海洋水下近距离无线通信技术研究进展*

和一帆,陈 武,狄志刚,王晖瑜,黄 渤,孙吉星,金 曦,杨岳澄,陈亚林,宋 强,刘凤庆,孔祥峰

(1.中海油常州涂料化工研究院有限公司,天津 300270;2.青岛钢研纳克检测防护技术有限公司,山东 青岛 266071;3.中国海洋大学 化学化工学院,山东 青岛 266100;4.齐鲁工业大学(山东省科学院)海洋仪器仪表研究所,山东 青岛 266071)

海洋传感器及观测网络,在海洋环境调查、海洋观测、海洋资源开发工程等多方面都有着重要的应用,是认识海洋、探索海洋的有效手段。到目前为止,大部分海洋观测系统依然采用电缆或光缆通信作为主要的通信方式,然而这种通信方式布设成本高、结构不灵活,且当通信电缆布设后,若某一传感器节点出现故障则难以更换或维修。与之相比,水下无线通信技术可应用于海洋观测系统,能够实现传感器及集成系统间的近距离无线连接,并且在不影响已布设好有缆网络的基础上还可以实现传感器等水下联网设备的维护或便捷更换,从而有效地解决有缆通信的种种弊端。

水下无线通信的方式主要有水下声通信、水下电磁波通信以及水下光通信等[1]。由于声波在水下传播的能力比较强,因此水下声通信的传输质量比较稳定,但其在传输速率、传输带宽、抗干扰性等方面有所不足。与之相比,水下光通信和水下电磁波通信有着传输速度快、能量损失小、抗干扰性强、传输信息量大等优点[2],得到了众多研究者们的关注,并且近年来随着水下通信需求的增加和技术的发展,基于电磁波或激光的海洋水下近距离无线通信技术也在水下传感网络、无人水下航行器、水下数据采集节点等领域逐渐发展应用起来[3-4]。

本文主要基于电磁波和激光的水下近距离无线通信技术的研究现状进行阐述,同时总结水下近距离无线通信技术所面临的问题与发展前景。

1 水下电磁波通信技术

水下无线电磁波通信是指将水作为信息的传输介质,把不同频率的电磁波作为载波用来传输指令、数据、语言等信息的一类水下无线通信技术,其原理主要是利用电磁波在水介质中的传播特性来实现信息传输。相比于传统的有线通信,水下电磁波通信具有更好的灵活性和便捷性,因此在海洋探测、潜水作业、海洋资源开发等领域有着广泛的应用。

然而,水下电磁波通信技术也存在一些问题,具体如下。

1)抗干扰能力差。由于水中存在大量的干扰影响,如水流密度不均匀、悬浮物和其他噪声等,这些干扰的存在会影响电磁波的传播,进而降低通信质量。

2)设备成本高。由于水下环境的特殊性,水下无线通信设备的设计和制造成本较高,限制了其进一步的应用。

3)能量衰减快。水的介质特性使得电磁波在水中传播时会发生能量损失,导致信号衰减快,影响通信质量等。

近年来,针对上述问题又有了一些新的研究进展。

1.1 水下信道建模与分析

基于电磁波在水下传播易受到干扰的问题,研究人员通过开发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参数可以帮助设计更加稳定、可靠、高效的水下无线电磁波通信系统。

