水声通信网及其多址接入技术
水声通信及网络技术综述
水声通信及网络技术综述
杨健敏;王佳惠;乔钢;刘凇佐;马璐;何鹏
【期刊名称】《电子与信息学报》
【年(卷),期】2024(46)1
【摘要】水声通信(UAC)及网络技术在海洋环境监测、商业领域和军事领域等诸多方面发挥着重要作用,关心海洋、认识海洋、经略海洋离不开水声通信及网络技术的发展。
该文对水声通信技术和水声通信网络(UACN)进行综述,首先回顾了水声通信技术和水声通信网络的发展,总结了水声信道的特点。
然后,对于水声通信技术中的非相干调制技术、相干调制技术以及以应用需求为导向的新型通信技术进行陈述。
随后,对于水声通信网络中数据链路层媒介接入控制协议、网络层的路由协议和跨层设计进行分类探讨。
最后,对目前水声通信及网络技术的不足进行总结,并且对未来水声通信及网络技术的发展进行展望。
【总页数】21页(P1-21)
【作者】杨健敏;王佳惠;乔钢;刘凇佐;马璐;何鹏
【作者单位】中山大学海洋工程与技术学院;哈尔滨工程大学水声技术重点实验室;工业和信息化部海洋信息获取与安全工信部重点实验室(哈尔滨工程大学);哈尔滨工程大学水声工程学院;南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海);极地环境立体观测与应用教育部重点实验室(中山大学)
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.3
【相关文献】
1.水声通信网络技术研究
2.基于竞争的水声通信网络MAC层协议研究综述
3.水声通信网络技术研究
4.应用于海洋物联网的水声通信技术发展综述
5.异构无人潜水器水声通信技术发展综述
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水声通信技术研究进展
水声通信技术研究进展程恩;袁飞;苏为;高春仙;曾文俊;孙海信;胡晓毅【摘要】The development and state of arts about the underwater acoustic communication had been introduced in this article. Then the research progress and achievements about our study group , which belong to the key laboratory of underwater acoustic communication and marine information technology (Xiamen University , Ministry of Education of China) , had been introduced. Theprogress and achievement were concerning three topics.such as characteristic & matching method of the underwater acoustic channel,voice & image & data communication via underwater acoustic channel,underwater acoustic networks & three-dimensional communication Networks and so on.%介绍水声通信技术的发展历程与技术现状.围绕水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室(厦门大学)水声通讯课题组的研究方向,介绍课题组在水声信道传输特性与匹配方法,水声语音、图像、数据通信技术研究,水声网络与立体通信等领域的研究进展和研究成果.【期刊名称】《厦门大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(050)002【总页数】5页(P271-275)【关键词】水声通信;水声网络;高速水声正交多载波调制【作者】程恩;袁飞;苏为;高春仙;曾文俊;孙海信;胡晓毅【作者单位】厦门大学,信息科学与技术学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建,厦门,361005;厦门大学,信息科学与技术学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建,厦门,361005;厦门大学,信息科学与技术学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建,厦门,361005;厦门大学,信息科学与技术学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建,厦门,361005;厦门大学,信息科学与技术学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建,厦门,361005;厦门大学,信息科学与技术学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建,厦门,361005;厦门大学,信息科学与技术学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建,厦门,361005【正文语种】中文【中图分类】TN929.3海洋拥有丰富的资源和广阔的空间.随着人类海洋活动的日益频繁,水声通信已不再局限于最初的军事领域,而是拓展到更广泛的民用领域.在军事应用方面,水下武器系统的日益智能化,要求对其进行指挥控制通信,如:潜艇之间、母舰与潜艇或其它水下无人作战平台之间的通信,对水下航行器实施监测和导航,以及对水雷的远程声遥控等.