水下通信技術(shù)研究

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目前水下通信已經(jīng)覆蓋民用、軍事多個領(lǐng)域，水下通信一直是人們所主攻的技術(shù)方向。本文對水下通信技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，重點總結(jié)和分析了幾種典型的水下通信方式，并在此基礎(chǔ)上討論了水下通信下一步的研究方向。水下通信是指水下雙方的通信，或者水上與水下的通信，水通常指海水、湖泊水、河水等自然水域。目前水下通信技術(shù)的研究主要包括兩類：水下有線通信技術(shù)和水下無線通信技術(shù)，具體如下。

1水下有線通信技術(shù)

1.1水下線纜通信技術(shù)。水下線纜通信是在水下鋪設(shè)線纜，形成通信雙方高可靠高穩(wěn)定高帶寬通信鏈路。但該技術(shù)也有明顯的缺陷，就是材料成本和人工成本高，同時需要線纜具有高水密性，并且惡劣海洋環(huán)境容易導(dǎo)致線纜漏電情況的發(fā)生，在鋪設(shè)、維護(hù)和安全方面存在一定的不利因素。1.2水下電力載波通信技術(shù)。水下電力載波通信利用的是低壓電力線，不需要專門鋪設(shè)線纜，它采用調(diào)制技術(shù)，對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，將承載用戶數(shù)據(jù)的高頻加載于電流上，通過電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可大大降低成本。但其將通信信號耦合至電力線時，會存在耦合損耗，導(dǎo)致信號衰減，而且為了擴大傳輸距離，必須使用中繼器，同樣需要人工成本，并且必須保證其在水下相當(dāng)長時間正常穩(wěn)定工作。

2水下無線通信技術(shù)

2.1水下電磁波通信技術(shù)。水下電磁波通信主要是使用電磁波的甚低頻VLF、超低頻SLF和極低頻ELF三個低頻波段進(jìn)行通信，其通信過程與陸地電磁波通信類似，都是利用無線電磁波收發(fā)機進(jìn)行雙向通信，區(qū)別在于前者是水下，后者是水上。由于電磁波的傳播不需要介質(zhì)，并且具有強穿透性，因此無線電磁波收發(fā)機具有抗干擾，在近距離條件下能達(dá)到較高的通信質(zhì)量和容量的優(yōu)勢。但是無線電磁波收發(fā)機本身功率大，成本高，天線尺寸大，體積大，并且傳播路徑損耗嚴(yán)重，信道不穩(wěn)定。2.2水下光通信技術(shù)。水下光通信包括水下可見光通信、水下不可見光通信，是以光波作為信息載體，通常發(fā)射端采用編碼芯片對通信信號進(jìn)行編碼處理后，傳送至發(fā)光光源，發(fā)光光源將收到的信號轉(zhuǎn)換為光信號，光信號經(jīng)過匯聚后發(fā)送到水下信道；光信號通過水下信道到達(dá)接收端，接收端將入射的光信號匯聚到光電二極管探測器上，光電二極管探測器將收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并對電信號進(jìn)行濾波放大等處理，再由解碼芯片進(jìn)行解碼，從而恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。研究表示，在海水中，藍(lán)綠光的衰減比其他光波的衰減要小得多，藍(lán)綠光在海水中具有很強的穿透性，因此發(fā)射端的光源模塊宜采用藍(lán)綠色高光LED或者藍(lán)綠色激光。水下光通信收發(fā)端系統(tǒng)體積小、成本低、功耗低、帶寬大速率高、設(shè)計簡單，但是同時這種技術(shù)受水下環(huán)境干擾嚴(yán)重，使得水下光通信技術(shù)在一定程度上受到制約。2.3水下聲通信技術(shù)。水下聲通信是利用聲波在水里傳播實現(xiàn)通信。水下聲通信是目前水下遠(yuǎn)距離傳播信息最常用的方式，帶寬在50kHz內(nèi)的聲波在水中的衰減系數(shù)為10-4～10-2dB/m，只要合理選擇水中傳播的聲信號工作頻段，既可避開水介質(zhì)中的環(huán)境噪聲，又可減小聲信號在水介質(zhì)中的傳播衰減，以較小的發(fā)射電功率獲得較遠(yuǎn)的通信聯(lián)絡(luò)距離。水下聲通信的工作原理是承載文字、語音、圖像等信息的電信號轉(zhuǎn)換為聲信號，聲信號通過水這一介質(zhì)，將信息傳遞到接收端，這時聲信號又轉(zhuǎn)換為電信號，從而將信息變成文字、聲音及圖片，可以傳輸很長的距離。但還存在著傳輸速率低、帶寬有限；容易受水質(zhì)、水溫、水壓和水下噪聲的影響，形成多路徑干擾信號和盲區(qū)等缺陷。2.4水下磁場通信技術(shù)。水下磁場通信使用磁場作為傳播方式，一般包括多個設(shè)置在水下的磁感應(yīng)無線傳感節(jié)點，每個所述磁感應(yīng)無線傳感節(jié)點包括收發(fā)天線，用于實現(xiàn)與其他磁感應(yīng)無線傳感節(jié)點之間的磁感應(yīng)通信。通過磁感應(yīng)無線傳感節(jié)點以磁感應(yīng)的方式進(jìn)行通信，水下環(huán)境中的傳輸介質(zhì)的變化對磁感應(yīng)通信的影響很小，具有穩(wěn)定的信道狀態(tài)，能夠減小路徑損耗的影響，降低網(wǎng)絡(luò)時延，提高了信息傳輸?shù)目煽啃裕莻鬏斁嚯x短。2.5水下電場通信技術(shù)。1971年，Schultz介紹了水下電場通信的基本工作原理。水下電場通信是利用水中形成的電場作為通信的媒介，其發(fā)射端和接收端分別由兩塊裸露在水中的電極板組成。在發(fā)射端，發(fā)射信號驅(qū)動發(fā)射電極板，由于海水是良導(dǎo)體，兩發(fā)射電極板與海水形成的回路中就會有電流通過，該電流在周圍形成電場，電場在接收電極板兩端感應(yīng)出電動勢，接收端對該電勢進(jìn)行處理后，實現(xiàn)水下數(shù)據(jù)傳輸。水下電場通信傳輸信號非常穩(wěn)定，不存在多路徑和盲區(qū)問題，不受浮游生物、雜質(zhì)粒子光學(xué)方面的影響，因為不必架設(shè)龐大的天線，因而具有相當(dāng)?shù)撵`活性。

3研究方向

水下通信存在的可以進(jìn)一步研究的問題有：（1）發(fā)展高速度、大容量、遠(yuǎn)距離、低延時、高可靠的水下通信技術(shù)。（2）研究一種全新的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抵抗水環(huán)境干擾。（3）優(yōu)化發(fā)送端和接收端設(shè)備。如何節(jié)約設(shè)備成本，如何減少設(shè)備體積，采用何種通信協(xié)議。

作者:馬曉曉 單位:國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心