深海组网技术调研

深海组网技术概述研究背景随着海洋强国战略的不断推进,我国在海洋资源开发、海洋生态文明建设以及海洋权益维护等方面的活动日益增加。现有的各种海洋作业平台各有其独特优势,但也存在一定的局限性。例如:有人大型船只综合作业能力强,但遇恶劣海况时,人员风险大且运行成本高昂,通常为单点作业,广域长时同步作业代价大;海面浮标作业网具有广域作业能力,但以海表层数据观测为主,且随波逐流,受控机动能力弱;海底观测网通常使用光电复合海缆为众多海底原位观测设备和水下接驳坞等海床基作业设备提供能源和通信链路,实现特定海域物理、化学、生物和地质等过程的高分辨原位实时观测,建设成本高,作业区域难以触及远离陆地的深远海区域。随着自主水下航行器(autonomousunderwatervehicle,AUV)和深海组网技术的发展与广泛应用,在执行复杂多样的海洋探测任务时,可以同时搭载多种传感器载荷,满足任务多变性需求。技术特点深海组网技术通过构建深海通信网络，实现深海数据的实时传输、处理和共享，为深海科学研究、资源勘探、环境监测等领域提供了强有力的技术支撑。海洋通信网络主要分有线网络和无线网络，其中有线网络包括海底电缆网络、舰船及港口光纤网络。

