作者：王路
单位：海军装备部驻北京地区第六军事代表室
摘要：近几年各型水下无人平台发展迅速，水声通信技术在水下无人平台的运动控制、信息互传、协同等方面发挥出了关键作用，为水下平台的发展和建设提供了重要支撑。国内外学者在水声通信技术方面也开展了大量研究，并在模型、方法、工程实现等方面取得了多项重要进展。本文对适用于实际海洋信道的稳健水声通信系统和各项关键技术进行梳理和总结。
（一）单载波调制水声通信技术
相干水声通信发展的初期阶段一般采用诸如PSK、QAM等单载波调制方式。当前对于单载波水声通信的研究热点集中在如何更好地补偿时变多途衰落上，其中，联合均衡译码方法是当前该方向的一个重要研究热点。受到Turbo编码迭代译码思想的启发，法国西布列塔尼大学的Douillard等人提出了Turbo均衡算法。Turbo均衡在接收端将均衡器与信道译码器看作级联结构，在两者之间迭代交换软信息，从而达到联合均衡译码的目的。此后，研究人员进行了大量基于Turbo均衡算法的改进研究。
2014年中国科学院声学研究所的王海斌团队在西太平洋多个距离上进行了深海水声通信实验，结果显示，采用MMSE-Turbo均衡可以获得显著优于传统时间反转判决反馈均衡器的性能，并提出了一种基于递归混沌全息码的最大似然联合均衡译码方法，在低信噪比条件下实现了可靠的低频远程通信，误码率性能优于传统Turbo均衡方法。
2019年哈尔滨工程大学乔钢团队在单载波扩频通信方面进行了较为深入的研究，提出了正交M元扩频和循环移位键控结合的水声扩频方法，实现了10kbits传输总比特数下1096.8bit/s速率的无误码传输。
（二）多载波调制水声通信技术
OFDM技术利用相互正交的子载波，把通信带宽分成子通道，对数字信号进行串并转换之后，将其映射到子载波振幅与相位。美国康涅狄格大学的ShengliZhou等人提出了补零OFDM水声通信方案，并成功实现了距离为2.5km的高速通信，数据率达到22.7kbps，误码率低于10-2。
2021年，哈尔滨工程大学乔钢团队基于波束分集方法，采用32元阵列接收，在南海3700m水深的深海区域，实现了100km、199bps的远程OFDM水声通信。2022年，厦门大学万磊提出了一种联合残余多普勒估计、信道估计以及信道译码的水声OFDM接收机，它采用了无网格高精度信道时延估计，能够取得逼近距离理论极限（信道条件已知）的性能，差距约为0.3dB。当前多载波水声通信领域，在对OFDM技术的改进与衍生调制方法的研究正成为该领域一个热点。Hadani等人针对高速移动无线通信场景，提出了正交时频空间（OTFS）调制技术，在快时变信道下，OTFS具有比OFDM更显著的优势。西北工业大学设计的低复杂度交叉域Turbo迭代均衡算法，在基于OTFS调制的移动水声通信中实现均衡与译码的代检测；结合低复杂度的MMSE算法，湖上试验实现了最大移动速度4kn情况下的可靠检测。
经过长期的水声通信技术研究和实际海洋环境下的试验研究，适用于水声信道的扩频水声通信系统原理如下：发射信号时，待传数据转换为数据码流，经过加扰和交织后形成基本数据块。基本数据块与信息m序列调制后形成待调制基带数据，再通过相应的调制方式将基带数据变成带通信号进行传输，如图1所示。
图1 发射系统原理图
水声通信信号接收过程如图2所示。由换能器接收的信号首先通过解调提取包络，通过基带信号来捕获信号，确定信号的有无；如果搜索到信号即转入信号跟踪阶段，进行频率的精细跟踪，根据估计的精确频率进行多普勒的修正；修正后的信号通过导频信号或者测量信号估计当前信道的多途参数，根据估计的结果对基带数据进行精确定时同步信道补偿；对补偿后的信号进行解扩、解扰、解交织密，恢复最终的信息。
图2 接收系统原理图
（一）水声通信多普勒补偿技术
水声通信属于宽带水声通信系统，宽带多普勒的估计问题即是多普勒因子α的估计问题，可以通过发送已知的信号，测量某个观测值的改变来进行，采用变采样率的方式补偿多普勒效应。针对计算资源有限的嵌入式信号处理平台，为了提高多普勒补偿处理的可实现性，可以使用高阶插值滤波器重采样处理的运行精度和效率。基于拉格朗日多项式来构造连续的信号。拉格朗日插值多项式的一个特点就是：恰好在各个观测点取到观测到的值，因此连续信号为
式中，LnN-1(x)为拉格朗日多项式，在x＝tn时刻拉格朗日多项式取值为1，其余时刻的取值为0。图3为8PSK水声通信系统在10kn航速下受到多普勒效应干扰的解码星座图，可以看出多普勒效应严重影响了水声通信的性能。拉格朗日插值滤波器能够较好地兼顾多普勒补偿的精度和运算速度，补偿多普勒效应后的解码星座图如图4所示，水声通信性得到大幅度提高。
（二）水声信道编解码技术