在民用方面,如水下语音通信、工业用海岸遥测、水下机器人和海上平台的遥控指令传送、海底勘探数据与图像的传输,环境系统中的污染监测数据,水文站的采集数据等等,无不使其对水下通信的需求大为增加.水声通信技术虽然已有多年的研究史,但直到20世纪80年代,特别是在通信技术和计算机技术的飞速发展给水声通信的研究提供了强大的技术支持之后,水声通信技术的研究手段和方法才发生了根本的变化,水声通信的面貌焕然一新.现代高速数字水声通信系统的设计往往要同时研究海洋声学以及通信工程这两个方面,即在研究如何将无线电磁波通信中的成熟技术应用到水声通信中来的同时,研究水声信道不利因素对信号的影响而提出新的特殊的信号处理方法.人们已经提出了许多水声通信信号处理的特殊方法,而且,过去几年的广泛研究已经使水声通信成为应用工程学中的一个重要研究领域[1-2].考虑到水声信道对通信系统信号传输的影响,在20世纪90年代之前的水声通信系统主要采用多频键控(MFSK)调制解调技术.由于其采用能量检测,因此MFSK系统对于时间和频率扩展的信道来说是相当稳健的.虽然非相干MFSK在中等数据率和强多径干扰、快速相位变化的水声信道中是一种很好的调制解调方法.但其频带利用率很低,不超过0.5(bit/s)/Hz.为了提高频带利用率,在最近的几年中水声通信领域转向相位相干调制技术[3].相对于非相干系统来说,相位相干水声通信系统在过去的十几年内已经取得了相当大的进展.其中具有里程碑意义的是在PSK接收机中使用了判决反馈均衡器(decision feedback equalizer, DFE)结合数字锁相环(phase locked loop,PLL)结构[4-5].在此基础上,类似的相干系统与均衡器结构得到了广泛的应用.近些年来,相干接收机研究的重点在于减小接收机算法的计算复杂度或提高均衡器的跟踪能力,研究者们提出并测试了大量的针对载波相位同步联合均衡器结构的改进方法.当水声信道的多径时延较长,即时间弥散比符号速率大得多,导致严重的码间干扰(ISI)时,时域均衡器的计算复杂度随信道弥散长度的增加而增长,均衡器的实现将变得复杂,甚至难以实现.进入21世纪以来,对水声通信新技术的研究方兴未艾.主要包括水下多载波调制技术、码分多址(CDMA)扩谱技术、空间分集技术、水下通信网络等,取得了一些令人鼓舞的初步成果[6-10].在国外,许多院校、科研机构,如:美国麻省理工学院、美国东北大学、美国Space&Naval Warfare系统中心、美国伍兹豪海洋研究所、美国佛罗里达大学、美国海军实验室、英国海洋研究所等,以及众多科研人员都对水声通信技术进行了深入的研究,并且取得了丰硕的成果.在国内,包括厦门大学,西北工业大学,哈尔滨工程大学,中科院声学所,浙江大学,715研究所等单位也开展水声通信及相关研究活动,并取得一定成果.厦门大学是国内首批开展水声通信研究的单位之一,又是我国海洋科学研究的发祥地,具有几代人学科发展的积淀和多学科交叉优势.20多年来,厦门大学水声通信课题组在水声数字图像传输、水声数字语音传输、水声数据传输、水声遥测遥控等研究方面形成了自己的特色和优势,获得了一批具有国内领先、国际先进水平的研究成果[11].水声多径信道的估计(包括信道的多径时延参数、多径幅度衰减因子和多普勒频移参数的估计)是诸多水声系统的关键信号处理技术,在水下目标的探测和定位、海底声学特性反演、海洋声学层析等水声逆问题以及水声通信中都具有重要的应用价值[12].然而,水声多径信道反演中的很多关键问题,例如分辨率、计算复杂度、难以获得全局最优解、以及非高斯噪声的影响等,都尚未得到较好的解决.因此对水声多径信道的估计进行系统的研究具有重要的研究意义和价值.水声信道是时变的信道,如何对时变水声信道参数进行动态跟踪也是非常重要的研究问题.实验室在水声通信基础研究、浅海声信道传输特性及匹配方法方面开展了深入、系统的研究.近年来,实验室成功设计出了已知发射信号下时不变信道的高性能、低复杂度的估计算法.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),在低信噪比的条件下实现了多径时延的超分辨估计[13].如图1所示,现有的高分辨率信道估计方法如投影到凸集方法(POCS)、匹配追踪算法(MP)、约束最小二乘方法等都失败了,而FESCCO方法成功的估计出了该水声信道.非常重要的一点是,FESCCO方法具有很低的计算复杂度.如果接收信号长度为N,则FESCCO方法的计算复杂度仅为0(NlogN).今后将继续在该技术基础上,开展对时变水声多径信道自适应估计、时延-多普勒扩展函数估计;未知发射信号的高分辨率盲信道估计;以及冲激性噪声下鲁棒的水声信道估计等一系列研究.实验室成功开发了3套不同制式的水声语音通信系统,即:基于数字检测音节压扩综合自适应增量调制水下语音通信系统;基于语音识别与合成的水声语音通信系统;基于调频制式的水下语音通信系统.在水声数据扩谱通信的研究中,已解决了强背景噪声下的信号检测和快速可靠的同步技术两项关键技术,创新性提出“同步信号优选方法”,突破了同步捕获时快速与准确难以兼得的矛盾.先后研制成功了第1代、第2代水声语音通信样机.第1代语音通信样机在厦门极浅海域进行了多次试验,其稳定通信距离在7 500 m左右,扩展通信距离可达到10 000 m.第2代语音通信样机加入了信道纠错编码,增强了通信过程中的容错能力,提高系统的鲁棒性.在厦门极浅海域进行了多次试验,其稳定通信距离在10 000 m左右,扩展通信距离可达到12 000 m.据美国《国防》月刊2009年1月号报道:美海军解决潜艇深海通信难题.据其公开的参数指标,该难题关键技术厦门大学水声通信科研组也已经解决.近年来,课题组成功研制了第3代语音通信样机,其通信体系结构能适用于远、中、近程3种信距,差别仅在于工作频率和发射功率,有广阔军事应用前景.针对水声信道可用带宽窄,信息传输速率低的特点,结合OFDM可有效抵抗多径时延的优势,将基于OFDM技术的高速水声通信系统作为研究目标,旨在构建具有高速、信号隐蔽性强,有效抵抗水声信道频率选择性衰落的水声通信样机,实现水下语音、图像、文本等多媒体信息的可靠传输.