖面, 绝大多数是复杂的随机分层. 因此, 声在浅海中传播, 实际经历的是复杂的随机多径过程.·213·　　　　　　　　　　　　　　　　厦门大学学报 (自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　2001 年1. 1　多径的影响对接收信号的影响主要在两个方面: 1)幅度衰落; 2)码间干扰.　图 3　幅度衰落频率相关性海上实验结果　F ig. 3　Relativity of the fading betw een the frequencies on the sea1) 幅度衰落幅度衰落, 即接收信号忽大忽小. 在浅海域大深度衰落是频发性的, 时常衰到小至无法检测.衰落的机理是: 沿各途径的信号(假设简正波) 到达接收器时相位不同相干形成的. 对此, 用提高发射功率来改善, 显然收效甚微.一定的频率间隔, 衰落的相关性显著降低, 从图 3 海上的实验结果可明显看出. 在图 3 中, 脉冲的载波频间 300 H z, 间隔 10m s, 标注号 [ 1 ]与 [ 2 ]脉冲的信号衰落幅度有较大的差异. 可见, 采　图 4　频率分集海上实验结果　F ig. 4　F requencies diversity on the sea用频率分集处理幅度衰落是一个较有效的方法. 图 4 示出海上试验频率分集方法得到的“此起彼落”结果 (见图中标注号 [ 1 ]、[ 2 ]的脉冲). 不过, 频率分集要开销掉窄带的水声信道原就已经十分匮乏的频率资源. 从这里看到, 实施抗多径效应, 水声与电磁短波比较, 前者难上加难.2) 码间干扰无线电短波各径间最大相对延时差绝大多数在 5 m s 以内. 水声则不然, 由于海水的声速只有1 500 m ös, 中、远距离的传播, 各径间相对时差就较大, 同一符号的接收信号以梳状结构分布在较宽的时间轴上 (如图 1, 2 所示). 如果传播的是没有间隙的脉冲序列, 多径将造成接收信号发生不同码元重叠, 这给判决带来困难 (甚至无法辨别).码间留有适当的间隙, 这只能用在低速率的传输系统.在时间同步脉冲引导下, 不同时刻发射的脉冲用不同的频率来表示. 对于接收, 同一时刻各径到达的信号频率是不同的, 若有同步信号可参考, 则不同时刻的信号频率是确定的 (根据码书). 这样, 即便有若干多径形成的干扰码与之混迭, 也有以频率为准则来提取信号的办法.这就是跳频抗多径干扰的思路.·313·第 2 期　　　　　　　　　　　许克平等: 基于水声的水下无线通信研究　　　　　　　　　　　　　　2　水声通信中抗多径的方法海洋环境的水声信道, 诚如L ee F reitag 说:“这是至今还存在的难度最大的无线通信的信道, 也正因为如此, 它同时也是最吸引人的”[ 2 ].焦点聚集在大陆架 (浅海域 0～ 200 m 海深) 实现水声通信. 因为这是难度最大, 也是经济与军事活动最有意义的区域, 关键是抗多径干扰. 抗多径的主流方法有两种: 一是全自适应式;　图 5　D FE 与M L SE 组合的解调器原理框图　F ig. 5　B lock diagram of D FE &M L SE demodu lato r另一种是扩展频谱式.1) 自适应方式自适应的名目繁多, 最关键的 (也是最难的)是如图 5 所示的解调器. 不过, 能否对付多变复杂的信道这是一个问题.构想: 先通过较简单、易实现的判决反馈均衡 (D FE) ,减小多径对传输信号的影响(如时间扩散) , 使后继的最大似然序列检测 (M L SE) 较易实　图 6　跳频的脉冲序列结构　F ig. 6　Pattern of frequency- hopp ing sequence现.问题是: 要做到快速跟踪信道的变化来实时调节均衡网络, 在当前, 信道估算及M L SE 尚难胜任. 在深海变化较慢、较稳定的信道, 可选择这种方法.2) 扩展频谱方式这里主要讨论扩频中的跳频方式. 图 6 示出跳频通信脉冲序列的结构. 图中: 逻辑“1”或“0”分别用 f i (1) 或 f i (0) 频率予以表示. 图 6 的序列结构是按约定的码书排列的, 因此, 接收端离同步不同时间的信号频率是确定的, 例如距离同步 4 个脉冲宽度间隔的信号 S5, S5: 是“1”则为 f 2 (1) ; 是“0”则为 f 2 (0). 非 f 2 (1)、f 2 (0) 的频率信号按“干扰”排除.对于自适应方式, 信道特性一“变”就需自适应调整过程, 频繁地变 (浅海域实际存在) , 难免无以是从自适应. 对于跳频方式, 则不管怎样变, 可根据同步脉冲, 按位据已知频率来检测信号, 就方法 (不是指技术)而言: 简明、切实、有效.图 7 是跳频方式接收原理框图.上面是以方法层议论的. 实际上, 跳频在技术实现, 对应水声信道所需的技术支持并非易事. 跳频中至关重要的同步脉冲如何准确无误地检测, 就是一例. 不言而喻, 错、漏一个同步脉冲将引发一大片码的误、错判决.3 选择自相关性强的伪随机码 (如巴克码)作为同步脉冲, 可以作为一种选择.3 防漏测, 用多重互相关码也是一种选择.3 面对水声信道, 简单的脉冲将产生位置抖动、漏、错等, 担不起同步重任.·413·　　　　　　　　　　　　　　　　厦门大学学报 (自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　2001 年　图 7　跳频方式接收原理框图　F ig. 7　B lock diagram of frequency2hopp ing receiver对于抗幅度衰落:3 分集是很有效的方法.3 跳频与多进制频移键控 (M FSK)有部分频率分集功能.3 利用自相关性强的伪随机码.3 前向纠错编、解码技术.3 中等幅度衰落采用对信号的包络快速响应的恒幅放大器.