内刊访谈

[特别策划] 水声信息网络技术及面临的问题水声信息网络技术及面临的问题

发表时间:2019-08-16 10:43:27

文/方世良 高翔

 

  方世良:东南大学教授,水声信号处理教育部重点实验室主任

  高翔:东南大学水声信号处理教育部重点实验室副教授高翔


 

  提话:正如陆上网络在当今社会发展中处于举足轻重的地位一样,水下信息网络必将在人类探索海洋、经略海洋中发挥越来越重要的作用。作为水下最有效的信息传输手段,水声通信网络将成为海洋网络信息体系中接入水下的关键环节。本文讨论了水下信息网络的概念内涵及基本形态,从信道环境特点、水下通信节点及通信协议等方面分析了水声通信网络与无线电通信的差异及面临的问题或技术难点,并探讨了水下信息网路的技术发展方向。


 

  水下信息网络是采用多种信息传输链路把分布式水下传感器节点以及信息传输接入节点进行互连的信息系统,实现对区域内水中目标和海洋环境的信息感知,实现水下各系统之间及其与岸基、海上作战平台之间的信息交互,也可为水中平台的导航等应用提供信息支持。

  军事和海洋开发需求的不断提升以及人类海洋活动能力的不断提高,覆盖天、临、空、海的海洋网络信息体系构建已成为海洋大国追逐的梦想,其中水下信息网络构建是最大的难点。有缆方式的信息传输由于目标水下活动范围受限、缆的布设成本高昂且维护困难以及对其他海洋活动(如正常航运)可能存在影响等缺点,极大地限制了它在海洋环境中的应用。另外由于在浑浊、含盐的海水中,光波、电磁波的传播衰减都非常大,因而它们在海水中的传播距离十分有限,远不能满足人类海洋活动的需要。

  声波是迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式,所以海洋中检测、通信、定位和导航主要利用声波。随着人类面向海洋步伐的加快,国内外对水声通信与网络技术的研究正掀起一个新的高潮。

  水下信息网络系统由静态和动态布放相结合的水下传感器节点、用于信息处理和水下网络管理的主节点以及用于信息出入水的网关节点等组成。其研究内容主要包括网络技术、通信技术、水下传感技术、系统集成技术等多个学科领域。



图 1 水下信息网示意图

 

  水声通信网络面临的技术难点
 

  海洋特殊环境使得人类在水下活动困难,水声信道存在传播速度低、频带资源匮乏、多径、衰落及多普勒频移等特性,这些特性使其与陆上无线电通信网络相比存在明显的差异,水下通信与网络体系构建面临多项技术难点。

 
 1.水声信道特点及影响

  (1)长延时的影响

  声波在水下的传播速度只有1500m/s左右,比无线电通信中电磁波3×108m/s的传播速度低5个数量级,水声通信信息传输的时间长,如通信距离为75km,无线电传输为0.25ms, 而水声通信传输时间则需要50s。以5个节点进行组网为例,忽略数据处理时间且通信可靠的情况下,无线电组网建立时间为毫秒级,水声通信组网时间则需17分钟。



图2 5节点网络组建过程
 

  长的传播时间可能大于信道相关时间,水声信道将不符合时不变信道,而需要按时变信道处理。此外,大的传播延时会增加网络节点数据间的碰撞冲突,大大地减少系统的吞吐率;延时变化大对设计有效的协议非常不利,因为这样就使得估计往返时间非常困难,而这个时间对网络协议的设计非常重要。

  (2)信道声场分布的特殊性

  无线电通信在辽阔的天空,通常不考虑地面对无线电波的反射与散射,而且大气中折射率梯度也很小。因此,其在大气中的传播途径基本上是直线的。相反海水介质因太阳的辐射和海流等的混合作用,形成了相对稳定的深度方向的声速梯度,水声信道不存在直线传播的情况,而是经过复杂的曲线途径到接收点。

图3 大西洋水下声道声线图

  (3)时变多途影响

  多途传播引起码间干扰,从而造成严重的声信号衰弱。无线电通信中多途产生的码间串扰相对较小或采用均衡方法来降低其影响。水声通信信道中的多途传输更为突出且十分复杂,能否妥善处理多途效应是水声通信成败的关键。图4为深水中发射脉冲宽度5ms时不同距离处接收到信号形状。浅海声信道的多途结构更加复杂多变,图5为我国黄海存在声速跃层条件下接收到的脉冲波形结构。

  表1 几种时变多径信道的多径扩展



图4 不同距离接收的水下信号形状     图5 不同频率的多途结构
 

  (a)0.75km (b)1.5km (c)7.5km (d)12km

  (e)20km高于声道轴 (f)13.5km在声道轴上

  (4)传播损失大,带宽有限。

  声波在水下传输损失主要有能量扩展损失和吸收损失。声吸收效应不但导致了很大的声传播衰减,而且使水声通信信道具有严格带限的特点。这主要是由海水中声吸收系数与工作频率的平方成反比例而形成的,且和传播距离有关。表1为不同频率、不同声吸收系数对应的声衰减,如此大且频率依赖性严重的传播损失使水声通信距离明显降低,而且限制了水声通信机频带的展宽,因此,水声通信的速率比无线电通信的速率低很多。

表2 声能衰减

 
 
