通信技术——水下通信技术的分类、特征、应用及其最新研究进展

(360) 2024-04-28 10:01:01

水下通信技术的分类、特征、应用及其最新研究进展

  • 一、水下电磁波通信
    • ⒈ 水下电磁波传播特点
    • ⒉ 传统的水下电磁波通信
    • ⒊ 水下无线射频通信
    • ⒋ 水下电磁波通信的新进展
  • 二、水声通信
    • ⒈ 水声信道的特性
  • ⒉ 水声通信技术
  • ⒊水声通信的新突破
  • 三、水下量子通信
    • ⒈ 水下激光通信
    • ⒉ 水下中微子通信
    • ⒊水下量子通信的新发展
  • 四、水下无线通信的应用
  • 五、结语

海洋覆盖着地球三分之二的表面积,它是人类探索和研究的最前沿的领域之一。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、水声通信和水下量子通信,它们具有不同的特性及应用场合。

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一、水下电磁波通信

⒈ 水下电磁波传播特点

无线电波在海水中衰减严重,频率越高衰减越大。水下实验表明:MOTE节点发射的无线电波在水下仅能传播50~120cm。低频长波无线电波水下实验可以达到6~8m的通信距离。30~300Hz的超低频电磁波对海水穿透能力可达100多米,但需要很长的接收天线,这在体积较小的水下节点上无法实现。因此,无线电波只能实现短距离的高速通信,不能满足远距离水下组网的要求。

除了海水本身的特性对水下电磁波通信的影响外,海水的运动对水下电磁波通信同样有很大的影响。水下接收点相移分量均值和均方差均与选用电磁波的频率有关。水下接收点相移分量的均值随着接收点的平均深度的增加而线性增大,电场相移分量的均方差大小受海浪的波动大小影响,海浪运动的随机性导致了电场相移分量的标准差呈对数指数分布。

⒉ 传统的水下电磁波通信

电磁波作为最常用的信息载体和探知手段,广泛应用于陆上通信、电视、雷达、导航等领域。20世纪上半叶,人们始终致力于将模拟通信移至水中。水下电磁通信可追溯至第一次世界大战期间,当时的法国最先使用电磁波进行了潜艇通信实验。第二次世界大战期间,美国科学研究发展局曾对潜水员间的短距离无线电磁通信进行了研究,但由于水中电磁波的严重衰减,实用的水下电磁通信一度被认为无法实现。

直至60年代,甚低频(VLF)和超低频(SLF)通信才开始被各国海军大量研究。甚低频的频率范围在3~30kHz,其虽然可覆盖几千米的范围,但仅能为水下10~15米深度的潜艇提供通信。由反侦查及潜航深度要求,超低频(SLF)通信系统投入研制。SLF系统的频率范围为30~300Hz,美国和俄罗斯等国采用76Hz和82Hz附近的典型频率,可实现对水下超过80米的潜艇进行指挥通信,因此超低频通信承担着重要的战略意义。但是,SLF系统的地基天线达几十千米,拖曳天线长度也超过千米,发射功率为兆瓦级,通信速率低于1bp,仅能下达简单指令,无法满足高传输速率需求。

⒊ 水下无线射频通信

射频(RF)是对频率高于10kHz,能够辐射到空间中的交流变化的高频电磁波的简称。射频系统的通信质量有很大程度上取决于调制方式的选取。前期的电磁通信通常采用模拟调制技术,极大地限制了系统的性能。近年来,数字通信日益发展。相比于模拟传输系统,数字调制解调具有更强的抗噪声性能、更高的信道损耗容忍度、更直接的处理形式(数字图像等)、更高的安全性,可以支持信源编码与数据压缩、加密等技术,并使用差错控制编码纠正传输误差。使用数字技术可将-120dBm以下的弱信号从存在的严重噪声的调制信号中解调出来,在衰减允许的情况下,能够采用更高的工作频率,因此射频技术应用于浅水近距离通信成为可能。这对于满足快速增长的近距离高速信息交换需求,具有重大的意义。

对比其他近距离水下通信技术,射频技术具有多项优势:

⑴通信速率高。可以实现水下近距离,高速率的无线双工通信。近距离无线射频通信可采用远高于水声通信(50kHz以下)和甚低频通信(30kHz以下)的载波频率。若利用500kHz以上的工作频率,配合正交幅度调制(QAM)或多载波调制技术,将使100kbps以上的数据的高速传输成为可能。