以上是本研究在实施具体应用的通信系统中, 按系统的需要与允许分别予以录用.3　研究成果海洋环境中, 水声信道的传输函数具有许多不确定性因素, 通信系统设计与信道特性密切　图 8　发射原理框图　F ig. 8　B lock diagram of underw ater acoust ic speech comm unicat ion transm it ter相关. 自适应信道均衡必须在线估算信道来调整均衡系数, 能否成功取决于随机应 变的能力.这在浅海域实际工作中, 因信道参量快速多变, 原就存在信道估算时延问题又加上估计误差,将造成误差往往不收敛于最佳值, 甚至发散; 对于这种不确定性的水声信道, 通信系统采用鲁棒处理, 可望得到较大宽度的适应性和实际应用的效果[ 6 ]. 因为鲁棒策略是保证即使不确定性对系统的性能品质影响最严重的时候也能满足设计要求, 而这正是实际现场最需要的.下面介绍语音、图像、数据三种不同的应用系统.3. 1　语音通信图 8, 9 是本研究的语音通信机系列中的一种.·513·第 2 期　　　　　　　　　　　许克平等: 基于水声的水下无线通信研究　　　　　　　　　　　　　　　图 9　接收原理框图　F ig. 9　B lock diagram of underw ater acoust ic speech comm unicat ion receiver该系统已在浅海域通过海上试验. 水平全方向发、收, 7 500 m 为半径海域内, 很可靠地实现语音信息收发. 要拓展距离 (如抵达 3 万 m ) , 选用相应的水声换能器及加大发射功率即可达到, 系统不存在工作原理上的制约. 针对非寻常的海洋环境, 本系统采用讲话语音或键盘键入语音对应的中文文字; 接收端既有语音, 同时在 CR T 上有语音对应的文字显示, 音、文并茂, 改变语音通信“一听即过”的不足. 本通信系统保密性强, 除常规的应用外, 并能实现人2机对话, 开拓了水下无缆机器人, 水下自动生产系统一类有效的无线通信设备. 带宽 5 kH z, 工作频率: 6～ 11 kH z 或 12～ 17 kH z (取决于通信距离).3. 2　水下静态图像传输图像内容丰富, 是水下工程一类观通设备. 它可作为水下机器人的“眼睛”, 水下自动生产系统的远程无缆监控设备, 此外, 语音通信中难以表述的图文资料, 借图像传播可收到“一目了然”的信息.图 10, 11 是水下图像传输原理框图.已通过浅海域水平方向传播的海上试验. 在距离 1 万 m 内, 很可靠地收到如图 12 的图像.同步信号, 对于多径环境来说, 位重如擎天之柱. 为此, 选择自相关性强的伪随机码作为同步信号. 图像像素的灰度级用不同的频率予以表示, 本系统采用 16 级来量化像素的灰度. 上述的图像像素密度及帧频是: 320 (像素)×200 (行) ö32 s, 其带宽为 5 kH z.3. 3　数据传输本研究做过低、中、高不同数据速率的传输系统, 适其所用. 图 13、14 示出的属于高速率类型.·613·　　　　　　　　　　　　　　　　厦门大学学报 (自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　2001 年　图 10　图像发送原理框图　F ig. 10　B lock diagram of underw ater acoust ic im age transm it ter　图 11　图像接收原理框图　F ig. 11　B lock diagram of underw ater acoust ic im age receiver　图 12　水下图像传输收发的图像1: 原始图像; 2: 4 公里接收图像; 3: 7 公里接收图像; 4: 10 公里接收图像　F ig. 12　O riginal im age and im ages received from differen t distances·713·第 2 期　　　　　　　　　　　许克平等: 基于水声的水下无线通信研究　　　　　　　　　　　　　　　图 13　数据传输发射原理框图　F ig. 13　B lock diagram of underw ater acoust ic data comm un icat ion transm it ter　图 14　数据传输接收原理框图　F ig. 14　B lock diagram of underw ater acoust ic data comm un icat ion receiver本系统的技术指标及系统实现的技术支持是: 数据传输速率 (可调) 分为 600, 1 200, 2 400bös, 传输距离 5 000～ 10 000 m (与海况有关) , 采用 16 进制频移键控 (M FSK) , 二重频率分集, 扩展频谱方式 (频道带宽 5 kH z) , 前向纠错, 数字频谱分析 FFT.在频道带宽限制在 5 kH z 条件下, 上述诸项严重地相互制约着, 给实现上带来很大的困难, 但它们几乎都是数据高速率水声传输为抗不确定性的多径干扰所必须的. 这里为B illSchw eber 所说:“你试试看达到 2 400 bös (不过, 这是在水中)就知其难”一语作了注释.4　结　语水声是水下无线中、远距离的通信当前唯一的手段, 实现水声通信最为主要的障碍是随机多径干扰. 迄今为止, 只有极少数的国家 (如美国) 在水声通信领域取得突破进展, 达到有实用意义的程度. 本研究成果与国际上在这领域近于同水平同步地进展. 今后研究重点除进一步提高可靠性外, 侧重于陆2海2空移动互联通信网技术研究.致谢: 参与本研究的还有许水源、许惠英、许肖梅、许鹭芬副教授, 许俊、许祥滨等博士研究生, 以及刘智辉等几十位硕士研究生.