水声通信技术难点及进展

发布时间:2019-04-09 16:16:31  |  来源:中国网·中国发展门户网  |  作者:朱敏 武岩波  |  责任编辑:赵斌宇
关键词:水声通信,水声通信网,发展现状

国外水声通信技术的发展

最早的水声通信系统是采用模拟技术的水声电话,二战期间就已在潜艇上装备,目前仍广泛应用于潜艇以及潜水员的通话。但其明显的缺点是功能相对单一,即主要传输语音,也有的在语音基础上增加了低速的数传功能。

非相干水声通信技术。首先发展起来的数字式水声通信系统采用非相干水声通信技术。非相干水声通信技术用不同频率信号的能量变化或其组合来传输信息。当前多采用多频移键控信号(MFSK)加编码以及保护间隔和循环前缀的技术克服多途引起的符号间干扰和频率选择性衰落,其带宽利用率较低,传输速率一般为数百 bits/s。这种技术在 20 世纪 90 年代中期已发展得比较完善。代表性产品是美国 Datasonics公司(后被 Benthos 公司收购)的 ATM 系列水声通信机。由于其鲁棒性好,得到了广泛应用。

相干水声通信技术。该技术是利用信号的相位变化来传输信息,带宽利用率比非相干技术提高了一个数量级。由于声波信号失真严重,相位的畸变比频率和幅度要严重得多。直到自适应技术发展起来,能够自动修正信道的影响,相干水声通信技术才成为可能。与水声信道特性相匹配的自适应均衡器技术是相干水声通信的核心技术。20 世纪 90 年代美国 Scripps 海洋研究所率先发展出了单载波相干通信技术,采用多相移键控信号(MPSK)、空间分集、自适应均衡器、纠错编码和多普勒补偿等技术。目前单载波通信技术已经得到了长足的发展,在一些商业产品上已经支持单载波通信模式,用于高速传输。但其成熟度还比不上非相干通信技术,对信道条件的依赖性相对较高,技术还在继续发展完善中。

正交频分复用(OFDM)技术。这是一种多载波的相干通信技术,频带利用效率高,在无线电通信中得到了广泛的应用。从 20 世纪 90 年代中后期开始,才逐渐有人开始将 OFDM 技术应用于水下通信的研究。由于水声信道的复杂性,OFDM 技术在水下遇到了很多问题,目前距离实用还有一定距离。

其他技术。美国 Scripps 海洋研究所从 1999 年起进行了时反水声通信技术的研究。在 2000 年前后,美国麻省理工学院等单位开展了基于空间调制的多输入多输出(MIMO)水声通信技术研究。这些技术的思路都是利用了声波在水声信道中的多途传播特性来实现高速、可靠、多用户通信。目前这些技术还处于原理性研究阶段,距离实用还有较大差距。

在点对点水声通信技术发展的基础上,20 世纪 90 年代起美国、欧盟等国家和地区开展了水声通信网技术研究,目的是实现水下设备间的互联互通,以用于海洋观测、水下侦查预警、潜艇协同作战等方面。受水声通信速率和距离之间矛盾的限制,目前还主要在科学研究方面有所应用,没有军事上实战应用的报道。

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