2012年,A. Zoksimovski等[5]对电磁波水下通信技术进行了建模,在深海钻井传感器的非接触健康监测中使用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术,并在100 kHz～6.5 MHz之间的频率下进行了测试。聂志强等[6]基于OFDM技术提出了水下近距离超带宽电磁波通信方法,结果表明,当传输距离为11 m时,信息传输速率可达到40 kbps,并且在相同误码性能下比特信噪比与单载波相比可以节省约2.5 dB。2016年,K. Kwak等[7]提出了一种基于电磁波通信的水下三维空间衰减模型,建立了一个利用距离确定水下3D空间位置的识别系统,并研究了介质、辐射和天线对电磁波衰减特性的影响,从而推导出了电磁波在三维空间中的信号衰减特性。Zhou J等[8]建立了一种磁场通信的远场模型,通过对最大通信距离的数值分析表明该磁场通信适用于水下环境,通过增加发射机的磁矩,进而提高了接收机的最小可检测信号强度。2019年,王俊[9]建立了一种适用于深水环境下的近距离通信直射波模型,并根据此模型设计了一种基于OFDM的通信系统,研究结果表明,所设计的系统与单载波系统相比在误码性能方面有较大提升,此外信息传输速率和频带利用率也有所提升,相比于16进制的正交振幅调制(QAM)的单载波方案,信噪比节省约3 dB。2020年,D. Park等[10]提出了一种应用于水下基础设施结构定位的电磁波距离衰减模型,分析了结构引起的电磁波传播特性和信号干扰效应,并通过多次实验表明所提出的传感器模型有着更高精度的定位结果。

1.2 水下天线的研究

水下天线是水下电磁通信的重要组成部分。由于用于辐射低频电磁波的天线设备体积大、造价高,信号衰减、信道干扰等因素限制了电磁波在水下通信中的进一步应用。因此,研究人员通过研究新型的水下天线设计,以提高水下通信的可靠性和效率。2018年,I. I. Smolyaninov等[11]提出了一种工作在50 MHz频段下的水下便携式无线电天线,可有效地在海水和空气界面发射表面电磁波。由于表面波传播长度远远超过相同频率下传统无线电波的趋肤深度,因此该技术非常适用于数米距离的宽带水下无线通信。2022年,Amit等[12]提出了一种圆形结构的四带蝴蝶结天线。研究表明,所提出天线设计的辐射方向图是全方向的,其回波损耗小于-25 dB,并且由于所提出的天线具有稳健的设计结构,因此可以通过不同的锥度传输多个频率。2023年,Yang S等[13]提出了一种基于超紧凑型极低频(ELF)磁力传输天线(UEMTA)的远程水下电磁(EM)通信系统。该通信系统的变送器主要包括波形发生器、变频驱动器(VFD)和三相感应电机。接收器由一个200匝的线圈和信号分析仪组成,最后通过实验和模拟对通信性能进行了评估。结果表明,ELF波在邻近海域的水下传播能力较强、衰减较慢,实验中最长传播距离可达210 m。

1.3 水下通信网络的研究

随着水下油气勘探和海洋科学研究的不断发展,对于水下通信网络的需求也变得更加迫切。研究人员正在研究水下通信网络的拓扑结构、优化方法等,以提高水下通信网络的可靠性和效率。2018年,Wang S等[14]研究了基于磁感应的浅海监测网络,提出了一种高能节点优先级聚类算法以降低网络能耗,仿真结果表明,所提出的方法在相同传感器节点数量的情况下,可以提供比其他方法更长的寿命,其系统结构和传感器网络如图1所示。2023年,T. Hossain等[15]基于混合可重构智能表面(RIS)辅助的射频-水下光学无线通信(RF-UOWC)在未来无线网络应用中的潜在价值,研究了混合双跳RIS辅助RF-UOWC网络的保密性能,评估了RF和UOWC信道的广义系统特性,导出了性能度量的数学表达式,并通过蒙特卡罗(MC)模拟对其性能进行了测试。结果表明,通过增加反射元件的数量可以增加信噪比增益,进而可以提升保密性能,其系统模型图如图2所示。

a) 水下无线传感器网络体系结构

b) 二维和三维水下无线传感器网络中六边形模式节点部署示例

图2 RIS辅助双跳RF-UOWC组合系统模型

2 水下光通信技术

水下无线光通信(UWOC)是指利用海水中低损耗窗口波长段为450～530 nm的蓝绿激光作为水下通信的信息载体进行水下通信的技术。其系统一般由发射端、接收端和水下信道三部分组成。水下无线通信系统对输入信号进行编码调制后,在光源处将电信号转换成光信号,之后转换成的光信号在水下信道传输,最后再由探测器接收并将光信号转换为电信号,并进行译码解调,恢复出原始信号[16]。水下光通信具有传输速率高(在近距离通信中,其通信速率可达到100 Mbps)、信号方向性较强、几何损耗较小[17]等特点。此外,光通信还具有较强的抗电磁干扰、光电器件体积小、效率高等优点。

