水下无线通信的类型及应用

水下无线通信的类型及应用

地球上的面积覆盖着三分之二的地球表面。这是人类调查和研究的前沿之一。海洋不仅在国际商业和渔业中扮演重要的角色,而且还包含了有关气候的信息,以及大量急待开发的资源。水下无线通信是研制海洋观测系统的关键技术。借助海洋观测系统,可以采集有关海洋学的数据,监测环境污染、气候变化、海底异常地震火山活动,探查海底目标,以及远距离图像传输。水下无线通信在军事中也起到至关重要的作用,而且水下无线通信也是水下传感器网络的关键技术。水下无线通信主要可以分成三大类:水下电磁波通信、水声通信和水下光通信,它们具有不同的特性及应用场合。1离子型电导率的测定由于海水的导电性质,海水对电磁波起了屏蔽作用。海水中含多种元素,但在每升海水中含量超过1毫克的仅12种(除水中的氢和氧外),它们以多种形式存在,绝大多数处于离子状态,其中Na+,K+,Ca++,Mg++,SO4--,CO3--,Cl-,HCO3-8种离子占海水中溶质总量的99%以上,这是使海水成为导体的主要原因,其电导率随海区盐度、深度、温度而不同,为3~5S/m,工程上一般取其平均值:4S/m,它高于纯水的电导率5~6个数量级。所以对平面电磁波传播而言海水是有耗媒质,这就决定了平面电磁波在海水中的传播衰减较大。1.1海域间的传播路径这是一种世界各海军国家传统的军用远程单向通信,从发射到接收的海区之间的传播路径是在大气层中,衰减较小,但从大气层进入海面再到海面以下一定深度接收点的过程中,电磁波场强将急剧下降。这就决定了这类通信只能是远距离的小深度的水下通信。(1)其他正演能量的能量通信的发端在大气层中,其平面电磁波以垂直极化的形式(这是传播损耗较小的传播形式)在海面上传播,其水平磁场在海面感应出水平电场,此水平电场以接近垂直的方向向下传播,最后到达接收点。如图1所示,海面上垂直极化平面电磁波的垂直电场分量为Ev,水平磁场分量为Hh,由Hh在海面上感应的二次场是一个水平电场分量Eh,Hh就是由大气层进入海洋并向深处传播的主要电场分量,而海面上的Ev和Hh继续在大气层中传播。Ev和Hh的比值有以下关系:λ0:电磁波在自由空间的波长(m);σ:海水的电导率(S/m)。例如,工作频率为10kHz,则λ0=30km,σ=4S/m,此比值约0.00037,即Eh比Ev小68.6dB。这说明电磁波从空气中进入海面以下的能量是很少的。(2)衰减常数ff0水中的潜艇要接收的携带信号的电场正是上文中的Eh,设z=0为海面,z为海水深度(m),由大气层进入海面的电场水平分量表示为Eh(0),则其向下(近似于垂直向下)传播过程中的电场水平分量为:α≈(πfμ0σ)1/2为衰减常数,单位是奈培;β(πfμ0σ)1/2为相移常数,单位是弧度。其中f为工作频率;μ0=4π×10-7H/m,(由于海水的磁导率μ实际上和自由空间的磁导率μ0接近,故通常取μ0作为海水的磁导率)。当Eh(z)衰减到Eh(0)的1/e时(e=2.1828…),称此深度为穿透深度,以δ表示,δ=1/α,单位为m。可以看出,频率愈高,衰减愈大,穿透深度愈小。如频率为100Hz,穿透深度约为25m,每米衰减约0.34dB;频率为10kHz,穿透深度仅为2.5m左右,每米衰减约3.4dB。为此,希望将电磁波信号送到较大深度时,就需要适当降低工作频率。1.2x以下上世纪冷战时期,美国和前苏联分别将岸对潜(艇)单向通信的工作频率,从甚低频的几十千赫兹降到了超低频的100Hz以下,从而实现了100m左右的收信深度。