海洋水下近距離無線通信技術研究進展*

和一帆,陳 武,狄志剛,王暉瑜,黃 渤,孫吉星,金 曦,楊岳澄,陳亞林,宋 強,劉鳳慶,孔祥峰

(1.中海油常州涂料化工研究院有限公司,天津 300270;2.青島鋼研納克檢測防護技術有限公司,山東 青島 266071;3.中國海洋大學 化學化工學院,山東 青島 266100;4.齊魯工業大學(山東省科學院)海洋儀器儀表研究所,山東 青島 266071)

海洋傳感器及觀測網絡,在海洋環境調查、海洋觀測、海洋資源開發工程等多方面都有著重要的應用,是認識海洋、探索海洋的有效手段。到目前為止,大部分海洋觀測系統依然采用電纜或光纜通信作為主要的通信方式,然而這種通信方式布設成本高、結構不靈活,且當通信電纜布設后,若某一傳感器節點出現故障則難以更換或維修。與之相比,水下無線通信技術可應用于海洋觀測系統,能夠實現傳感器及集成系統間的近距離無線連接,并且在不影響已布設好有纜網絡的基礎上還可以實現傳感器等水下聯網設備的維護或便捷更換,從而有效地解決有纜通信的種種弊端。

水下無線通信的方式主要有水下聲通信、水下電磁波通信以及水下光通信等[1]。由于聲波在水下傳播的能力比較強,因此水下聲通信的傳輸質量比較穩定,但其在傳輸速率、傳輸帶寬、抗干擾性等方面有所不足。與之相比,水下光通信和水下電磁波通信有著傳輸速度快、能量損失小、抗干擾性強、傳輸信息量大等優點[2],得到了眾多研究者們的關注,并且近年來隨著水下通信需求的增加和技術的發展,基于電磁波或激光的海洋水下近距離無線通信技術也在水下傳感網絡、無人水下航行器、水下數據采集節點等領域逐漸發展應用起來[3-4]。

本文主要基于電磁波和激光的水下近距離無線通信技術的研究現狀進行闡述,同時總結水下近距離無線通信技術所面臨的問題與發展前景。

1 水下電磁波通信技術

水下無線電磁波通信是指將水作為信息的傳輸介質,把不同頻率的電磁波作為載波用來傳輸指令、數據、語言等信息的一類水下無線通信技術,其原理主要是利用電磁波在水介質中的傳播特性來實現信息傳輸。相比于傳統的有線通信,水下電磁波通信具有更好的靈活性和便捷性,因此在海洋探測、潛水作業、海洋資源開發等領域有著廣泛的應用。

然而,水下電磁波通信技術也存在一些問題,具體如下。

1)抗干擾能力差。由于水中存在大量的干擾影響,如水流密度不均勻、懸浮物和其他噪聲等,這些干擾的存在會影響電磁波的傳播,進而降低通信質量。

2)設備成本高。由于水下環境的特殊性,水下無線通信設備的設計和制造成本較高,限制了其進一步的應用。

3)能量衰減快。水的介質特性使得電磁波在水中傳播時會發生能量損失,導致信號衰減快,影響通信質量等。

近年來,針對上述問題又有了一些新的研究進展。

1.1 水下信道建模與分析

基于電磁波在水下傳播易受到干擾的問題,研究人員通過開發新的信道建模和分析方法,以提高水下通信的性能。建模和分析信道模型和參數可以幫助設計更加穩定、可靠、高效的水下無線電磁波通信系統。