海底观测网络需要依靠一根纵深到深远海或者形成环网的主干缆，多个接驳盒挂接到主干缆上，再通过树状结构连接水下定点监测设备和水下移动设备，从而形成区域性的海底观测系统。而海底接驳盒装备是其中的关键技术，采用海底接驳技术，可以让海洋观测设备随时由深海机器人通过水下湿插拔接插件接入系统，建立海底观测网络。在超过1700米的深海区完成约150公里的海底观测网络的组网建设，为海洋观测设备提供长期有效的10kV@10kW电力支撑和1G带宽通信链路。无线网络分为岸基移动通信、海上无线通信、卫星通信和水下无线通信等分立的通信网络。其中，岸基移动通信依托陆上2G/3G/4G等移动通信网络实现对近海30Km内的有效覆盖，支持话音和宽带数据的传输。海上无线通信主要采用中/高频和甚高频通信实现近海、中远海域的覆盖，支持话音和窄带数据传输。卫星通信是目前保障全球各类海洋活动最主要的通信方式，最高支持100Mbps的下行速率和5Mbps的上行速率。水下无线通信主要包括水下电磁波通信、水声通信和水下光通信。水声通信是目前水下节点之间远距离窄带通信的唯一手段，具有传输距离远、穿透力强等优点，声波水下传播距离最远可达数千公里，但传输速度较慢，用于岸海间远距离的水下通信场景。水下电磁波通信主要使用甚低频、超低频和极低频进行通信，具有传输速度快、信息容量大等优点，但在深海环境中信号衰减严重，通信距离短，常规民用的电磁波水下传播距离最远数十米。水下光通信主要利用蓝绿波长的光进行水下通信，水下传播距离最远数百米，支持近距离的高速通信，但技术尚未成熟。目前水声通信速率在100~150kbps，通信距离在100km左右，主要以技术研究和科研验证为主，工程化产品及应用较少。水声通信及组网的现状和展望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20年发展历史，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。一、水声通信及节点技术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。⒈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。相干水声通信根据发射载波数目，可划分为单载波调制和正交频分复用调制(OFDM)。在时变多径信道下，如果参数设置合理，采用最佳接收处理算法，二者性能基本一致。单载波的优势在于发射端不依赖信道状态信息，发射机工作效率高。OFDM的优势在于：频域均衡计算量小，利用加长符号周期可直接克服多径。如果OFDM在发射端载波间隔等参数不适合信道状态，将影响通信效果。时间反转通信技术是针对水声信道特点的接收处理方法，用于多阵元接收，简化接收机复杂度。未来的时间反转通信研究将基于时变信道模型开展。未来相干水声通信研究将针对水声信道特点，充分利用信道的空间特性、信道冲击响应稀疏特性、噪声突发特性，利用迭代技术，实现可靠的高阶调制通信，并降低计算复杂度，实现低信噪（混）比要求、低计算量、高传输速率的可靠水下通信。在国家“863”水声通信网项目中，采用单载波（中科院声学所）和OFDM（哈尔滨工程大学）两种相干通信方案，并对单载波调制时间反转技术（浙江大学）进行了研究。⒉非相干水声通信在非相干通信中，接收端不需要恢复原始载波相位信息。非相干通信可应用于信道较为恶劣的情况，一般采用单阵元接收即可。非相干通信信道利用率低，传输比特速率小于信道频率宽度，相对于相干通信每比特传输能耗大。在相干、非相干并存的通信系统中，大量数据传输一般优先采用相干通信。非相干通信常见方式为编码频域调制，在接收端进行匹配滤波、平方率检测、纠错译码即可，算法简单，鲁棒性好。非相干通信技术相对成熟，国外商品化的水声通信机一直沿用非相干技术作为首要通信方式。在国家“863”水声通信网项目中，采用多进制卷积码、恒重码、开关键控调制(OOK)的方案作为信令、低速数据传输的方式，保证不同参加单位（中科院声学所、中船重工715所、哈尔滨工程大学）研制的水声通信机之间的互通。未来如各单位硬件平台能够支持，将采用基于多进制LDPC码的非相干方案。扩展频谱通信中的跳频通信、直接序列扩频通信也属于非相干通信，与编码频域调制相比速率更低。扩展频谱通信可以实现码分多址(CDMA)，在多移动平台协同作业等交互频繁的网络中可实现多节点的快速接入和并行的信息交互，但同时带来了远近效应、码同步等技术问题。在海洋环境监测的应用中，网络吞吐量较低，一般不采用CDMA技术。⒊信道纠错码技术纠错码技术包括传统的卷积码、代数码，及基于迭代译码的turbo码、低密度奇偶校验码(LDPC码)。在水声通信中，为提高通信系统性能，应采用基于迭代译码的纠错码，即turbo码或者LDPC码，这对通信机信号处理平台研制提出一定的要求。同时，迭代技术不只用于译码本身，在接收处理中对解调、信道均衡、信道估计、信道纠错码进行联合迭代处理，即turbo均衡技术，可以提高整个接收机的性能，同时对水声通信机处理能力要求更高。⒋水声通信节点技术节点技术涉及到换能器技术、低功耗硬件处理平台、耐压水密结构等。低功耗硬件处理平台技术是制约节点工作时间、可靠性、处理性能的关键。另外，国外水声通信机还扩展了超短基线、长基线、声学释放器、声信号存储等功能，使用更加方便。水声通信节点的通信性能、工作可靠性、长期工作能力是水声通信能否实际应用的关键。二、水声通信组网及应用⒈水声通信组网水声通信网络协议在物理层之上，解决多个节点之间数据传输的问题，主要研究内容包括媒体访问控制协议(MAC)、路由协议、同步和定位技术等。