海洋百科 | 为什么水声通信是世界性难题?

       随着人类利用海洋、开发海洋的日益深入,人们对水声通信技术需求也日趋迫切,水声通信已成为近年来国际上研究的焦点。相比其他水下通信方式,水声通信的发展远远滞后,一直以来都存在着诸多有待攻克的难题。


        那么,水声通信到底难在哪里?



       水介质与空气介质的特性完全不同,水声信道与空气中的无线电信道具有许多明显的差异,水声信道是时间散布快速衰落信道,具有多普勒不稳定性。水声通信的衰耗因素较多,特别是在海水中传播,声传播损失不仅与频率有关,而且还受海水的含盐度、温度、密度、深度、距离等的影响,造成中远程水声信道带宽极其有限。水中的声速计算公式可见下式:

        

 c=1449.2+4.6T-0.055T2+(1.34-0.010T)(S-35)+0.016D 

            其中:r是海水温度,s是盐度,D是深度


        海水中不均匀分布的声速剖面造成声线的弯曲,而声波的界面反射和随机散射又引起声波接收信号的多途效应。在实现高速通信时,有限的信道带宽和信号的多途传输会引起非常严重的码间干扰,造成接收数据的严重误码。同一声源发出的声波,在不同的海区或不同的季节,传播情况可能都不同。


        其中,水声通信面临最困难的就是强多途和由于海洋表面反射、内波等引起的快速时变。其中自多途引起的接收信号的振幅衰落,多途引起接收信号的码间干扰,再加上海洋环境复杂、载波频率低、水声信道带宽极为有限以及传输条件的时间-空间-频率变化特性,使得水声信道成为迄今为止最困难的无线通信信道。正因为如此,高速可靠的水声通信世界范围内仍是一个极具挑战性的技术难题。



         世界上各个国家对水声通信技术的研究工作已长达几十年,随着通信技术的发展,水声通信技术也得到了较为快速的突破,那么,在实际运用中,如何评价水声通信技术的先进性呢?



        水声通信技术的几个关键性能评判指标是传输(通信)速率和传输(通信)距离。 一般情况下,水声通信距离越远,传输速率越低,而通信距离和速度从根本上又由通信频率带宽决定。所以两种通信技术的优劣一般是相近带宽下才有可比性。用类似的带宽,速率越高,通信距离越长,技术就越先进,可组网及可延展性就越好。当然,对一个水声通信产品的评价还有其他方面的考虑,如重量,功耗,可部署深度等。这些参数相对水声技术的特点与难点都是次要的(secondary)。再者由于水声通信是个新兴领域,还没有产业标准。大多产品参数的标定很不规范,经常用理想状态下的数据示人。所以业界普遍认同实测数据,而不看重产品标定参数。


          经中国海洋大学实测国内外几家在行业内具有代表性的公司的产品性能,所有水声通信产品的工作频率带宽在15-45K之间,而对比它们之间所能达到的实际速率,智慧海洋科技(以ANG-02009为例)至少是其他产品的5倍,通信距离也是其他较高速率产品的两倍。因此,智慧海洋科技产品领先进入国家深水基地蛟龙号测试平台,并用于大型试验水池的数据统计和设备检测。11月5日,智慧海洋科技携手中科院海洋研究所在青岛胶州湾海域成功完成测深设备与水声通信机联合系统测试,验证智慧海洋科技水声通信机能实现5185m距离内的稳定通信。所以,智慧海洋科技不仅拥有稳定、高速、远距离的水声通信技术,同时,智慧海洋科技又是世界上第一家能全方位提供水下无线自组网支持的公司。


          虽然因水声信道的多径效应、时变效应、可用频宽窄、信号衰减严重等诸多因素,使水声通信成为当今最为复杂的通信技术之一,但水声通信技术仍在迅猛发展之中。目前水声通信的关键问题是数据传输率较低,因此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主要发展方向。