以上两种方式的通信,发射设备的规模宏大,其占地面积以平方千米计,发射机输出功率从几百千瓦到数兆瓦,通信距离可达数千千米甚至超过万米,但收信深度(潜艇能可靠接收信号时艇的水线深度)都较浅,甚低频通信的收信深度仅几米至几十米,超低频通信的收信深度也仅百米左右。1.3接收方与水中的微波通信当发、收双方的天线均在海水中时,电磁波可能的传播路径有四种,如图2所示。1.天线上的电流仅能观察到近区场,即利用近区场通信。在波源附近场强随距离增大而急剧衰减,在一定范围内场强近似与距离的立方成反比衰减,这是目前能用作水中短距离通信的区域。设天线长度为l;天线电流为I,天线上的电流分布均匀。当l远小于周围海水深度时,问题可简化为无限大有耗媒质中的水平电偶极子,可以解得各近场分量,其中水平面内极坐标中的两电场分量为此处,Eφ:电场的φ分量;Eρ:电场的径向分量;Il:电流矩;φ:相对于天线轴线(x轴)的方位角;σ:海水电导率;ρ:收发间距离:k:传播常数,ω:工作角频率。这是工程上计算近区场的近似表示式。2.海洋或海面反射的传播路径因幅度过小,暂未能利用。3.空气中较明显的传播路径波离开波源穿过海面向周围传播,在沿海面传播过程中,如前所述,不断有小部分能量又进入海中,并向下传播至接收点。由于在大气中的传播衰减小,所以这种传播路径的特点是收发双方愈接近海面时观察到的场强愈大。给出海面水平单位电流矩的近场电场分量为其中是海水中的传播常数;为空气中的传播常数;d为发射天线所处深度;z为深度;ρ为水平距离。4.海底辐射加压缩dshs传播路径只要海底地质结构的电导率远低于海水,这种传播路径将与上越下传播路径相似,向下传播的波进入海底,一部分在海底沿海底与海水的交界面横向传播,并不断有一小部分能量向上进入海水中而被观察到。由于海底的电导率小于海水的电导率,波在海底传播过程中的衰减较在海水中传播的衰减小,所以源和观察点愈接近海底,观察到的场强愈大,就总的传播路径衰减而言,它优于第一种传播路径而仅次于第三种传播路径。收发双方皆在海水中的电磁波通信,虽然由于传播衰减较大,使得通信距离较短,但受水文条件影响却甚微,通信显得相当稳定,而且可以穿透如防波堤之类的水中物体。2006年6月,WirelessFibreSystems发布了首款商用水下射频调制解调器S1510;2007年1月,发布了宽带水下射频调制解调器S5510,该调制解调器在1m的范围内,数据传输率达到了1~10Mbit/s。2m/s的配电条声波在海面附近的典型传播速率为1520m/s,比电磁波的速率低5个数量级。与电磁波和光波相比较,声波在海水中的衰减小得多,因此,水声是一种有效的水下通信手段。2.1声信道的特点水声通信系统的性能受复杂的水声信道的影响较大。水声信道是由海洋及其边界构成的一个非常复杂的介质空间,它具有内部结构和独特的上下表面,能对声波产生许多不同的影响。水声信道影响通信的主要特性如下所述。1.扩展引起声能扩散传播损失是由于声能扩展和衰减所引起的损失之和。扩展损失主要是由于波阵面的扩展引起声能的扩散。常见的几何扩展有两种:球面扩展和柱面扩展。球面扩展主要发生在深水通信中,而柱面扩展主要发生在浅水通信中。衰减损失包括吸收、散射和声能泄露。声能量的吸收表现为海水介质吸收和界面介质(如海底)的吸收。2.噪声单位的噪声海洋中有许多噪声源,包括潮汐、湍流、海面波浪、风成噪声、地震、火山活动和海啸产生的噪声、生物噪声、行船及工业噪声等。噪声的性质与噪声源有密切的关系,在不同的时间、深度和频段有不同的噪声源。