用于水声通信网络中的竞争性媒体访问控制协议一般可分为以下三类：随机接入的Aloha协议、握手方式的MACAW协议、载波侦听冲突检测的CSMA/CS协议。CSMA/CS协议需要专门的侦听硬件和算法支持，一般用于吞吐量较大的组网中，在海洋环境监测组网中不常用。因而，对于海洋环境监测水声通信组网，如果数据较短，采用Aloha协议，发射端直接使用信道发送数据，收到正确应答即完成一次传输过程，避免握手带来的开销；如果数据较长，采用MACAW协议，在数据发射之前发送端利用握手信号占据信道使用权，保证传输不被其他节点干扰。路由协议需根据网络的拓扑结构、数据产生的时间周期、数据流的方向、节点布放的灵活性来综合考虑。对于海洋环境监测，网络拓扑一般中心式拓扑结合多跳转发的结构，图1所示是2014年5月南中国海试验的结构。数据传输一般在中心网关和观测节点之间发生，不要求任意两个观测节点之间的相互数据访问。中心网关向观测节点下发命令，观测数据按固定时间周期经观测潜标回传至中心网关。大部分观测节点为固定布放，允许移动节点接入。另外，水声信道的时变特点可能导致链路的短时中断，各节点的电量需要均衡使用，因而要求水声通信网络具有对路由表进行优化的能力。图1水声通信网试验的网络拓扑图⒉应用情景分析水声网络观测技术的应用情景主要有：①海洋立体观测。在深海潜标的不同深度设置多个观测节点，在海底布设多个观测站，通过水声通信网络把各观测设备数据传输到主控器，再通过移动节点将数据取走或通过卫星将数据发送到岸站，解决了水下设备难以用电缆连接的问题。②突发事态的海洋观测。在出现类似石油平台爆炸沉没、海上油田溢油、水下输油管泄漏等突发污染事故，以及赤潮爆发等突发生态事件时，采用水声网络观测技术可以快速响应，投放位置和传感器类型选择灵活，观测数据实时性和连续性好。③港口要地安全监控。在敏感时期，可在港池、港口等要地的水下投放多个安全监控节点，加强安全监控力度。④基于海底光电缆的水声通信观测网。在海底光电缆基础上，通过水声通信网络在垂直、水平方向延伸，扩大海底光电缆观测系统的覆盖范围和观测能力。⑤水下多移动载体通信与定位网络。对于AUV等水下移动观测设备，实现网络化信息传输和定位。多个AUV可以实现协同组织进行观测，完成实时的数据融合和联合处理，可以实现编队运行达到特定的观测目的。应用案例深圳市智慧海洋科技有限公司水下无线通信深圳市智慧海洋科技有限公司研发水下卫星导航通信网络，解决了水下无线通信的世界性难题。利用世界领先的水声通信和水下无线组网技术，在海洋能源勘探开采、国防安全、海洋风力发电、海洋应急处理、海底管网检测维护等方面发挥作用，为我国海洋经济、海洋事业发展贡献力量，并加快在海洋科研、海洋应急环保、海洋环境监测、潜水旅游等领域的应用与服务，与海工装备、海上风电、天然气水合物、深海矿产等海洋经济龙头企业开展合作探索，助推智慧海洋发展。▲深圳市智慧海洋科技有限公司开展无人无缆潜器组网建设现场。水声通信是目前水下中远距离双向无线通信的唯一手段，智慧海洋科技公司副总裁、联合创始人俞知远透露，目前已可实现从100米到1万米深海的水下信号覆盖。智慧海洋科技承接相关部委项目的水声通信组网系统海，在深圳大鹏湾开展外场试验。20个移动设备在海底深处不停变换位置，设备之间通信、设备与后台之间通信始终流畅稳定，成为国内首个实现移动节点组网的水声网络。智慧海洋科技的研发团队研究水声通信已经快20年了，技术迭代已到第四代。第三代技术的核心产品是“通导一体”，通信融合定位导航功能，好比水下GPS；第四代技术则是“通探导测一体”，可以探察和测绘，应用场景更多、范围更广。目前，美国、德国、澳大利亚的水声通信实测速率在0.3Kbps—2Kbps之间。智慧海洋科技实现的速率超过国外同类产品3倍-5倍。该公司在水下网络技术基础上，集成海洋感知、智能控制、数据分析、数据融合与可视化等技术，与水上通信构成了“空天地海”一体化通信网络。▲深圳市智慧海洋科技有限公司开展水下敏捷机器人协同作业平台建设现场。水下跟拍无人机不断接收海底水声通信基站发来的定位信息，并灵巧避开礁石，拍摄的影像资料通过基站，传给海面的通信浮标，再通过4G或5G网络传回陆地控制中心。从事海底设备和线路巡检的水下机器人，则通过水声通信网络导航，及时发现移动障碍物并成功避开，顺利抵达海底的充电坞，充电后继续开展巡检工作。岸边和船上的科研人员看着仪器屏幕，海底情况实时掌握。根据各种无人设备的工作情况，科研人员不断发出试验指令，指挥水下无人设备完成“规定动作”，远程采集实验数据。智慧海洋科技已推出水声通信定位网络、水下传感器网络、水下机器人网络、智慧海洋技术、海洋智能装备、海洋大数据等一系列技术产品及解决方案，水声通信、定位、组网等核心产品正在批量生产，导航、探测类产品逐步成熟，快速应用到海洋经济多个领域。海洋油气的探测、开采、运输都需要用到水下通信。智慧海洋科技已与中海油、中石油开展水下智慧油气田建设。同时，海上应急环保、环境观测等领域也存在千亿级市场，水下通信大有可为。在海洋旅游和运动领域，水下通信也有用武之地。智慧海洋科技研发水下伴侣机器人等潜水安全监测产品，让潜水者与海面、地面保持通信畅通，遇险一键呼叫。广域海网(Seaweb)广域海网(Seaweb)是由海底固定水声节点和移动节点等组成的异构AUV集群网络(见图1)。自1998年起,美国海军在历时12年的支持内开展了多次Seaweb试验,通过节点识别、节点接入与丢弃、分布式控制、地理定位、时钟同步及信道网络修复等水下集群组网关键技术的研发与验证,旨在提升未来海军作战能力[9]。美国在2001年的Seaweb2001演习中共布设了40个通信节点,并利用“海豚”号潜艇在布网区域现场进行有关网络性能的测试。图