⑵抗噪声能力强。不受近水水域海浪噪声、工业噪声以及自然光辐射等干扰,在浑浊、低可见度的恶劣水下环境中,水下高速电磁通信的优势尤其明显。

⑶水下电磁波的传播速度快,传输延迟低。频率高于10kHz的电磁波,其传播速度比声波高100倍以上,且随着频率的增加,水下电磁波的传播速度迅速增加。由此可知,电磁通信将具有较低的延迟,受多径效应和多普勒展宽的影响远远小于水声通信。

⑷低的界面及障碍物影响。可轻易穿透水与空气分界面,甚至油层与浮冰层,实现水下与岸上通信。对于随机的自然与人为遮挡,采用电磁技术都可与阴影区内单元顺利建立通信连接。

⑸无须精确对准,系统结构简单。与激光通信相比,电磁通信的对准要求明显降低,无须精确的对准与跟踪环节,省去复杂的机械调节与转动单元,因此电磁系统体积小,利于安装与维护。

⑹功耗低,供电方便。电磁通信的高传输比特率使得单位数据量的传输时间减少,功耗降低。同时,若采用磁祸合天线,可实现无硬连接的高效电磁能量传输,大大增加了水下封闭单元的工作时间,有利于分布式传感网络应用。

⑺安全性高。对于军事上已广泛采用的水声对抗干扰免疫。除此之外,电磁波较高的水下衰减,能够提高水下通信的安全性。

⑻对水生生物无影响。更加有利于生态保护。

⒋ 水下电磁波通信的新进展

水下低频射频通信虽然能实现长距离通信,但其发信台站十分庞大,天线极长,抗毁能力差。1000公里波长的超长波电台,一般都用1/8波长天线,天线长度达到125公里。例如,美国1986年建成并投入使用的超长波电台天线横亘135公里。

为此,美DARPA欲采用新的方法,研究使用数百赫兹~3千赫兹的特低频(ULF)电磁波和3~30千赫兹的甚低频(VLF)电磁波在水下传输信号,项目名称为“机械天线”(AMEBA)。其根本目的是开发微型、全新的ULF/VLF信号发射机,单兵在陆上、水中、地下均可携带。AMEBA项目研发经费约为2300万美元,按计划应于2017财年第3季度正式启动,共分为三个阶段,第一阶段为期18个月,第二阶段为期15个月,第三阶段为期12个月,将在大约4年的时间里推出产品。

近年来,美国在水下声通信基础技术领域取得了丰硕的成果,编码技术、信道均衡技术、纠错及安全传输方面均取得重大进展。同时在电磁通信、光通信等非声通信基础技术领域也开展了大量的研究工作,取得了一定的进展,为后续方案设计和研发奠定了良好的基础。2016年末至2017年初,美海军和DARPA等机构,面对实际作战场景,在水下声通信、无线电通信、光通信等领域均部署了重大应用项目。一方面得益于近年基础技术的积累,一方面充分利用海军、DARPA这些擅于利用创新思维、攻克瓶颈技术、形成颠覆性作战能力的机构的优势,上述重大项目落地指日可待,未来很可能突破水下通信和跨域通信的瓶颈。

二、水声通信

水声通信是其中最成熟的技术。声波是水中信息的主要载体,己广泛应用于水下通信、传感、探测、导航、定位等领域。声波属于机械波(纵波),在水下传输的信号衰减小(其衰减率为电磁波的千分之一),传输距离远,使用范围可从几百米延伸至几十公里,适用于温度稳定的深水通信。

⒈ 水声信道的特性

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。

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。

⑴多径效应严重。当传输距离大于水深时,同一波束内从不同路径传输的声波,会由于路径长度的差异,产生能量的差异和时间的延迟使信号展宽,导致波形的码间干扰。当带宽为4kHz时,巧米的路径差即会造成10毫秒的时延,使每个信号并发40个干扰信号。这是限制数据传输速度并增加误码率的主要因素。

⑵环境噪声影响大。干扰水声通信的噪声包括沿岸工业、水面作业、水下动力、水生生物产生的活动噪声,以及海面波浪、波涛拍岸、暴风雨、气泡带来的自然噪声。这些噪声会严重影响信号的信噪比。

⑶通信速率低。水下声信道的随机变化特性,导致水下通信带宽十分有限。短距离、无多径效应下的带宽很难超过50kHz,即使采用16-QAM等多载波调制技术,通信速率只有Ikbps-20kbps。当工作于复杂的环境中,通信速率可能会低于Ikbps。