多年来,我们针对复杂的浅海水声信道特点,对OFDM技术应用于水声通信进行了一系列较为深入的研究,通过对水声OFDM通信系统的同步体系、信道估计与均衡、信道编码方案以及分集技术等关键技术的研究,结合高噪声的水声环境下提取微弱水声信号方案,已构建了完整的水声OFDM图像传输系统方案[14].经过多次在厦门五缘海域和白城海域的白天夜间的实验表明,水声OFDM系统可以有效的抵抗水声信道的多途干扰.特别是构建的基带OFDM系统在实验中显示其稳健性.采用DSP技术和嵌入式技术完成了水声OFDM通信系统的样机实现,并进行了海试.与此同时,还进行了前沿性的水声通信系统和水声信号处理方法的探索研究,构建了CI/OFDM水声通信系统及其相应的算法研究.根据在厦门港浅海域的多次实验,水声OFDM通信系统取得了较好的阶段性实验结果[15].厦门港海试结果为:水平传输距离820 m时,传输速率1.5 kbit/s,不同海况下数据误码率均小于10-4.在频带系统中,当传输速率4.8 kbit/s,数据误码率在10-3量级.系统融合了信道编码技术后,若误码率在10-1～10-2以下,误码率可以进一步降低1～2个数量级.若误码率在10-3量级,纠错后,可实现无误码.图2是在厦门港浅海域的图像传输效果图及接收信号的时域波形图和通信系统中的同步信号.实验室在水声网络方面开展了深入、系统的研究.重点包括以下3个方面:1)水声通信网络多址接入技术研究.针对浅海水声网络多址接入技术开展研究,旨在研制成具有跳频码分多址(FH-CDMA)接入、鲁棒性强、低误码率、符合自组织网络的水声跳频通信机(作为节点),提出一种能适应水声环境的媒体接入协议.2)基于OPNET仿真软件的水声网络接入控制协议.对MACAW协议进行优化,使MAC协议更适合于水声网络环境中的应用,减少能量的消耗.优化方案中引入了S-MAC的睡眠引导机制,并在网络分析软件OPNET上进行验证.引入SMAC睡眠机制的优化MACAW协议分别在一跳拓扑上进行了仿真.3)水声网络多节点连网试验研究.采用FPGA构建设计并实现水声通信网络系统,对其中关键的MAC层MACW协议进行了编程、路由协议等研究,在实验室水池和厦门港海域实现了多节点的连网试验.图3是实验室参考国内外提出的水声通信网络模型,自主提出的一种水声网络拓扑结构[15].随着人类科技的进步,能源的消耗,海洋必将是以后人们关注的重点,而与海洋密切相关的水声通信技术也会迎来新的机会和挑战.目前,人们对水声通信的研究仍然集中在相位相干系统的研究上,自适应均衡、阵处理、纠错编码等也是人们研究的热点.但是水声通信网络和高速的水声通信系统应该是未来水声通信的发展趋势.致谢:参与本研究的还有许肖梅教授、童峰教授,彭超、伊锦旺、林文等博士研究生,以及几十位硕士研究生.【相关文献】[1] Urick R J.水声原理[M].洪申,译.哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出版社,1990.[2] Kilfoyle D B,Baggeroer A B.The state of the art in underwater acoustic telemetry[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2000,25(1):4-27.[3] Stojanovic M,Freitag L,Johnson M.Channel-estimationbased adaptive equalization of underwater acoustic signals[J].MTS/IEEE Coference and Exhibition Oceans,1999, 1:590-595.[4] Jones J C,Di Meglio A,Wang L S,et al.The design and testing of a DSP,half-duplex,vertical DPSK communication link[J].MTS/IEEE Coference and Exhibition O-ceans,1997,2:985-990.[5] Geller B,Broissier J M,Capellano V.Equalizer for high data rate transmission in underwater communications proc [J].MTS/IEEE Oceans Conf,1994,1:302-306.[6] Green M D,Rice J A.Channel-tolerant FH-MFSK acoustic signaling for undersea communications and networks [J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2000,25(1): 28-38.[7] Trucco A,Crocco M,Repetto S.A stochastic approach to the synthesis of a robust frequency-invariant filter-andsum beamformer[J].IEEE Trans on Instrumentation and Measurement,2006,55(4):1407-1516.[8] Camps A,Skou N,Torres F,et al.Considerations about antenna pattern measurements of 2-D aperture synthesis radiometers[J].IEEE Geoscience and Remote SensingLetters,2006,3(2):259-262.