2012年,A. Zoksimovski等[5]對電磁波水下通信技術進行了建模,在深海鉆井傳感器的非接觸健康監測中使用正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術,并在100 kHz～6.5 MHz之間的頻率下進行了測試。聶志強等[6]基于OFDM技術提出了水下近距離超帶寬電磁波通信方法,結果表明,當傳輸距離為11 m時,信息傳輸速率可達到40 kbps,并且在相同誤碼性能下比特信噪比與單載波相比可以節省約2.5 dB。2016年,K. Kwak等[7]提出了一種基于電磁波通信的水下三維空間衰減模型,建立了一個利用距離確定水下3D空間位置的識別系統,并研究了介質、輻射和天線對電磁波衰減特性的影響,從而推導出了電磁波在三維空間中的信號衰減特性。Zhou J等[8]建立了一種磁場通信的遠場模型,通過對最大通信距離的數值分析表明該磁場通信適用于水下環境,通過增加發射機的磁矩,進而提高了接收機的最小可檢測信號強度。2019年,王俊[9]建立了一種適用于深水環境下的近距離通信直射波模型,并根據此模型設計了一種基于OFDM的通信系統,研究結果表明,所設計的系統與單載波系統相比在誤碼性能方面有較大提升,此外信息傳輸速率和頻帶利用率也有所提升,相比于16進制的正交振幅調制(QAM)的單載波方案,信噪比節省約3 dB。2020年,D. Park等[10]提出了一種應用于水下基礎設施結構定位的電磁波距離衰減模型,分析了結構引起的電磁波傳播特性和信號干擾效應,并通過多次實驗表明所提出的傳感器模型有著更高精度的定位結果。

1.2 水下天線的研究

水下天線是水下電磁通信的重要組成部分。由于用于輻射低頻電磁波的天線設備體積大、造價高,信號衰減、信道干擾等因素限制了電磁波在水下通信中的進一步應用。因此,研究人員通過研究新型的水下天線設計,以提高水下通信的可靠性和效率。2018年,I. I. Smolyaninov等[11]提出了一種工作在50 MHz頻段下的水下便攜式無線電天線,可有效地在海水和空氣界面發射表面電磁波。由于表面波傳播長度遠遠超過相同頻率下傳統無線電波的趨膚深度,因此該技術非常適用于數米距離的寬帶水下無線通信。2022年,Amit等[12]提出了一種圓形結構的四帶蝴蝶結天線。研究表明,所提出天線設計的輻射方向圖是全方向的,其回波損耗小于-25 dB,并且由于所提出的天線具有穩健的設計結構,因此可以通過不同的錐度傳輸多個頻率。2023年,Yang S等[13]提出了一種基于超緊湊型極低頻(ELF)磁力傳輸天線(UEMTA)的遠程水下電磁(EM)通信系統。該通信系統的變送器主要包括波形發生器、變頻驅動器(VFD)和三相感應電機。接收器由一個200匝的線圈和信號分析儀組成,最后通過實驗和模擬對通信性能進行了評估。結果表明,ELF波在鄰近海域的水下傳播能力較強、衰減較慢,實驗中最長傳播距離可達210 m。

1.3 水下通信網絡的研究

隨著水下油氣勘探和海洋科學研究的不斷發展,對于水下通信網絡的需求也變得更加迫切。研究人員正在研究水下通信網絡的拓撲結構、優化方法等,以提高水下通信網絡的可靠性和效率。2018年,Wang S等[14]研究了基于磁感應的淺海監測網絡,提出了一種高能節點優先級聚類算法以降低網絡能耗,仿真結果表明,所提出的方法在相同傳感器節點數量的情況下,可以提供比其他方法更長的壽命,其系統結構和傳感器網絡如圖1所示。2023年,T. Hossain等[15]基于混合可重構智能表面(RIS)輔助的射頻-水下光學無線通信(RF-UOWC)在未來無線網絡應用中的潛在價值,研究了混合雙跳RIS輔助RF-UOWC網絡的保密性能,評估了RF和UOWC信道的廣義系統特性,導出了性能度量的數學表達式,并通過蒙特卡羅(MC)模擬對其性能進行了測試。結果表明,通過增加反射元件的數量可以增加信噪比增益,進而可以提升保密性能,其系統模型圖如圖2所示。

a) 水下無線傳感器網絡體系結構

b) 二維和三維水下無線傳感器網絡中六邊形模式節點部署示例

圖2 RIS輔助雙跳RF-UOWC組合系統模型

2 水下光通信技術

水下無線光通信(UWOC)是指利用海水中低損耗窗口波長段為450～530 nm的藍綠激光作為水下通信的信息載體進行水下通信的技術。其系統一般由發射端、接收端和水下信道三部分組成。水下無線通信系統對輸入信號進行編碼調制后,在光源處將電信號轉換成光信號,之后轉換成的光信號在水下信道傳輸,最后再由探測器接收并將光信號轉換為電信號,并進行譯碼解調,恢復出原始信號[16]。水下光通信具有傳輸速率高(在近距離通信中,其通信速率可達到100 Mbps)、信號方向性較強、幾何損耗較小[17]等特點。此外,光通信還具有較強的抗電磁干擾、光電器件體積小、效率高等優點。