  2.水下通信网络节点的技术难点

  构建水下通信网络需要大量的水下通信网络节点,成本、布放便利性等限制了节点尺寸,使其用于长期工作的水下信息网络面临诸多技术难题。

  a)供电问题。

  水下传感器节点通常携带能量有限的电池。由于水下传感器节点分布海洋区域广,而且海洋环境复杂,节点回收难度大,所以通过更换电池的方式来补充能源可能性小。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是水声通信网络面临的一大挑战。

  b)通信能力有限

  水下通信的传播损失与通信距离和发射频率有关。考虑到传感器节点的能量限制和尺寸限制,水声通信节点的作用距离有限,组建网络需要多跳路由传输机制。此外,水下通信环境极其恶劣,通信性能可能经常变化,频繁出现通信中断。在这样的通信环境和节点有限通信能力的情况下,如何设计网络通信机制以满足水下传感器系统的信息传输需求是水声通信网络面临的挑战之一。

  
  3.通信协议

  组建水声通信网络的关键是设计合理的通信网协议。由于水声环境中带宽有限、信号传播时间长及功率受限等因素的制约,组建水下网络面临很多不同于陆地上组建无线网络的困难。所以,必须针对水声信道特点,研究、设计适合重点海域的水声通信网络协议,重点解决水声信息网自身在网络层面的自组织特性、长寿命、低功耗、低组网损耗、远距离、较高速率等问题。

 

  水下信息网络技术发展方向
 

  一般来说,构建水下信息网络需要高性能的感知通信一体化水声节点、合理的分布式网络拓扑结构设计以及高效的水声通信组网协议,除此以外,根据水下活动困难、单节点信息感知区域小、信号传输速度慢、通信速率低等突出特点,其它相关技术也值得重视。
 

 
 1.通信载体多元性

  由于水下通信对速率高、通信距离远的需求越来越大,水下通信提出了新的数据传输手段。海水对蓝绿光的衰减比对其它波段光的衰减要小很多,这使得利用蓝绿光进行水下无线光通信成为可能,水下光通信的最大优势是可能提供超过1Gbit/s量级的数据传输率。

  蒸发波导是海上大气波导中的一种形式,就是利用贴海面的微波蒸发波导,实现水声信号的跨界面超视距传输。大气波导已在舰载雷达的超视距目标检测中获得成功应用,但是,目前还难以直接搬用于水声信号传输。

  声光结合的通信模式,通信信号加载于发射激光束上,声信号携带编码信息在水下传播。当遇到水下目标时,载有通信信息的声信号被接收解调,完成空中至水下的信息传输。该通信方式在空气中利用激光,水中利用声波,把两种最佳的信道物理场结合起来,可形成强大的技术优势,为空中与水下载体间的通信开辟一条新的技术途径,有很好的应用前景。
 

  2.大规模性

  主要有两层含义:一方面是水下传感器节点分布在很大的海洋区域内,如在海洋中采用传感器系统进行水下环境监测,需要部署间距较大的传感器节点;另一方面,在一定的区域部署很多传感器节点。具有如下优点:通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比;通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度,降低对单个节点传感器的精度要求;冗余节点的存在,使得系统具有很强的容错性能;能够增大覆盖的监测区域,减少空洞或盲区。
 

  3.自组织性

  在水声通信网络中,通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先设定,节点之间的相互邻居关系预先也不知道,如通过飞机或轮船播散大量传感器节点到面积广阔的海洋当中。这样就要求传感器节点具有自组织能力,能够自动进行配置和管理,通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳水声网络系统。

  在水声通信网络使用过程中,部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成链路失效,也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中,这样水声通信网络中的节点个数就动态地增加或减少,从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。水声通信网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化,具有动态的系统可重构性。
 

  4.可靠性

  水下环境非常恶劣,传感器节点容易遭受污垢或腐蚀。传感器节点往往采用随机部署,如通过飞机或船撒播到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固,不易损坏,适应各种恶劣环境。有监测区域环境的限制以及传感器节点数目很大,不可能人工“照顾”每个传感器节点,网络的维护十分困难甚至不可维护。水声网络的通信保密性和安全性也十分重要,要防止监测的数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此,水声通信网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。
 

  5.异质性

  将无缆的水声网络和其他网络相结合,实现异质网络的兼容,通过光纤及声链路将水下节点、岸基、网关及卫星相结合,形成水下、水面、空中的一体化综合信息网,从而实现一个自适应的多传感器网络,以满足在多变、动态、异质的网络中进行多平台信息传输。
 

  6.新能源

  水下节点大量的信息交流和数据通信将会消耗大量的节点能量,对通信节点的值守和工作时间以及水下信息网络的全网寿命提出了比较苛刻的要求。水声通信系统的工作寿命一直以来受到能源供应和电池技术的限制,不能在水下长时间工作,且系统维护难度较大。近年来,传统能源之外的各种新能源技术得到了各国政府的大力支持,如太阳能、地热能、风能、生物质能和核聚变能等新能源技术开始开发利用,但这些技术不够成熟,目前很难为水下通信节点供电。海洋能是指蕴藏于海水中的各种可再生能源,包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能等。水声通信节点可以充分利用具有可再生性的海洋能源技术,构建节点的自主能源供应体系,实现长寿命水声通信节点技术。



图6 海流能发电装置     图7 阿基米德波浪发电装置
 

  结束语

  分布式水下通信、警戒探测信息网络使水下信息网络融入海洋网络信息体系,对提高海洋水下信息感知能力、区域水下信息服务能力等具有重要意义。

  由于我国在水下信息网络构建、集成方面尚属起步,建议确立明确、相对持续稳定的技术发展计划,重视和加快水下通信网络技术的研究,突出重点,循序渐进,不断发展,加快局部区域水下信息网络范系统研究和构建,实现可持续发展。尽快建立水声通信和网络的体制及规范。