[9] 秦洪峰.水下多目标定位关键技术研究[D].西安:西北工业大学,2002.[10] 肖瑛.基于水声信道的盲均衡算法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2006.[11] 许克平,许天增,许茹,等.基于水声的水下无线通信研究[J].厦门大学学报:自然科学版,2001,40(2):311-319.[12] Xueyi G,Adam Z.An eigenpath underwater acoustic communication channelmodel[J].MTS/IEEE Coference and Exhibition Oceans,1995,2:1189-1196.[13] Zeng W J,Jiang X,Li X L,et al.Deconvolution of sparse underwater acoustic multipath channel with a large timedelay spread[J].Journal of the Acoustical Society of A-merica,2010,127(2):909-919.[14] Sun Haixin,Xu Ru,Xu Fang.A new accurate symbol synchronization scheme for underwater acoustic communication systems[C]//2007 IEEE International Workshop on Anti-Counterfeiting Security,identification.Xiamen,China:IEEE,2007:336-339.[15] 王琦,胡晓毅,王德清,等.基于水声网络的FAMA协议仿真研究[J].厦门大学学报:自然科学版,2010,49(4): 505-508.。
现代水声通信技术
分布式网络 分布式网络具有完全的点对点连接结构，指网络中的 所有节点之间都可以实现直接通信，因而不再需要路由。 但是为了实现网络中远距离节点间的通信，需要的输出功 率很大，这对于以电池供电的节点来说是不利的，同时还 将会产生 “远近效应”，即当前节点向其远程节点的数 据发送将会对其临近节点的数据接收造成严重干扰。
多跳式网络 多跳式网络仅在临近节点间建立通信链路，信息由源 节点到目的节点的传输是通过信息在节点间的跳转实现的。 因此，多跳式网络能够实现更大的覆盖面积，此时，网络 的覆盖面积将取决于节点数目而不是节点调制解调器的发 射声源级，正因为如此，目前水声通信网络大多采用多跳 式结构。但是另一方面，多跳式网络协议设计必须包含路 由算法，同时，随着跳转数目的增加，数据包的传输延迟 也将相应增加。
物理层物理层是网络协议的最低层主要负责在发射端将由0与1组成的逻辑信息转换为相应的通信信号经过调制后发射到水声信道中而在接收端进行解调进而采用适当的处理算法对经过水声信道多径多普勒效应以及噪声环境影响的接收信号进行修复及检测将其重新还原成原始的逻辑信号
现代水声通信技术 —原理、设备介绍及仿真实验
水声通信网络节点模型
CSMA（carrier sense media access）协议 CSMA协议采用载波监听策略，即发射端在数据发送前， 首先对信道进行载波监听，确定临近节点是否正在进行数据 发送，如果是则延迟发射以避免出现数据碰撞。但由于存在 隐蔽终端的问题，这种协议不能避免发生在接收端的数据碰 撞；另一方面，由于存在暴露终端的问题，CSMA协议同样也 有可能导致不必要的发送延迟。
物理层 物理层是网络协议的最低层，主要负责在发射端将 由0与1组成的逻辑信息转换为相应的通信信号，经过调 制后发射到水声信道中，而在接收端进行解调，进而采 用适当的处理算法对经过水声信道多径、多普勒效应以 及噪声环境影响的接收信号进行修复及检测，将其重新 还原成原始的逻辑信号。因此，物理层的主要设计目标 在于以相对低的能量消耗，克服信道畸变与干扰，获得 较大的链路容量。为了达到这个目标，必须适当的设定 系统的调制制式，同时采取一些关键的处理技术，如 RAKE接收、自适应均衡与多用户检测等，以提高通信传 输性能，降低系统误码率。
水声通信技术
水声通信技术水声通信是海洋中无线信息传输的主要技术手段。
水声通信技术在海洋环境监测、水下航行器/载人潜水器作业等方面有着广泛应用。
水声通信及网络可灵活地用于不同的速率载荷、覆盖距离、水体深度、网络结构的情景，可广泛地应用于海洋环境观测，实现水下不同空间位置多个观测设备之间的信息交互。
同时，水声信道传输状态多变、海洋作业环境恶劣，对通信算法和设备可靠性有较高要求，水声通信及组网成为目前的研究热点。
水声通信网络在国外已有20a发展历史，开展较早且具有代表性的是美国的Seaweb网络。
美国的Seaweb网络经过多年的试验，实现了多固定节点的组网、自适应节点路由初始化、潜艇和AUV的数据接入、利用固定节点对AUV定位、分簇网络等多种功能，在基于卫星浮标的远海观测网、港口近岸的水下侦查网络及军用水下航行器指令传输及定位等应用中展示了很好的应用效果和技术先进性。
欧洲也开展了试验研究。
近年来，在国家“863”计划、军方、国家自然科学基金等支持下，我国水声通信领域在通信算法、通信机研制、网络协议仿真、组网应用试验、协议规范制定等方面取得长足进步。
本文主要介绍面向海洋环境监测的水声通信网技术，并对未来的技术趋势进行展望。
水声通信信道是复杂的信道，信道带宽窄、传播速度慢、时变性强、频率选择性衰落、噪声严重等不利因素在水声通信信道中都很明显。
如何针对水声信道特点，采取高性能、可实现的通信算法，是水声通信领域的关键问题。
物理层主要解决利用信道进行点对点的可靠通信的问题，物理层技术方案主要包括调制解调和纠错码两部分内容。
对于水声通信中的调制解调技术，一般根据接收端是否恢复原始载波相位可划分为相干通信和非相干通信。