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Seaweb示意图Figure

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DiagramofSeaWebsystem美国海军DADS系统美国海军研究办公室(OfficeofNavalResearch,ONR)和空间与海战系统司令部(SpaceandNavalWarfareSystemsCommand,SPAWAR)联合研发了可部署自主分布式系统(deployableautonomousdistributedsystem,DADS),如图2所示。2001年6月,美国海军进行了DADS应用舰队作战试验。该试验系统由14个固定节点及数个移动节点组成,包括2个传感器节点、2个浮标网关节点和10个声呐中继节点,无人水下航行器(unmannedunderseavehicle,UUV)作为移动节点加入网络,服务器分别部署在潜艇和岸基指挥中心[10]。图

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可部署自主分布式系统Figure

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DiagramofDADSCADRE系统通用动力任务系统公司联合多家公司、高校和实验室开展了“协作自主式侦察与探测”(cooperativeautonomyfordistributedreconnaissanceandexploration,CADRE)项目的研究。如图3所示,CADRE系统旨在验证并实现美海军UUV总规划中所提出的水下搜索与调查、水下通信与导航能力。该研究以多型水下航行器和水面无人艇构成的异构集群协作猎雷任务为背景,系统包含3种不同类型的AUV,分别负责通信导航中继、水雷搜索分类和水雷目标确认任务,并于2005年进行了相关试验。图

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CADRE系统Figure

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SystemofCADRECADRE系统水下持续监视网络水下持续监视网络(persistentlittoralunderwatersurveillancenetwork,PLUSNet)是由ONR支持的一个多机构合作项目,于2005年启动研制,旨在完善和强化综合水下监控系统体系化及操作能力,其系统构成如图4所示。图

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近海水下持续监视网络Figure

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PLUSNEtinthenearshoreareaPLUSNet旨在一定区域内建立对常规潜艇的探测和跟踪能力。该项目由固定式和移动式平台构成,包括搭载声学阵列的潜标节点,装备拖曳阵的UUV,以及携载水听器和水文传感器的水下滑翔机等,通过水声通信及卫星通信的方式,与集群节点和指控中心在预定海域内进行作业。除完成常规潜艇目标探测、识别分类和跟踪等基础功能外,该项目还研究了无人系统自主性、环境自适应和网络体系架构等关键技术,并取得了一定的进展。欧盟Grex项目欧盟于2006—2009年支持的Grex项目(见图5)以探索多无人航行器组网技术为目的,促进了集群组网理论及应用的发展,在当时实现了集群组网由概念到实践的创新。Grex项目旨在发展水下异构集群组网理论与相关工程软硬件集合。在当时首次实现已有异构无人平台的组网,突破的关键技术包括使用任务规划工具—多载具任务规划等,充分考虑了环境复杂性和通信链路的不稳定,提高了组网软硬件的鲁棒性。2008年,Grex项目在地中海土伦附近进行了首次海试,2条AUV采用时分多址协议,成功实现了每分钟5次包交换,每包长度20Byte,用于基于距离信息的组网交互。2009年11月,该项目进行了最终海试,主要完成了集群轨迹跟踪和集群围捕试验[11-12]。Grex系统所联通的航行器种类如图6所示。图

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Grex系统示意图Figure

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OverviewofGrexsystem图

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Grex所联通的航行器Figure

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VehiclesconnectedbyGrex沈阳自动化所水下机器人沈阳自动化所在AUV领域一直处于国内优势地位,较早地开展了航行器集群的相关工作。2013年,沈阳自动化所即开展了多水下机器人自主海洋特征场跟踪研究工作,建立了一种多水下机器人海洋特征跟踪模型,将队形控制策略与海洋特征场估计相结合,设计了多水下机器人队形中心跟踪海洋特征等值线的策略及其控制率,并基于主从编队的队形控制模式,提出了多个从机器人的队形形成的旋转策略,以应对变化的海洋特征场,并在仿真平台上使用真实海洋数据验证了这种跟踪策略的有效性和可行性[14]。在“863”计划、国家重点研发计划及中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持下,沈阳自动化所研制了“探索”系列AUV,并成功应用于西太平洋和印度洋等海域的集群观探测作业。图8为沈阳自动化所研制的50kg级AUV“探索100”,该航行器搭载了声学和光学观探测载荷,通过声通机实现了集群控制。2019—2010年,沈阳自动化所使用由“探索100”构成的集群开展了多项海洋观测试验。利用集群观测大亚湾冷水团入侵和岬角涡旋现象,首次获得大亚湾海域高分辨率的冷水团入侵和岬角涡旋精细结构特征,为研究上升流冷水对大亚湾底层生态系统的影响提供依据。在重点海区利用集群开展了热点区域搜索、编队和温跃层组网观测试验,以及海洋环境场自适应观测应用示范,按实时规划的航迹,对环境场变化最快的海域进行观测,有效修正了该海域海洋系统模式,提高了海洋环境场预测精度[15]。图