雖然水下光通信技術有著諸多優勢,但目前其應用仍存在固有難點,如:1)由于水中微小顆粒的存在會使光信號產生吸收和散射現象,從而導致信號的衰減,進而導致光脈沖的時延與擴展;2)水下光通信信號的完整性和可靠性需要進一步增強;3)水下激光通信的設備在傳輸距離和傳輸速率等方面有待提高。為了應對上述難點,近年來,又探索出了不同于傳統地面自由空間光通信的新系統設計方法。

2.1 水下光學模型與分析

水下環境對光的傳輸和衰減具有很大的影響。研究人員正在研究水下環境的光學特性,以制定更好的水下無線光通信技術和方案。

目前,針對光信號因吸收和散射導致的光衰減效應問題已經建立了許多信道優化模型。其中,比爾-蘭伯特定律模型是應用最為廣泛的模型之一[18],它將吸收和散射效應建模為指數衰減的形式,但不考慮時間色散的影響。為了描述光傳輸過程中散射出來的光對總接收光產生的額外影響,輻射傳輸方程(RTE)模型又被提出來,該方程可以生成波束擴展函數,用于準確描述特定線路配置的光吸收和散射效應,但很難確定RTE的精確分析解,只能導出近似解,且在這個過程中會丟失時間的分布信息。

與RTE的解析解相比,數值解已被證明能夠更完整地描述水下光傳播的過程[19]。2015年,C. Li等[20]基于確定性數值方法開發了一種高效的RTE求解器。該求解器采用無矩陣高斯-賽德爾(Gauss-Seidel)迭代法來求解水下無線光通信系統的接收功率,進而解決了傳統離散縱坐標法(SN)不能很好地與體積散射函數(VSF)一起工作的問題。

近年來,為了考慮多因素對光通信信號的影響,出現了一些綜合優化模型。如2019年,E. Zedini等[21]提出了一種綜合的統計模型來表征在淡水和咸水中存在氣泡和溫度梯度的情況下,水下無線光通信信道中湍流引起的信道衰落地問題,解決了由于氣泡和溫度梯度導致的光通信信道中光束輻照度波動的統計問題。2021年,Cai R等[22]提出了一個綜合多參數模型,以綜合吸收、散射和動態湍流的影響。通過將相位結構函數與理論值進行比較,將次諧波法與嚴格采樣約束法相結合,進一步提高了模擬精度。2022年,Xu D L等[23]為了降低水下光通信過程中通信信道會受到粒子和湍流共同引起的吸收和散射效應的影響,在蒙特卡羅模擬的水下無線光通信信道湍流衰減模型中加入了湍流效應。結果表明,該系統的路徑損耗增加了5 dB以上,而信道脈沖響應幅度卻降低到了1/3以下,光強概率密度函數更加分散。同年,Y. Weng等[24]針對通信過程中會出現波束難對準的問題,提出了一種聲學導航方法來指導對準過程,將對準問題建模為一個部分可觀察的馬爾可夫決策過程(POMDP),模擬結果表明,該方法在模擬環境中優于基線方法。R. Xiao等[25]提出了一種新型水下無線光通信信道的數學形式化方法,并使用蒙特卡羅積模型進行了模擬,模擬結果表明,提出的新方法在允許給定的計算時間內具有更低的樣本方差和誤差。

2.2 信道調制技術的研發

信道調制技術是優化水下無線光通信系統的重要方法。它可以提高信號的傳輸速率和傳輸距離,同時還可以提高信號的抗干擾能力和可靠性。目前,流行的信道調制技術之一是開關鍵控(OOK)調制,該技術操作簡單,但效率較低。另一種流行的調制技術是脈沖位置調制(PPM),該技術具有編碼簡單、傳輸效率高等優點。