一、相干水声通信相干通信需要在接收端恢复原始载波相位信息，一般应用于信道不太恶劣的情况。
相干通信信道利用率高，一般超过1bps/Hz，即传输比特速率超过信道频率宽度。
如果信道衰落严重，采用多阵元接收的方式获得空间分集。
水声通信组网技术水声网络路由分解
2020/5/2
第五讲 水声网络路由
3
1.水声网络路由概述
2020/5/2
第五讲 水声网络路由
4
1.水声网络路由概述
水下通信网络是指将水下和水面结点如各种水下传感 器、水下航行器、水面浮标、水面船只舰艇等互联起 来的网络。通过该网络，其中的任意两个结点之间可 以随时进行信息交互。网络中结点可以移动，随时加 入或离开网络，网络不需要任何固定基础设置支持， 结点之间独立组网，这种网络又称为水下Ad Hoc网络， 或水下自组织网络。
• 缺点：缺乏可扩展性，限制了网络的规模
2020/5/2
第五讲 水声网络路由
11
2 路由协议的分类 ——分级路由协议
• 网络由多个簇组成 • 结点分为两种类型：普通结点和簇头结点。 • 处于同一簇的簇头结点和普通结点共同维护所在
簇内部的路由信息，簇头结点负责所管辖簇的拓 扑信息的压缩和摘要处理，并与其它簇头结点交 换处理后的拓扑信息
2
1.水声网络路由概述
路由问题 • 解决网络中结点如何将分组从源结点正确的发送
到目的结点的问题 • 即结点如何对分组进行转发的问题 路由协议 • 路由算法：在获知网络拓扑和链路状态的条件下，
选择源结点到达目的结点的路径的法则。如最小 代价路由选择算法（代价可以为时延、距离、能 耗等） • 路由策略：解决路由的选择如何适应网络拓扑和 状态变化的问题
• 在一定程度上抑制了簇思想在自组织网中的研究
2020/5/2
第五讲 水声网络路由
13
2 路由协议的分类
• 按路由发现的策略划分，MANET路由协议可分为 三类：
– 主动路由协议（global/proactive routing protocol） – 被动路由协议(on-demand/reactive routing
水声通信技术研究及其应用
水声通信技术研究及其应用水声通信是利用水体作为传输介质，将声波信号转换成数字信号，实现信息的传递。
水声通信技术主要应用于水下观测、管道巡检、海洋测量、水下作业、水下声呐、水下机器人等领域。
水声通信技术在海洋领域有着广泛的应用，对于保护海洋生态、资源勘探等有着积极的推动作用。
本文将对水声通信技术的研究和应用进行探讨。
一、水声通信技术的基本原理水声通信技术的基本原理是利用水中传播的声波将信息传递至远程，在传播过程中，水的吸收、散射、多次反射等作用都会对传输信号产生影响。
基于水声通信特点和传输过程的影响，研究人员开发出了一系列水声通信技术，例如QPSK调制、OFDM等技术，有效地提高了水声通信的可靠性和抗干扰性。
此外，海水中会存在一些出现波速不均匀、波速剪切等现象，因此也需要对信号进行特殊处理。
二、水声通信技术的应用1. 海洋资源勘探水声通信技术在海洋领域有着广泛的应用，其中一项重要的应用领域是海洋资源勘探。
如今，全球海上石油开采领域中，水下的通信设备也越来越普及，水声通信技术已成为石油捕捞作业中获取数据、控制设备、安全传输信息的重要方式。
2. 水下作业水声通信技术也可以应用于水下作业，例如水下沉船拍摄、水下的管道检测等。
这一领域的需求更多的是对局部的关键数据进行传输、控制和观测，以便发现并解决问题。
3. 海洋生态保护水声通信技术在海洋生态保护领域也扮演着重要的角色。
通过水声匹配滤波技术和水声通信，可以定位到各种声源和鱼群。
海洋生态保护作为一个跨学科领域，需要各个领域的专家进行协作研究，水声通信技术的应用，能够从声学的角度为生态保护提供有效的技术支持。
三、水声通信技术的研究方向1. 海洋智能物联网海洋智能物联网（IOST）是物联网技术在海洋领域的应用。
随着信息技术的发展和天然资源的枯竭，人们对海洋资源的开发和管理越来越受到关注。
水声通信技术在IOST中提供海底传感器网络数据传输的主要方法，海洋传感器网络与水下通信技术的结合，可以提高海洋监测的效率和精度。
水声信号的多通道处理技术研究
水声信号的多通道处理技术研究在当今的科技领域，水声信号处理技术扮演着至关重要的角色。
特别是多通道处理技术，为我们探索水下世界、实现各种水下应用提供了强有力的支持。
水声信号的特点使得其处理充满了挑战。
水下环境复杂多变，声音在水中传播时会受到吸收、散射、折射等多种因素的影响，导致信号的衰减、失真和干扰。
这就好比我们在一个嘈杂且充满障碍物的房间里试图听清远处传来的微弱声音。
而多通道处理技术的出现，就像是为我们打开了一扇解决这些难题的窗户。
多通道处理技术的核心在于利用多个接收通道同时接收水声信号。
想象一下，多个耳朵同时倾听同一个声音，然后将这些听到的信息综合起来进行分析和处理。
通过这种方式，我们能够获取更多关于信号的信息，比如信号的来源方向、传播路径等。
在多通道处理中，波束形成技术是一项关键技术。
它可以通过对各通道接收信号的相位和幅度进行调整，实现对特定方向信号的增强和对其他方向干扰的抑制。
就好像我们拿着一个可以调节方向的麦克风，只对准我们想要倾听的声音来源。
这不仅提高了信号的信噪比，还能更准确地确定声源的位置。
空间谱估计技术也是多通道处理中的重要手段。
它能够对空间中多个声源的位置和频率等参数进行估计。
比如说，在一片嘈杂的水下环境中，有多个不同频率的声源同时发声，通过空间谱估计技术，我们可以分辨出每个声源的位置和频率特征，从而更好地理解水下的声学场景。
然而，要实现有效的多通道处理并非一帆风顺。
通道间的不一致性就是一个需要克服的难题。
由于制造工艺、安装位置等因素的影响，不同通道在灵敏度、相位响应等方面可能存在差异。
这就像一群人听力水平不一样，在听同一个声音时会有不同的感受。
为了解决这个问题，需要进行通道校准，确保各个通道能够“协同工作”。
另外，多通道处理需要大量的数据运算和存储。