⑷多普勒效应、起伏效应等。由发送与接收节点间的相对位移产生的多普勒效应会导致载波偏移及信号幅度的降低,与多径效应并发的多普勒频展将影响信息解码。水媒质内部的随机性不平整,会使声信号产生随机的起伏,严重影响系统性能。

⑸其他。声波几乎无法跨越水与空气的界面传播;声波受温度、盐度等参数影响较大;隐蔽性差;声波影响水下生物,导致生态破坏。

⒉ 水声通信技术

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。

⑴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8~15kHz,工作距离可达几公里。

⑵频移键控(FSK)。频移键控的通信系统从上世纪70年代后期开始出现到目前,在技术上逐渐提高频移键控需要较宽的频带宽度,单位带宽的通信速率低,并要求有较高的信噪比。

⑶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:

⑷多载波调制技术。

⑸多输入多输出技术。

⒊水声通信的新突破

作为主要的水下通信方式,水声通信的技术难度很大,核心问题就是由水声信道的时变性和空变性所带来的强干扰问题,需采用有效的多普勒补偿措施,确保低误码率,提高传输速率和通信距离,用于军用目的还要考虑信息传递的安全和多址接入等问题。2017年水声通信技术出现突破性发展,通信速率提高,通信距离增大,并颁布了首部水声通信标准。

⑴韩国水声通信技术现传输距离突破

2017年5月,韩国水下声通信技术试验实现传输距离突破,水深100米通信距离达到30千米,比现有技术传输距离提高了2倍以上。

⑵美国伯克利实验室研发轨道角动量复用技术,实现深海水声通信速率8倍提升

2017年6月,美国劳伦斯伯克利国家实验室完成螺旋声波多路复用技术陆上实验,验证了声波信号高效并行传输技术可行性,实现通信速率8倍提升,为激活成功教程远距离水声通信速率低的难题提供了新途径。

水声通信(特别是200米及以上距离)的可用带宽限制在20KHz以内的频率范围,这种低频限制了数据传输率,只能达到每秒几十kb的速度。研究人员创造性地采用了广泛应用于电信和计算机网络中的多路复用技术理念,将多路复用轨道角动量首次应用于声学通信,在单个频率上包装更多的信道,显著提高了信息传输速率。

这项研究在高速声学通信方面具有巨大潜力。这项技术一旦应用,可成倍提高水声通信容量,在海洋表面以下原本只能发送文字信息,而扩充容量后甚至可以传输高清电影。该创新方案将惠及潜水员、海洋调查船、远程海洋监测器、深海机器人,为潜艇、无人潜航器等武器装备水下通信能力带来大幅跃升。

⑶北约推出首个国际层面认可的水下通信协议

北约于2017年5月2日推出首个国际层面认可的水下通信协议–JANUS协议。

JANUS协议实际是一套将信息编码为声音的方法,可以很方便地整合进军用或民用、北约或非北约系统中,用于反潜战、反水雷战、海上保卫及搜救等行动。该协议的采纳将改变不同国家、制造商的水下系统无法兼容的现状。

三、水下量子通信

⒈ 水下激光通信

水下激光通信技术利用激光载波传输信息。由于波长450nm~530nm的蓝绿激光在水下的衰减较其他光波段小得多,因此蓝绿激光作为窗口波段应用于水下通信。蓝绿激光通信的优势是拥有几种方式中最高传输速率。在超近距离下,其速率可到达100Mbps级。蓝绿激光通信方向性好,接收天线较小。蓝绿激光水下通信具有海水穿透能力强、数据传输速率快、方向性好、设备轻巧且抗截获和抗核辐射影响能力好等优点,得到快速发展和广泛研究业界和军事部门一直在持续研究。

70年代初,水下激光技术的军事研究开始受到重视。90年代初,美军完成了初级阶段的蓝绿激光通信系统实验。但激光通信目前主要应用于卫星对潜通信,水下收发系统的研究滞后。蓝绿激光应用于浅水近距离通信存在固有难点:

⑴散射影响。水中悬浮颗粒及浮游生物会对光产生明显的散射作用,对于浑浊的浅水近距离传输,水下粒子造成的散射比空气中要强三个数量级,透过率明显降低。

⑵光信号在水中的吸收效应严重。包括水媒质的吸收、溶解物的吸收及悬浮物的吸收等。

⑶背景辐射的干扰。在接收信号的同时,来自水面外的强烈自然光,以及水下生物的辐射光也会对接收信噪比形成干扰。

⑷高精度瞄准与实时跟踪困难。浅水区域活动繁多,移动的收发通信单元,在水下保持实时对准十分困难。并且由于激光只能进行视距通信,两个通信点间随机的遮挡都会影响通信性能。

