Page 39 - 网络电信2022年5月刊
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图1 水下无线通信与水下探测                                      信速率达到kb/s  量级。因此，目前水面船只对潜艇或者潜艇与
                                                                 潜艇之间的通信，大多配备各型声纳装备进行通信。水声通信
                                                                 的优点是不受海水深度限制，水下声源以球面波或柱面波方式
                                                                 向远处传输，使得潜艇或其他水下装备在接收水声信号时可以
                                                                 不必上浮至海面，避免被敌方侦查到。此外，水声通信技术也
                                                                 是目前实现水下目标间无线通信最成熟的技术。
                                                                     水声信道时变、空变性强所带来的强干扰问题，噪声高，
                                                                 多途干扰严重，需采用有效的多普勒补偿措施，确保低误码
                                                                 率，提高传输速率和通信距离。水声通信带宽窄、速率低、易
                                                                 于暴露。而且由于声波在水中的衰减是和声波频率的平方成正
                                                                 比，当水声信号的频率为10 MHz 时，水声波信号的衰减会达到
                                                                 30dB/m。因此，水声通信适合较低频率，因为带宽较小，传输
                                                                 速率非常低，没办法传送影像等大量数据。另外，声波在水中
                二、水下无线通信的方式                                      传输速度慢，导致信号传输延迟大。同时，海洋背景噪声大也
                目前，水下无线通信主要利用无线电波、声波、特殊波长                        导致声波在海洋中传输的信号相对于噪声比率较小，也无法使
            的光等三种方式作为信息载体进行无线通信。                                 用高阶调变解调技术来进一步提升传输速率。因此，水声通信
                1. 低频无线电波通信                                      无法满足传感器网络与水下探测应用中普遍采用的视频、音频
                无线电波是陆上、空中、海上等平台间的主要通信手段，                        等信号的实时传输需求；另外，水声通信系统设备昂贵、体积
            相对于陆上通信而言，在水中与在空气中传播有很大的不同。                          大、功耗大，也无法满足水下通信系统对小体积、低功耗以及
            电磁波在海水中衰减极其严重，是水下通信面临的天然障碍。                          低成本的需求。
            海水对无线电波有非常强的屏蔽作用，水下信息传输由于受海                              3. 水下光通信
            水的影响，绝大多数无线电波都被屏蔽。海水信道不利于无线                              利用光波实现通信，一是要将传输的信息利用调制技术
            电波传输，主要是因为水下与空气中的电导率和介电常数不                           加载到光波上；二是要给光波足够的发射功率，以便光波在传
            同，因此传播特性也不一样。当无线电波从空气进入海水中                           输信道中向前传播；三是要将光波接收下来，进而解调出所需
            时，电场的水平分量远大于垂直分量，但电场方向基本是水平                          信息。水下光通信利用激光或可见光作为载波来传递信息的技
            的，因此无线电波传播方向会向下。                                     术，与传统的水下无线电波通信或是水声通信相比，其主要优
                与水声通信相比，水下无线电波传播速度更快，信道条件                        势在于光通信具有较大的带宽，提升了传输速率，有助于降低
            更好，但信号衰减严重。无线电波在水中衰减很快，而且频率                          信息传输时延。而且随着水下探测技术与水下感知组网技术的
            越高波长越短，衰减也就越大。频率越低，海水对电磁波的吸                          发展，这一优势有利于在水下建立无线传感网时实现信息实时
            收和衰减越小，因此穿透海水的能力越强。水的电导率越高，                          交互。水下光通信的技术方案对水下安全作业监控、水下救生
            衰减越大，也因为海水的电导率远较纯水为高，因此无线电波                          及深海下潜探测等对实时性要求较高的场景具有重要意义。
            在海水中的传播距离相当有限，只能实现短距离的高速通信，                              通过光的方式实现直接对水下目标的通信，当无线光信号
            不能满足远距离水下组网的要求。水下实验表明：MOTE  节点发                      在水中传输时，介质变成了淡水或者海水。1963年，Dimtley
            射的无线电波在水下仅能传播50~120  cm。低频长波无线电波水                    等人在研究光波在海洋中的传播特性时，发现海水在450-550
            下实验可以达到6~8  m  的通信距离。30~300  Hz  的超低频电磁              纳米波段内蓝绿光的衰减比其它光波段的衰减要小很多，证实
            波对海水穿透能力可达100  多米，但需要很长的接收天线，这                       在海洋中亦存在一个类似于大气中存在的透光窗口。相对其他
            在体积较小的水下节点上无法实现，且发射功率高、天线体积                          颜色激光在海水中穿透能力强的物理现象，为解决水下目标探
            庞大。                                                  测、通信等难题提供了基础。因此，将蓝绿激光作为光源，利
                2. 水声通信                                          用无人机、卫星作为载体，实施对水下装备的通信。利用蓝绿
                水下通信还可以采用非无线电波通信，如水声通信。它的                        激光通信，激光入水深度与海洋的清澈程度有关。蓝绿激光在
            工作原理是首先将文字、语音、图像等信息经过编码、调制处                          远海区域比近岸区域的透射深度更大，具有更大的通信深度和
            理后，由功率放大器推动声学换能器将电信号转换为声信号。                          更低通信误码率。
            声信号通过水介质将信息传递到远方的接收换能器，此时声信                              激光的频率远高于声波，使得水下无线激光通信具有很宽
            号又转换为电信号，经过放大、滤波和数字化后，数字信号处                          的调制带宽，能够以较高的码率实现对信息的调制传输，有利
            理器对信号进行自适应均衡、纠错等处理，还原成声音、文字                          于对海水下高清视频、高清海底图像的传输，能够满足水下无
            及图片。由于声波属于机械波（纵波），声波能量在水下传播                          线传感网大容量通信的要求。近距离光通信终端的传输速率可
            过程的衰减比无线电波小很多，其衰减率为电磁波的千分之                           以达到兆比特/秒（Mb/s）量级，传输距离约可达到100  米，适
            一。利用声波在海水中通信可以达到数十公里的远距离传输优                          用于水下编队的点到点传输和组网。此外，水下光通信除了具
            势，适用于温度稳定的深水通信，尤其在形成波导现象时的通                          有衰减相对无线电波小、收发设备体积小等优点。激光光束的
            信距离会更远[1-2]。水声通信被视为水下通信的主要手段，通                       指向性较好，束散角较小，有利于远距离传输，这使得激光在

                                                      网络电信 二零二二年五，六月                                           61
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