这对于硬件设备的性能提出了很高的要求。
如果处理速度跟不上，就会导致信号的延迟和丢失，影响处理效果。
因此，高效的算法和强大的硬件支持是实现优质多通道处理的重要保障。
水声综合通信网络关键技术的研究
水声综合通信网络关键技术的研究随着科技的不断发展，水声综合通信（AQUM）作为一种新兴的信息传输技术，开始受到越来越多的关注。
它使用水来创建和传输信息，是一种全新的信息传输技术，具有良好的特性、安全性和可靠性，且在安全性方面具有明显的优势。
因此，深入研究水声综合通信技术是当前通信领域的一项重要任务。
水声综合通信是指利用水中传播的声波来传输信息，它与传统的电磁波技术不同，因为水声波可以在水中传播更远、更安全，从而提高了信息传输的性能。
此外，比起电波，水声波辐射损耗小、通信距离远，这是水声综合信息通信成为可行的关键原因之一。
要研究水声综合通信技术，首先要了解其基本原理。
水声综合通信技术是利用高频水声波在水中传播的原理，以及水声波的物理规律来传输信息。
即在水中传播的水声波是由水体的声音及其会受到水流、温度、水质等外部条件影响而发生变化，当受到声波的入射时，由于水体对水声波的不同反射、吸收和散射，水体中的声波发生变化，从而形成一种共振模式。
其次，要考虑水声综合通信网络中关键技术的研究。
水声综合通信技术是一个复杂的系统，包括水声传感器、信号处理和传输等环节。
因此，要实现水声综合通信网络的高性能运行，需要研究关键技术，并构建一个安全可靠的水声综合通信网络。
首先是水声传感器技术。
水声传感器是水声综合通信系统中的核心设备，它将水传播的声波转换为信号，传递给后续的节点。
此外，需要考虑水声传感器的设计，即传感器的灵敏度、噪声抑制等。
其次是信号处理技术。
信号处理技术包括信号的检测、分类、检测和检测等，这些技术可以将水声信号转换成有用的信息，并进行进一步的处理。
一般来说，信号处理技术还包括加密/解密技术、同步技术和传输数据编码技术等。
最后是水声综合通信网络技术。
水声综合通信网络是一个复杂的系统，需要进行网络资源调度、信息传输和安全保护等多方面的运行管理。
水声综合通信网络技术还包括网络拓扑与分层技术、路由算法及网络管理等。
水声通信技术
水声通信技术水声通信是海洋中无线信息传输的主要技术手段。
水声通信技术在海洋环境监测、水下航行器/载人潜水器作业等方面有着广泛应用。
水声通信及网络可灵活地用于不同的速率载荷、覆盖距离、水体深度、网络结构的情景，可广泛地应用于海洋环境观测，实现水下不同空间位置多个观测设备之间的信息交互。
同时，水声信道传输状态多变、海洋作业环境恶劣，对通信算法和设备可靠性有较高要求，水声通信及组网成为目前的研究热点。
水声通信网络在国外已有20a发展历史，开展较早且具有代表性的是美国的Seaweb网络。
美国的Seaweb网络经过多年的试验，实现了多固定节点的组网、自适应节点路由初始化、潜艇和AUV的数据接入、利用固定节点对AUV定位、分簇网络等多种功能，在基于卫星浮标的远海观测网、港口近岸的水下侦查网络及军用水下航行器指令传输及定位等应用中展示了很好的应用效果和技术先进性。
欧洲也开展了试验研究。
近年来，在国家“863”计划、军方、国家自然科学基金等支持下，我国水声通信领域在通信算法、通信机研制、网络协议仿真、组网应用试验、协议规范制定等方面取得长足进步。
本文主要介绍面向海洋环境监测的水声通信网技术，并对未来的技术趋势进行展望。
水声通信信道是复杂的信道，信道带宽窄、传播速度慢、时变性强、频率选择性衰落、噪声严重等不利因素在水声通信信道中都很明显。
如何针对水声信道特点，采取高性能、可实现的通信算法，是水声通信领域的关键问题。
物理层主要解决利用信道进行点对点的可靠通信的问题，物理层技术方案主要包括调制解调和纠错码两部分内容。
对于水声通信中的调制解调技术，一般根据接收端是否恢复原始载波相位可划分为相干通信和非相干通信。
一、相干水声通信相干通信需要在接收端恢复原始载波相位信息，一般应用于信道不太恶劣的情况。
相干通信信道利用率高，一般超过1bps/Hz，即传输比特速率超过信道频率宽度。
如果信道衰落严重，采用多阵元接收的方式获得空间分集。
水声通信网络浅析【范本模板】
水声通信网络浅析摘要：随着现代信息技术的飞速发展，覆盖了地面、空中、太空、水面的立体信息网已经形成并为各国的通讯、交通、资源调查、国防等各项业务服务。
近年来，随着世界各国海洋开发步伐的加快，发达国家开始对水下声通信网进行研究.水声通信网络（UWN）承担着探测、数据通信的重要使命。
它通常由海底传感器、自主式水下运载器（AUV）和水面站组成，水面站可进一步与Internet等主干网连接，在这种环境中人们可以从多个水下远程设备提取实时数据，并把控制信息传递给各个设备。
本文将介绍水声通信网络的发展现状、关键技术、具体应用及发展前景。
关键词：水声通信网络发展现状 AUV1.发展现状目前陆上与空中的有线及无线通信已经很成熟，但是水下无线通信仍处于研究与试用阶段。
随着人类对海洋探索、开发的不断深入，无论是军用领域还是民用领域,都对水下通信有着极大的需求。
尽管在水下可以使用电缆、光缆等有线方式进行通信，但是这些方式中节点无法移动，适用对象极其有限。
电磁波在水下的衰减很大，要想在水中传播很远的距离就必须采用很低的频率,这就要求很高的传输能量和很长的天线，通常是难以实现的。
目前水下通信方式主要有长波通信、水下激光通信、中微子通信、水声通信等。
长波通信所需设备体积庞大，价格昂贵，通信效率低,目前主要用于基地与潜艇之间的远程通信；水下激光通信目前主要研究蓝绿激光水下通信系统，其穿透海水能力强，可实现基地与下潜400米以上的潜艇的通信，通信频带宽，数据传输能力强，但是灵活性不够；中微子通信是近年来新兴的技术,比较复杂，目前还仅仅停留在实验室阶段[2]。
声波是惟一一种能在水介质中进行长距离传输的能量形式。
水声通信是目前水下最合适的通信方式，得到了各发达国家研究机构和军方的高度重视。