虽然水下光通信技术有着诸多优势,但目前其应用仍存在固有难点,如:1)由于水中微小颗粒的存在会使光信号产生吸收和散射现象,从而导致信号的衰减,进而导致光脉冲的时延与扩展;2)水下光通信信号的完整性和可靠性需要进一步增强;3)水下激光通信的设备在传输距离和传输速率等方面有待提高。为了应对上述难点,近年来,又探索出了不同于传统地面自由空间光通信的新系统设计方法。

2.1 水下光学模型与分析

水下环境对光的传输和衰减具有很大的影响。研究人员正在研究水下环境的光学特性,以制定更好的水下无线光通信技术和方案。

目前,针对光信号因吸收和散射导致的光衰减效应问题已经建立了许多信道优化模型。其中,比尔-兰伯特定律模型是应用最为广泛的模型之一[18],它将吸收和散射效应建模为指数衰减的形式,但不考虑时间色散的影响。为了描述光传输过程中散射出来的光对总接收光产生的额外影响,辐射传输方程(RTE)模型又被提出来,该方程可以生成波束扩展函数,用于准确描述特定线路配置的光吸收和散射效应,但很难确定RTE的精确分析解,只能导出近似解,且在这个过程中会丢失时间的分布信息。

与RTE的解析解相比,数值解已被证明能够更完整地描述水下光传播的过程[19]。2015年,C. Li等[20]基于确定性数值方法开发了一种高效的RTE求解器。该求解器采用无矩阵高斯-赛德尔(Gauss-Seidel)迭代法来求解水下无线光通信系统的接收功率,进而解决了传统离散纵坐标法(SN)不能很好地与体积散射函数(VSF)一起工作的问题。

近年来,为了考虑多因素对光通信信号的影响,出现了一些综合优化模型。如2019年,E. Zedini等[21]提出了一种综合的统计模型来表征在淡水和咸水中存在气泡和温度梯度的情况下,水下无线光通信信道中湍流引起的信道衰落地问题,解决了由于气泡和温度梯度导致的光通信信道中光束辐照度波动的统计问题。2021年,Cai R等[22]提出了一个综合多参数模型,以综合吸收、散射和动态湍流的影响。通过将相位结构函数与理论值进行比较,将次谐波法与严格采样约束法相结合,进一步提高了模拟精度。2022年,Xu D L等[23]为了降低水下光通信过程中通信信道会受到粒子和湍流共同引起的吸收和散射效应的影响,在蒙特卡罗模拟的水下无线光通信信道湍流衰减模型中加入了湍流效应。结果表明,该系统的路径损耗增加了5 dB以上,而信道脉冲响应幅度却降低到了1/3以下,光强概率密度函数更加分散。同年,Y. Weng等[24]针对通信过程中会出现波束难对准的问题,提出了一种声学导航方法来指导对准过程,将对准问题建模为一个部分可观察的马尔可夫决策过程(POMDP),模拟结果表明,该方法在模拟环境中优于基线方法。R. Xiao等[25]提出了一种新型水下无线光通信信道的数学形式化方法,并使用蒙特卡罗积模型进行了模拟,模拟结果表明,提出的新方法在允许给定的计算时间内具有更低的样本方差和误差。

2.2 信道调制技术的研发

信道调制技术是优化水下无线光通信系统的重要方法。它可以提高信号的传输速率和传输距离,同时还可以提高信号的抗干扰能力和可靠性。目前,流行的信道调制技术之一是开关键控(OOK)调制,该技术操作简单,但效率较低。另一种流行的调制技术是脉冲位置调制(PPM),该技术具有编码简单、传输效率高等优点。