由以上分析可知,由于固有的传输特性,水声通信和激光通信应用于浅水领域近距离高速通信时受到局限。

目前,对潜蓝绿激光通信最大穿透海水深度可达到600米,远比甚低频和特低频等射频信号强,且数据传输速率可达100Mb/s量级,远高于射频信号。其不足之处在于光源易被敌方的可视侦察手段探知,且通信设备复杂,技术难度较大。目前基本上尚处于研制、试用阶段,前景难料。

2017年7月,业界在在蓝绿激光水下无线通信中取得了突破性进展。日本国立海洋研究开发机构在日本防卫省的资金支持下在水深700米至800米的海洋环境完成了水下移动物体间蓝绿激光无线通信,通信距离超过100米,通信速率达20MbB/s(这一速度可实时传输视频画面)。这预示着该技术向实用化又迈出坚实的一步。这一技术将来有望应用于海底探测等水下作业、海底观测仪器与船舶及无人机之间的通信以及潜艇通信等军事领域。

⒉ 水下中微子通信

中微子是一种穿透能力很强的粒子,静止质量几乎为零,且不带电荷,它大量存在于阳光、宇宙射线、地球大气层的撞击以及岩石中,50年代中期,人们在实验室中也发现了它。

通过实验证明,中微子聚集运动的粒子束具有两个特点:

⑴它只参与原子核衰变时的弱相互作用力,却不参与重力、电磁力以及质子和中子结合的强相互作用力,因此,它可以直线高速运动,方向性极强;

⑵中微子束在水中穿越时,会产生光电效应,发出微弱的蓝色闪光,且衰减极小。

采用中微子束通信,可以确保点对点的通信,它方向性好,保密性极强,不受电磁波的干扰,衰减极小。据测定,用高能加速器产生高能中微子束,穿透整个地球后,衰减不足千分之一,也就是说,从南美洲发出的中微子束,可以直接穿透地球到达北京,而中间不需卫星和中继站。另外,中微子束通信也可以应用到例如对潜等水下通信,发展前景极其广阔,但由于技术比较复杂,目前还停留在实验室阶段。

⒊水下量子通信的新发展

量子通信技术是以单光子为信息载体,结合量子叠加和量子不可克隆等量子力学基本物理原理,和通信与系统、计算机科学,以及光科学与工程等学科交叉融合发展起来的新一代信息技术。量子通信有望帮助人类实现真正意义的无条件安全的保密通信,在未来的金融、军事、公共信息安全等方面展现出极大的发展前景,已成为未来信息技术发展的重要战略性方向之一。基于光纤和自由空间大气信道的量子通信已经被证明是可行的,近年来得到了长足的发展。然而覆盖了地球70%的海洋是否可以被用作量子信道仍然是未知的。缺少了海洋,全球化的量子通信网是不完整的。

不久前,上海交通大学金贤敏团队成功实现了首个海水量子通信实验,观察到了光子极化量子态和量子纠缠可以在高损耗和高散射的海水中保持量子特性,国际上首次实验验证了水下量子通信的可行性,这标志着向未来建立水下以及空海一体量子通信网络迈出了重要一步。证明了量子通信技术不仅可以“上天、入地”,还可以“下海”。

首先,是海水对光的损耗问题。在海水中,很强的吸收和散射看起来对光的传输非常不利,这也是为什么海水乍看起来并不是做为量子通信的好的介质。克服这个困难的方法是利用405nm的光子,这个波段位于海水的“蓝绿窗口”,在此窗口内,海水的吸收较其他波段要弱。为了验证海水作为量子通信信道的可行性,并不失一般性,他们在提取海水样本时,均取自大连市到獐子岛之间沿岸海域不同位置的表层海水(见下图)。

其次,是量子态在海水中的抗干扰能力。对应经典信息中的比特,量子比特是量子通信的基本单元。那经过海水信道之后,量子比特能否“存活”下来呢?实验给出的回答是肯定的。研究人员利用光子的极化做编码,海水是一种各向同性介质,因此不会有很强的退极化效应,这就为极化编码的量子比特穿越海水提供了前提。实验也验证了光子的极化能在海水分子的多次碰撞中存活并传输,任何发生退极化的光子都可以通过滤波的方式予以滤除。