3.路径和路径对声波的影响由于介质空间的非均匀性,水声信道必然存在多径现象,也就是说在一定波束宽度内发出的声波可沿几种不同的路径到达接收点。声波在不同路径中传播时,由于不同路径长度的差异,到达该点的声波能量和时间也不相同,从而引起信号的衰落,造成波形畸变,并且使得信号的持续时间和频带被展宽。由于海水中内部结构(如内波、水团、湍流等)的影响,多径结构通常是时变的。在数字通信系统中,多径效应造成的码间干扰(ISI)是影响水声通信数据传输率的主要因素。4.军合成数字视频电话系统sdcs水声信道一个十分复杂的多径传输的信道,而且环境噪声高、带宽窄、可适用的载波频率低以及传输的时延大。为了克服这些不利因素,并尽可能地提高带宽利用效率,已经出现多种水声通信技术。(1)单边带调制技术。世界上第一个水声通信系统是美国海军水声实验室于1945年研制的水下电话,主要用于潜艇之间的通信。该模拟通信系统使用单边带调制技术,载波频段为8~11kHz,工作距离可达几公里。(3)相移键控(PSK)。上世纪80年代初,水下声通信中开始使用相移键控调制方式。相移键控系统大多使用差分相移键控方式(DPSK)进行调制,接收端可以用差分相干方式解调。采用差分相干的差分调相不需要相干载波,而且在抗频漂、抗多径效应及抗相位慢抖动方面都优于采用非相干解调的绝对调相,但由于参考相位中噪声的影响,抗噪声能力有所下降。近年来,水声通信在以下两个方面取得了很大的进步:(4)多载波调制技术。(5)多输入多输出(MIMO)技术。目前已有多家公司(例如:LinkQuest,DSP-COMM和Tritech)生产商用水下声调制解调器。3水下光调制技术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。然而也存在一些制约水下光通信性能的因素:(1)水对光信号的吸收很严重;(2)水中的悬浮粒子和浮游生物使光产生严重的散射作用;(3)水中的环境光对光信号的干扰。到目前为止,还没有商用的水下光调制解调器。近年来,来自水下传感器网络和海底探测的需求,极大地促进了短距离高速率的水下光通信技术的发展。例如,一种水下光调制解调器原型机已用于深海海底探测。在实验室环境中,传输距离为2m的情况下,水下光通信的数据传输率达到了1Gbit/s。4水下无线通信的发展趋势水下无线通信有三大类:水下电磁波通信、水声通信和水下光通信,它们具有不同的特性及应用场合。虽然电磁波在水中的衰减较大,但受水文条件影响甚微,使得水下电磁波通信相当稳定。水下甚低频和超低频单向通信适用于军用岸对潜(艇)通信;水下高频通信适用于短距离的水下无线通信。水下电磁波通信的发展趋势为:既要提高发射天线辐射效率,又要增加发射天线的等效带宽,使之在增加辐射场强的同时提高传输速率;应用微弱信号放大和检测技术、抑制和处理内部和外部的噪声干扰,优选调制解调技术(尤其重视已调波在频域上能量高度集中的调制方法)和编译码技术来提高接收机的灵敏度和可靠性。此外,已有些学者在研究超窄带理论与技术,力争获得更高的频带利用率;也有学者正寻求能否突破香农极限的科学依据。由于声波在水中的衰减最小,水声通信适用于中长距离的水下无线通信。在目前及将来的一段时间内,水声通信是水下传感器网络当中主要的水下无线通信方式。但是水声通信技术的数据传输率较低,因此通过克服多径效应等不利因素的手段,达到提高带宽利用效率的目的将是未来水声通信技术的发展方向。水下光通信具有数据传输率高的优点,但是水下光通信受环境的影响