在水下光通信系統中,數字脈沖間隔調制(DPIM)也被廣泛采用。DPIM是一種異步調制方案,具有可變的符號長度。相較于PPM調制技術,DPIM具有更高的帶寬效率。2012年,C. Gabriel等[26]進行了仿真實驗,對比研究了DPIM、OOK、PPM和其他一些調制技術。研究結果顯示,在相同距離下,PPM調制技術是最節能的。DPIM的帶寬效率比PPM和OOK更好,但解調設備較為復雜。為了減輕水下光信號因衰減造成通信質量和效率降低的影響,2020年,P. N. Ramavath等[27]在多輸入單輸出(MISO)水下光通信系統中應用了里德-所羅門(RS)碼,從而提高了系統的可靠性和效率。此外,BCH碼和循環冗余校驗碼(CRC)也已被廣泛應用于水下無線光通信系統,以改善低信噪比下的水下系統的誤碼率。2013年,Wang W P等[28]使用簡單的OOK調制方法模擬了BCH和RS碼的抗噪聲特性。結果表明,RS碼在糾錯功能方面優于BCH碼,但傳輸數據頻率會降低。雖然上述方法可以減少功率和誤碼率,但在強干擾環境中效果并不理想。因此,低密度奇偶校驗碼(LDPC)和Turbo碼又被提出。LDPC碼可以提供接近香農極限的糾錯性能[29],而Turbo碼則將2個或多個卷積碼和交織器相結合,進而實現接近香農極限的誤碼率。

2.3 新型水下無線光通信設備的研發

研究人員正在開發新型的水下無線光通信設備,如高功率激光器、高速光調制器、光纖放大器等,以提高水下無線光通信的傳輸距離和傳輸速率。

2019年,Wang J等[30]提出了一種多像素光子計數器(MPPC)作為接收器和正交頻分復用(OFDM)的UWOC系統(見圖3),并對其進行了實驗研究。結果表明,該系統有著312.03 Mbps的凈數據速率,誤碼率(BER)低于FEC信道編碼技術。2021年,Li J等[31]研究了基于SiPM陣列的多輸入多輸出(MIMO)技術水下無線光通信系統的性能,MIMO技術可以在不增加信噪比和帶寬的情況下,使得信道的可靠性得到大幅度提高[32]。在實驗中,使用光子計數6×3的MIMO方案(見圖4),在閃爍指數為4.66×10-3的10 m水箱中,以1 Mbps的OOK調制實現了7.38×10-9J/bit的能量。同年,Lin R等[33]基于高帶寬、低功耗的微型LED陣列,實現了雙工水下無線光通信和水下充電,其系統原理圖和光電探測器實物圖如圖5和圖6所示,2.3 m雙工UWOC系統中微型LED發射機的最大調制帶寬和數據速率分別為251.3 MHz和660 Mbps。此外,在相同的UWOC系統中,基于微型LED的光電探測器在0和-5 V下分別可以實現52.5和60 Mbps的最大數據速率。

圖3 系統的實驗裝置

圖5 基于微型LED陣列的雙工UWOC系統原理圖

圖6 微LED陣列的照片作為發射機和

3 結語

綜上所述,基于水下無線光通信技術和水下無線電磁通信技術出現的信號衰減、傳輸距離短、設備成本高以及抗干擾性差等問題,建立信道優化模型、水下無線傳感網絡以及研發高性能的天線和設計相應的通信系統是實現高速率、長距離、低成本和高可靠性水下無線通信的重要手段。此外,將信道調制技術與新型通信設備相結合,也是提高通信性能的另一種手段。然而,雖然現在出現了很多優化水下無線通信的方法,但面對更加復雜的水下環境以及其他一些影響因素,水下無線通信系統的穩定性、可靠性,以及信息的傳輸質量與效率方面仍面臨著許多挑戰,如何研發更好地適用于水下通信的系統仍是研究重點。此外,如何更好地實現多通信方式的融合和多用戶通信也是水下無線通信技術的重要研究方向。