最早的水声通信可以追溯到20世纪50年代针对模拟数据的幅度调制（AM)和单边带（SSB)水下电话。
随着VLSI（very large scale intergration,超大规模集成电路）技术的发展，在80年代早期水下数字频移键控（FSK）技术得到应用，它对信道的时间、频率扩散有一定的鲁棒性。
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/D 仿真模型建立
/. 0D 仿真背景
为了验证方案的可行性， 本次设计先是基于高 斯白噪声信道仿真的。有关参数选取如下： 换能器带宽： 04 P 34 QRS； 采样率： 044 Q； 时延： C) 级； 频带 0/ P 0T QRS （ 水声信道要求） 。
EF< 信道的资源是相当有限的， 这些有限的资 源应利用媒体接入协议公平有效地得到分享。对于 靠电池供电的水声网络来说， 面对水声信道的多变 性和强干扰性， 降低电池的消耗， 延长网络寿命， 保 证系统的可靠性是十分重要的。
( ( 图 N 的仿真结 果 说 明： 在 CDEDFCG 系 统 中， 随着信噪 比 的 增 大， 系 统 的 误 码 率 会 随 之 降 低。 系 统 在 信 噪 比 为 N ;O 采用 CDEDFCG 技 术 后， 时， 误码率 基 本 上 能 达 到 &# M ’ ， 体现了系统良好 的抗干扰性。而子载波数 ! 在满足每个子信道均 为非频率选择 性 衰 落 信 道 后， 进一步增大不会带 来系统误 码 率 的 改 善， 因 此 ! 的 选 取 不 能 太 大。 但如果 ! 的取值太 小， 在水声通信网中能分辨的 用户数会降低， 且保护时间在一帧信号中所占比 重就会较大， 系统频谱效率变差， 从而会导致系统 整体性能变差。因此子载波数目 ! 的选择应该在 系统复杂性和频谱效率之间折衷考虑。
图 %( 发送接收程序流程 )*+, %( -./ 01234.567 20 7./ 76589:*77*8+ 58; 6/4/*<*8+ =62+65:
增加而增加的。图 N 是帧长为 "## O*7 时信噪比与 误码率的关系图。
图 ’ ( CDEDFCG 仿真系统物理层原理框图 )*+, ’ ( -./ 94./:57*4 ;*5+65: 20 7./ =.P9*49 15P/6 *8 CDEDFCG /:Q157/ 9P97/:
［&］
物理层负责数据的调制解调， 它把信息转换成 在信道中传输的信号。数据链路层的任务是在两个 相邻节点间的链路上无差错地传送以帧为单位的数 据。数据链路层的上一层是网络层， 该层设定下一 层如何进行理想的数据传输， 功能是路由选择。
"( 系统方案设计ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
"C &( 物理层的设计
物理层位于水声通信网络的第一层， 声信号受 强环境噪声， 时变多径的影响， 面临严重的码间干扰 （ >B>） 、 大的多普勒频移扩展及长传输时延， 因此选 用一种适合水声信道传输的方法是十分重要的。 +,-. 技术通过多个正交的子载波将串行的数 据并行传输， 增大了码元的宽度， 减少单个码元占用
!"#$%& ’($&%(&) * +,-. /0 ， 1,. 2 * 3445
VU
( ( 水声通信的最佳频率是 %# >?@ 以下， 而换能器 的带宽为 &# A "# >?@， 因此选用的载波频率定为 &% A &B >?@。图 ’ 为 CDEDFCG 仿真系统物理层原理框图。 卷积编码 图中信源为 "##H*7 的随机数字信号， 采用的是编码效率为 & ! " ， 生成多项式为 ［ &$& ， &%% ］ 的 （"， &， $） 卷积码， 判决方法为 I*7/6H* 译码。其中 的扩频与解扩就是与 JK 码序列相乘， 而 JK 码的选 择直接影响到 DFCG 系统的容量、 抗干扰能力、 接入 和切换速度等性能。 DFCG 信道的区分是靠 JK 码 来进行的， 因而要求 JK 码自相关性要好， 互相关性 要弱， 实现和编码方案简单等。作者采用一种基本 的 JK 序列— — —: 序列作为地址码。
图 R 为在信噪比一定的情况下数据帧长 与 平 均吞吐量的 关 系 图， 帧 长 为 有 效 数 据 的 长 度。由 图可见， 在信噪比以及子载波数一定的情况下， 平 均吞吐量基本 上 是 随 着 帧 长 的 增 长 而 增 大， 但是 增长的速度 趋 于 平 缓。 在 信 噪 比 以 及 帧 长 一 定 时， 平均吞 吐 量 随 着 子 载 波 数 的 增 加 而 减 小， 为 提高网络的平 均 吞 吐 量 可 适 量 减 小 子 载 波 数 ! 。 而 ! 的减小会使得在水声通信网中能分辨的用户 数会降低。所以在架构水声网络时应考虑用户数 与帧长的选择。
。
&( 水声通信网络的分层结构
水声通信网络协议分为三层， 由下到上依次为
［"］ 物理层、 数据链路层和网络层 。
*:
海洋科学 ! "##$ 年 ! 第 %& 卷 ! 第 ’ 期
的频带， 抵抗多径引起的频率选择性衰落， 可以有效 克服码间串扰 （ 6’6） ， 适用于多径环境和衰落信道中 的高速数据传输。其信道利用率很高， 这一点在频 谱资源有限的水声环境中尤为重要。目前 789! 技 所以简化了系统的结 术都可以通过 88: 技术实现， 构。而采用 ;9!< 技术， 可以利用 ;9!< 的扩频码 实现多址接入， 实现网络中的多个用户同时使用同 图 0D !;=;9!< 的发射机框图 一频率资源。 8$G. 0D :H& I$"G#"C ,J KH& !;=;9!< :#"%)C$KK&# 789!=;9!< 是一种综合技术， 它将 ;9!< 与 ［/］ 789! 两种技术结合为一体 。这样， 一方面满足 多个用户对同一资源的共享， 另一方面， 通过降低子 信道码速， 起到了抗码间干扰的作用， 从而改善了系 统的误码性能。 以 ;9!< 和 789! 