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“探索100”集群Figure

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Explore100clusters除由“探索100”构成的AUV集群外,如图9所示,沈阳自动化所还利用多台“海翼”号水下滑翔机构建滑翔机观测集群,于2017年7月首次执行观测任务;2019年,滑翔机观测集群(11台“海翼”)完成了西北太平洋中尺度涡旋(冷涡)综合观测;2020年,观测集群(12台“海翼”)完成了印度洋联合海洋与环境研究计划(冬季调查任务);2021年,观测集群(8台“海翼”)参与了由中国科学院海洋研究所组织的国家自然科学基金共享航次计划西太平洋科学考察实验研究任务,完成西太平洋集群观测应用[16]。图

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“海翼”号水下滑翔机参加印度洋航次任务Figure

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SeaWingunderwatergliderparticipatesintheIndianOceanvoyagemission天津大学研发的“海燕”号水下滑翔机天津大学自主研发的“海燕”号谱系化水下滑翔机经过20余年的发展,在单平台关键技术和传感器集成方面取得了重大突破,在滑翔机集群控制方面也取得了一定进展,并提出了基于人工势场法的异构控制系统,实现了滑翔机集群的运动规划[17];完成了水下滑翔机编队任务控制系统设计,并通过水域试验验证了系统可行性,实现了对海洋特征的时空同步观测[18]。此外,基于“海燕-II”号水下滑翔机组网观测数据分析,全面揭示了反气旋中尺度涡的垂直结构特征[19]。智能敏捷海洋立体观测仪2022年,自然资源部第二海洋研究所获国家自然科学基金委重大科研仪器项目支持,计划开展智能敏捷海洋立体观测仪(intelligentswiftoceanobservingdevice,ISOOD)的研制工作。该项目针对现有海洋观测仪器设备局限于无法兼顾智能化、敏捷性、环境适应性和任务适应性,难以满足科学发展对海洋观测的迫切需求等问题,研制出一套以智慧母船为支撑载体,通过空、海、潜无人平台跨域组网的ISOOD,如图10所示。通过突破多平台跨域组网的任务调度、集群控制和组网通信等关键技术,创新海洋观测模式,实现对复杂海洋任务的智能、快速、同步及立体观测,促进我国海洋科技发展和海洋强国建设。图

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智能敏捷海洋立体观测仪示意图Figure

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SchematicdiagramofISOOD浙江大学深海组网接驳技术设备2016年8月29日-9月6日，国家高技术研究发展计划海洋技术领域海底观测网试验系统重大项目，由中国科学院声学研究所牵头，浙江大学、中天科技海缆有限公司、同济大学、中国海洋大学、清华大学等多家单位参与建设的南海海底观测网络试验系统，成功完成了在中国南海的海上布放、深海组网接驳测试、海底持续观测等建设任务，并进行了持续数天的连续测试，数据正源源不断地传输到岸基服务器上，随时可以通过岸基服务器传到全球各地。为我国海洋科学研究和海洋安全监测提供有力支撑。

海底观测网络是指能够对海底区域进行长期实时探测、传输数据、采集分析样品以及进行原位实验的海底无人网络系统，作为可以实现对海底进行长期实时观测的一种新型平台，它将是继调查船舶和遥感通信卫星之后，人类探测深海的第三个重要平台。

本次海试建立的海底观测网络试验系统是国际海底观测网的最高电压等级（10kV），在国内首次实现在超过1700米的深海区完成国内最长距离（约150公里）的海底观测网络组网建设任务，达到国内最大深度和最长距离。标志着中国海底观测技术已达到国际先进水平，具备了建设更大范围海洋观测组网的能力。目前，数据正源源不断地从海底传输到岸基服务器上，随时可以通过岸基服务器传到全球各地。

海底观测网络需要依靠一根纵深到深远海或者形成环网的主干缆，多个接驳盒挂接到主干缆上