水声通信网络浅析

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1、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

2、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

3、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（verylargescaleintergration，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

4、、频率扩散有一定的鲁棒性。80年代后期出现了水声相干通信，与非相干通信相比，水声相干通信技术可以提高有限带宽水声信道的带宽效率，但是由于水声信道的传播特性恶劣，水声相干通信刚开始并不被接受。90年代DSP（digitalsignalprocessing，数字信号处理）芯片技术和数字通信理论的发展使许多复杂信道均衡技术均可以实现，带动了水声相干通信技术的发展，并促使其开始转向对水平信道通信的研究。水下通信发展的一个里程碑式的关键环节是水下声学调制解调器的出现。最早的水下声学网络应用概念是1993年美国提出的自主海洋采样网（AOSN）。美国自1998年起开始了称为“海网（Sea

5、Web）”的年度实验，意在验证水下声学网络的概念与实际使用效果。2.水声通信网络的特点与拓扑水声通信网络的节点有以下几个特点：第一，移动性，因此必须是能够自组织的自主网络，遵循一定的网络路由方式；第二，由于采用水下无线通信方式，因此必须能够自适应海洋环境特性，能够解决物理层的技术挑战；第三，由于采用电池供电，所以能量受到限制；第四，具有数据传播功能，可把监测数据传达到岸上。参照陆上无线传感器网络，水声通信网络的拓扑可分为两大类:中心化的网络（centralizednetwork）和分布式的对等网络（distributedpeer-to-peernetwork）。在中心化网络

6、中，节点之间的通信是经过中心节点实现的，并且网络通过这个中心节点接入骨干网。这种配置的主要缺点就是存在单一故障点，即这个节点的失效将导致整个网络的失效。同时由于单个调制解调器的作用距离有限，整个网络的覆盖范围也就有限。对等网络中没有中心节点，每个节点具有较为平等的权限。根据路由方式的不同，对等网络又分为完全连接的对等网络和多跳对等网络。完全连接的对等网络为网络中的任意两个节点提供直接“点到点”连接，这样的拓扑减少了对路由的需求。然而当节点分散在很大的区域时，通信所需的功率也随之大大地增加，并且还会产生“远近”问题，即当一个节点A正在往远端的某节点发送数据包时，会阻碍与节点A

7、相邻的节点接收其他信号。多跳对等网络则仅在相邻节点之间进行通信，一个信息从源到达目的地经过节点间的多次跳接来完成。多跳对等网络的作用距离取决于节点的数量，而不再受限于单个调制解调器的作用距离，因此可以覆盖较大的区域。事实上水下传感器网络应该是一种中心化网络和对等网络的混合体。网络拓扑决定了网络的路由方式、能量损耗、网络容量和可靠性。3.水声通信网络的分层与各层功能为了对数据进行有效和可靠的传输，水声通信网络必须遵循一定的网络协议。水声通信网络主要包括物理层、数据链路层和网络层。3.1物理层要解决怎样利用传输介质的特