在水下光通信系统中,数字脉冲间隔调制(DPIM)也被广泛采用。DPIM是一种异步调制方案,具有可变的符号长度。相较于PPM调制技术,DPIM具有更高的带宽效率。2012年,C. Gabriel等[26]进行了仿真实验,对比研究了DPIM、OOK、PPM和其他一些调制技术。研究结果显示,在相同距离下,PPM调制技术是最节能的。DPIM的带宽效率比PPM和OOK更好,但解调设备较为复杂。为了减轻水下光信号因衰减造成通信质量和效率降低的影响,2020年,P. N. Ramavath等[27]在多输入单输出(MISO)水下光通信系统中应用了里德-所罗门(RS)码,从而提高了系统的可靠性和效率。此外,BCH码和循环冗余校验码(CRC)也已被广泛应用于水下无线光通信系统,以改善低信噪比下的水下系统的误码率。2013年,Wang W P等[28]使用简单的OOK调制方法模拟了BCH和RS码的抗噪声特性。结果表明,RS码在纠错功能方面优于BCH码,但传输数据频率会降低。虽然上述方法可以减少功率和误码率,但在强干扰环境中效果并不理想。因此,低密度奇偶校验码(LDPC)和Turbo码又被提出。LDPC码可以提供接近香农极限的纠错性能[29],而Turbo码则将2个或多个卷积码和交织器相结合,进而实现接近香农极限的误码率。

2.3 新型水下无线光通信设备的研发

研究人员正在开发新型的水下无线光通信设备,如高功率激光器、高速光调制器、光纤放大器等,以提高水下无线光通信的传输距离和传输速率。

2019年,Wang J等[30]提出了一种多像素光子计数器(MPPC)作为接收器和正交频分复用(OFDM)的UWOC系统(见图3),并对其进行了实验研究。结果表明,该系统有着312.03 Mbps的净数据速率,误码率(BER)低于FEC信道编码技术。2021年,Li J等[31]研究了基于SiPM阵列的多输入多输出(MIMO)技术水下无线光通信系统的性能,MIMO技术可以在不增加信噪比和带宽的情况下,使得信道的可靠性得到大幅度提高[32]。在实验中,使用光子计数6×3的MIMO方案(见图4),在闪烁指数为4.66×10-3的10 m水箱中,以1 Mbps的OOK调制实现了7.38×10-9J/bit的能量。同年,Lin R等[33]基于高带宽、低功耗的微型LED阵列,实现了双工水下无线光通信和水下充电,其系统原理图和光电探测器实物图如图5和图6所示,2.3 m双工UWOC系统中微型LED发射机的最大调制带宽和数据速率分别为251.3 MHz和660 Mbps。此外,在相同的UWOC系统中,基于微型LED的光电探测器在0和-5 V下分别可以实现52.5和60 Mbps的最大数据速率。

图3 系统的实验装置

图5 基于微型LED阵列的双工UWOC系统原理图

图6 微LED阵列的照片作为发射机和

3 结语

综上所述,基于水下无线光通信技术和水下无线电磁通信技术出现的信号衰减、传输距离短、设备成本高以及抗干扰性差等问题,建立信道优化模型、水下无线传感网络以及研发高性能的天线和设计相应的通信系统是实现高速率、长距离、低成本和高可靠性水下无线通信的重要手段。此外,将信道调制技术与新型通信设备相结合,也是提高通信性能的另一种手段。然而,虽然现在出现了很多优化水下无线通信的方法,但面对更加复杂的水下环境以及其他一些影响因素,水下无线通信系统的稳定性、可靠性,以及信息的传输质量与效率方面仍面临着许多挑战,如何研发更好地适用于水下通信的系统仍是研究重点。此外,如何更好地实现多通信方式的融合和多用户通信也是水下无线通信技术的重要研究方向。