极化码是一种能够达到信道容量的高性能差错控制编码，特别是在中短码长条件下，相对于LDPC、Turbo码具有显著的性能增益与算法复杂度优势，适用于低通信速率水声通信系统。水声信道是典型的时频双选哀落信道，因此需要针对具体应用场景，进行极化码编码的优化设计，包括CRC级联方案、速率适配与码率优化等。CRC极化码是目前广泛使用的级联极化码方案，对CRC极化码进行构造优化，是有效改善通信系统性能的方法。由于编码性能受到距离谱的影响，我们基于级联极化码距离谱，对CRC极化码进行构造优化与设计。
距离谱是指码字的重量分布情况，其中重量一般为汉明重量，即一个码字中非零码元的个数。一般而言，距离谱的分布决定了码的性能好坏。如图5所示，在码字空间中，汉明重量相同的码字分布在同一球壳上，其中dmin表示级联极化码的最小汉明重量。
图5 码字空间中的码字分布
在实际的优化过程中，得到CRC极化码的完整距离谱是几乎不可能的。因此用最小距离特性替代距离谱，通过对CRC极化码的最小距离特性进行优化，得到最佳的CRC极化码，能够明显改善译码性能。所谓最小距离特性，指的是CRC极化码中汉明重量为dmin的码字个数，它是距离谱的一部分，也是影响CRC极化码性能的主要因素。根据球约束的分析方法，可以对全部CRC极化码的最小距离特性进行分许，选取最优的CRC极化码，改善通信系统性能。图6给出了码长为128，多个码率下优化后的CRC极化码最大似然（ML）性能和有限码长香农限的比较结果可以看出，在中低码率下，优化后的CRC极化码ML性能和有限码长香农限几乎一致，对于低速率的水声通信系统来说，极化码是最佳的信道编解码方案之一。
图6 优化后的CRC极化码ML性能和有限码长香农限比较
（三）水声通信多波束接收技术
随着水声通信设备研制的不断深入，基于大孔径声基阵的水声通信信号多波束接收技术获得广泛利用。基于大孔径声基阵的水声通信系统多波束解码过程中，在捕获和跟踪阶段，通常计算经多普勒补偿后的同步信号的相关峰与除相关峰外的其他均值的比值（简称输出信噪比），对每个方向的波束信号求解，输出信噪比，信噪比最大的波束即认为是通信信号的方向，即本周期的最优波束，该波束的解码信息为最优的解码信息。针对水声通信多波束信号特点，利用水声通信译码的状态信息可判断解码结果的置信度。比较最优波束（中心波束）和相邻波束的置信度：①当最优波束的置信度最高时，认为此次解码结果最优；②当相邻波束的置信度更高时，返回跟踪模块，调整当前波束为中心波束，再对此波束及相邻波束的译码状态信息进行比较，选取置信度最高的波束为最优波束。因此，联合同步信号估计结果和译码状态信息，判断信号的最优波束可以提高快时变水声信道下通信系统的稳定性，流程如图7所示。
水声通信技术是国家开发海洋资源、维护海洋权益的关键技术之一，特别是近年来各型水下平台的建设和应用进入了快速发展时期，水下信息传输的需求不断提高，未来水声通信技术研究和设备研制需要重点关注以下几个方面。
⑴提高水声信道频段利用效率。水下信息交互的需求日益增长，以半双工体制为主的水声通信技术，将会无法满足日益增长的水下信息交互需求。带内全双工水声通信技术可以在相同的通频带内，同时发射和接收通信信号，理论上可将现有的频谱效率提高一倍。在水声信道可用频谱资源严重受限、水下信息交互需求激增的背景下具有极高的研究意义与应用价值，因此不占用额外频带资源的带内全双工水声通信技术是当前水声通信领域的一个需要重点关注的方向。
⑵研究适用于水声信道的新型水声通信方法。水声信道多途复杂、多普勒效应严酷，水声通信的可靠性、稳定性与用户的期望还有一定的差距，因此需要在高带宽利用率调制解调、复杂海洋信道均衡、适用于水声信道的差错控制编码等方面不断探索，找到一种兼顾通信速率、距离以及可靠性的水声通信解决方案。例如正交时频空间调制技术，它能够将数据在时延-多普勒域内传输，通过将时变多径信道转换到时延-多普勒域调制信息，利用快速时变信道在时延-多普勒域内信道参数是准静态的特点，提高通信系统抗多途与多普勒效应等能力，能够为高速率水声通信设备的实际应用提供支撑。
⑶探索人工智能技术在水声通信领域的运用。目前深度学习在水声领域的典型应用包括：水声信道估计与均衡、水声自适应调制、频谱感知与分配、通信质量预测、网络拓扑分簇、节点功率分配、网络路由设计等，随着水下通信技术研究的不断深入，水声通信和组网系统的数据量、节点的迅速增长，应用场景对水声通信的性能和环境适应性的要求越来越高，人工智能技术为解决这些问题提供了新的手段。
⑷水声通信设备研制方面，一是加强水声通信设备精细化工程设计能力，不断挖掘设备研制工程设计余量，提高水声通信设备的可靠性与实用性；二是关注水声通信设备研制成本控制，加强设备低成本研制和生产能力，为水声通信设备大范围应用和水声通信网络的规模化建设提供支撑。
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