为基础提出的多载波 ;9!< 方案主要分为两类。一类用给定的扩频码对原始数 据进行扩展， 然后将每个码片与一个不同的载波进 行调制， 并在频域上进行扩展操作， 称为多载波 ;9= !< （ !;=;9!<） 。另一类是用给定的扩频码对经过 图 3D !;=;9!< 的接收机框图 转换过的数据流在时域上进行扩展， 类似 串并 （ ’ * >） 8$G. 3D :H& I$"G#"C ,J KH& !;=;9!< L&(&$M&# 于通常的 9’=;9!<， 主要有： 多载波 9’=;9!< （ !;= 和多音调 ;9!< （ !:=;9!<） 。 9’=;9!<） !<;< 协议 使 用 了 两 种 信 号 分 组， 请求发送 比较这三种方法， 多载波 ;9!< 的方法结构清 （ L:’） 和允许发送 （ ;:’） ， 如果在信息中有一个 （或 晰， 即 先 在 频 域 进 行 ;9!< 之 后 再 在 时 域 进 行 多个） 差错分组， 那么信宿节点要请求信源节点重 <LN 过程不在通信路由的每两个节点之 发， 因此， 789!， 这样最终的信号仍为 789! 信号， 789! 与 间执行， 仅在信源和信宿节点之间执行。这不仅解 ;9!< 的各自特点得到保留。在 !;=;9!< 系统中， 决了 “ 隐蔽终端” 和 “ 暴露终端” 的问题， 而且避免了 其中 # 频带被分为 ! 个并行的载波信道 " ( ? #$ * % @ ， 数据包大量重发， 适合靠电池供电的水声网络通信 A 0， 3， …， ! B 0； $ & % @ 为各个相邻子载波之间的频 节点。 率间隔。用户的每一比特信息经 ! 个 >1 序列扩频 目前差错控制和流量控制采用反馈机制， 包含 后被分配到 ! 个子信道中， 每比特信息被扩频到 ! 退 ! 帧 <LN 及可选择性 三种协议， 停止等待 <LN、 个正交的子载波上并行传送。这样， 在频率选择性 重传 <LN 协议。停止等待 <LN 是最简单的一种方 衰落信道中， 如果某一子信道衰减严重， 也就是相当 法。在发送下一个数据分组之前， 分组信源等待信 于扩频码的某一码元受损， 由于扩频码很长， 对传输 假如预设时间已过仍没接收到 <;O， 信源 宿的 <;O， 误码率影响不大。因此系统中物理层的设计采用 重发该分组， 在往返传输期间， 信道是空闲的， 退! !;=;9!< 的方法。图 0 与图 3 即为 !;=;9!< 系 帧和可选择性重传 <LN 协议需要全双工链路。接 统的发射机与接收机的框图。图 0 中经过 >1 序列 收和发送分配专用频带时的频分双工会降低系统的 扩频的数据， 被分配到 ! 个子信道中， 每比特信息被 数据传输速率。基于水声信道可用频带窄、 干扰大 扩频到 ! 个正交的子载波上并行传送。图 0 中的 ! 的特性， 数据链路层差错控制与流量控制协议选择 与 " 分别代表各个子载波的频率与相位， 其中 ! # A 即 L:’ 为： 停止等待 <LN 协议以及 !<;<F 协议， 3" （ " ( ? #$ & % @ ） ’。图 3 中将接收到的用户的信号分别 B ;:’ B 9<:< B <;O 的握手机制。图 / 即为系统的 ［ #］ 相乘后 与各个子载波频率和 >1 码的各个码片 (C 发送接收协议仿真的程序流程图。 再经过并串转换即可得到解调后的有效信号。
水声通信网及其多址接入技术
陈( 威， 许( 茹， 胡晓毅， 张( 洁
（ 厦门大学 通信工程系， 福建 厦门 %)&##* ） 摘要： 随着世界各国海洋开发步伐的加快， 对水下传感器网络、 水下监视系统、 水声预警网 络的需求愈来愈迫切， 海洋水声通信网络的研究成了世界范围内的研究热点。水声通信网 研究面临的主要困难是： 海洋声信道的长延时、 可用频带有限、 严重的时变多途影响、 功耗 限制、 网络安全性等。在分析水下无线通信的特殊环境后， 针对水声通信网的多址接入技 术进行了研究， 选择适合的传输方式及相关协议构建基于 +,-. 与 /-.0 技术结合的水下 在 123425 上实现多载波 /-.0 技术的水声通信网络节点对节点 通信网多载波 /-.0 系统； 的数据传送， 并得出了该系统的仿真结果： 在帧长一定的情况下， 随着信噪比的增大， 系统 的误码率会减小。在信噪比一定的情况下， 子载波数目的进一步增大不会带来系统误码率 的改善反而会使系统复杂性增加， 降低系统的平均吞吐量， 因此子载波数的选择应该在系 统复杂性和效率之间折衷考虑。当水声信道上的信噪比一定时， 可以通过控制数据帧的长 度和子载波的个数来实现较高的网络平均吞吐量。 关键词：水声通信网； ./6/-.0； 媒体接入协议 中图分类号： 789&( ( 文献标识码： 0( ( ( ( 文章编号： &###6%#9) （ "##$ ） #’6##*:6#’ ( ( 随着现代信息技术的飞速发展， 覆盖了地面、 空 中、 太空、 水面的立体信息网已经形成并为各国的通 讯交通资源调查国防等各项业务服务。近年来， 随 着世界各国海洋开发步伐的加快， 发达国家开始对 水下声通信网进行研究。水声通信网络 （ ;<8 ） 承 担着探测、 数据通信的重要使命。它通常由海底传 感器、 自主式水下运载器 （ 0;=） 和水面站组成， 水面 站可进一步与 >?3@A?@3 等主干网连接， 在这种环境中 人们可以从多个水下远程设备提取实时数据， 并把 控制信息传递给各个设备。 海洋水声信道的传输条件是十分恶劣的， 特别 是浅海水声信道， 信道的带宽有限， 取决于距离和频 率， 在这种有限的带宽内， 声信号受强环境噪声， 时 变多径的影响， 可能会导致严重的码间干扰 （ >B> ） 、 大的多普勒频移扩展及长传输时延。目前， 在设计 水声网络结构和协议时会借鉴无线电组网技术， 但 是传统的无线电网络协议不能直接应用于水声环境 中， 在设计水声网络协议时， 应该考虑水声通信的特 点， 在网络延时、 传输成功率及能耗之间寻求一种好 的折衷