·813·　　　　　　　　　　　　　　　　厦门大学学报 (自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　2001 年参考文献:[ 1 ]　Schw eber B. 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Eng. , X iam en U n iv. , 2. D ep t. of O ceanog. ,X iam en U n iv. , X iam en 361005, Ch ina)Abstract: T he m ethods and the im p lem en ta t ion s of underw ater acou st ic (UW A )comm un ica t ion s in the stochast ic acou st ic m u lt ipa th p ropagat ion channels have been stud ied.T he ocean underw ater stochast ic acou st ic p ropagat ion channels w ith their t im e2, space2, andfrequency2varying m u lt ipa th have dem on stra ted the grea t com p lex it ies and diff icu lt ies fo rw ireless comm un ica t ion s. In addit ion, there are m any o ther p rob lem s encoun tered in UW Achannels, such as la rge am b ien t no ise, lim ited bandw id th, low carrier frequency, andex tended p ropagat ion la tency. A ll of these sub stan t ia lly lim it the da ta ra tes of underw aterd ig ita l comm un ica t ion s. T he paper describes the m ethods of underw ater comm un ica t ion s, asw ell as the key suppo rt ing techno log ies of the im p lem en ta t ion s based on the con sidera t ion s toovercom e the d iff icu lt ies sta ted above. W e have designed th ree d ifferen t system s fo r theapp lica t ion s of audio , video and data underw ater t ran sm ission respect ively. T he perfo rm anceof the system s has been invest iga ted on the experim en ta l t ria ls in rea l ocean environm en ts.P resen ted resu lts ind ica te the superio r qua lity of the system s tested, and the system s havebeen p roven to be su itab le fo r the p ract ica l app lica t ion s in rea l ocean environm en ts. O f la te,a grea t dea l of va luab le research w o rk has gone in to the field of UW A comm un ica t ion s in anum ber of techno log ica lly lead ing nat ion s. N evertheless, it is on ly un t il la tely, a very sm allnum ber of them have reached the m ajo r b reak th rough. It has been dem on stra ted tha t ou rresearch w o rk resu lts a re equ iva len t to the cu rren t ones ob ta ined in tho se lead ing nat ion s.Key words: ocean; underw ater acou st ic; w ireless comm un ica t ion s·913·第 2 期　　　　　　　　　　　许克平等: 基于水声的水下无线通信研究　　　　　　　　　　　　　　

基于水声的水下无线通信研究

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/8307/%e5%9f%ba%e4%ba%8e%e6%b0%b4%e5%a3%b0%e7%9a%84%e6%b0%b4%e4%b8%8b%e6%97%a0%e7%ba%bf%e9%80%9a%e4%bf%a1%e7%a0%94%e7%a9%b6.pdf?sequence=1&isAllowed=y

基于水声的水下无线通信研究

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