此外,此次实验还利用量子过程层析来刻画海水信道中初末态转化的物理过程,实验结果显示海水信道的综合作用类似于一个单位矩阵,即使经历了海水巨大的信道损耗,只要有少量的单光子存活下来,极化编码的光子只会丢失,而不会发生不可接受的量子比特翻转,仍然可以被用于建立安全密钥。

最后,我们实验验证了光子的纠缠特性能否在海水信道中保持下来。量子纠缠作为一种重要的资源,被广泛应用于量子信息科学,包括量子通信、量子隐形传态等。因此,研究海水对纠缠源品质影响,是探索未来海水量子通信实用化非常重要的一步。

四、水下无线通信的应用

海洋、湖泊等水下区域不但蕴含着丰富的资源,也与人类社会的发展构成直接的关联。在传统的陆空通信网络日趋完善的今天,水下通信的应用正在逐渐增多。有缆通信方式使目标的活动区域大大受到限制,且安装、使用、维护繁琐昂贵,因此不适于水下节点间的动态通信。

水下通信一般是指水上实体与水下目标(潜艇、无人潜航器、水下观测系统等)的通信或水下目标之间的通信。水下通信主要应用声波、低频无线电和光波作为信息载体。水下无线通信是以水为媒质,利用不同形式的载波传输数据、指令、语音、图像等信息的技术,其应用方向主要有:

⑴潜水员、无人潜航器(AUV)、水下机器人等水下运动单元平台间的信息交换。

⑵海岸检测、水下节点的数据采集、导航与控制、水下生态保护监测等三维分布式传感网应用。

⑶水下传感网、水下潜航单元与水面及陆上控制或中转平台间的通信。可见,水下无线通信技术在民用、科研及军事领域中前景广阔。由于水下复杂的时空环境,通信系统的有效信息传输率往往成为瓶颈,这与不断增长的水下通信需求形成矛盾。例如,潜航器的控制需要100bps以上的数据率,水下传感组网的数据率需求将超过8kps,而传输声音、图像信息则需要更高的数据传输速率。由于传播媒质的不同采用陆地、空气中常用的微波、超短波通信方式,将带来极大的衰减。因此,寻找更速的无线通信技术,成为水下通信研究领域的核心目标之一。

水下磁感应通信、水下中微子通信和引力波通信就是人们不断探索发掘出的新型水下通信技术,具有更优良的性能潜质。磁感应通信是采用磁场为载体,通过改变磁场强度进行信息传输,水下磁感应通信具有隐蔽性强和传输速率高等特性优势;中微子波束可以在任何物质里以光速独往独来,水下中微子通信保密性极强,衰减极小,可让相距遥远的两艘潜艇实施不间断的通信连接,让在深海任意深度活动的潜艇直接与陆上的指挥中心联系,在未来将有重要的战略用途,尤其在有线通信受到破坏、无线通信又遭受强烈干扰的情况下;引力波是一种以光速传播的横波,具有很强的穿透力,没有任何物质能阻挡住引力波的传播,在水中传播距离超过1000km,将是大有发展前景的未来水下通信技术。

近两年来,业界和军事部门在水声通信、光通信、射频通信等传统水下通信领域的研究不断取得突破性进展:美军探索特低频/甚低频(ULF/VLF)水下通信技术新实现方法;美国业界在实验室环境下实现了隐秘性很强的水下磁感应通信;2017年上海交通大学金贤敏团队成功完成了海水量子通信实验,首次验证了水下量子通信的可行性通信距离可达数百米,向未来建立水下及空海一体量子通信网络迈出重要一步。

五、结语

水下无线通信有三大类:水下电磁波通信、水声通信和水下量子通信,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较大克服环境的影响是将来水下光通信技术的发展方向。

上海交通大学金贤敏团队成功实现首个海水量子通信实验,在国际上首次验证了水下量子通信的可行性,为量子通信技术上天、入地、下海的未来图景添上了浓墨重彩的一笔。金贤敏团队的实验结果显示,可预期的水下量子通信最远距离可达数百米,足以对水下百米量级的潜艇和传感网络节点等进行保密通信,从而在军事和高商业机密领域大显身手。

他们在实验中选择光子的极化作为信息编码载体,并通过模拟证明,即使经历了海水巨大的信道损耗,极化编码的光子也只会丢失,而不会发生量子比特翻转,也就是说,只要存留下少量单光子,仍可被用于建立安全密钥。期待在不久的将来,可实用的水下、空海一体的量子通信时代就会到来。

THE END

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