RECRUITMENT
水下无人潜航器无线通信技术研究
1 引言
2 水下无线通信信道特征
无线信道特征，如：信号传播模型、噪声水平等是影响各类通信方式传输距离、传输速率的关键因素之一。电磁波、激光、声波等通信方式在水下呈现出截然不同的信道特征，将直接影响无人潜航器通信方式的性能指标。
2.2 激光
（3）计算可知：同样在 50dB 信号衰减条件下，激光方式的通信距离分别可达 205m 和 77m，具有一定的穿透海水能力，但传输距离有限。
2.3 声波
3 无人潜航器通信方式
电磁波通信方式在水下与空气中的实现原理并无区别。但根据2.1节中对电磁波信号在水下传播的信道特征可知，传输速率与穿透海水能力不可兼得。高频信号虽然带宽大、传输速率高，但几乎不具备穿透海水能力；低频信号具有一定穿透海水能力，但带宽小、传输速率低。因此，无人潜航器所采用的电磁波通信方式可以分为以短波为代表的水面通信和以甚低频为代表的水下通信。
水面电磁波通信，顾名思义，要求天线处于水面以上，一般采用短波、超短波、卫星等几乎不具备穿透海水能力的频段，具有通信距离远、传输速率高、接收装置功耗小、体积小等优势，是目前无人潜航器标配的通信方式［6］。装备方面的代表有，挪威的 Hugin 3000 水下无人潜航器采用 400MHz 特高频，可实现通信距离 2km~3km；美国的海上无人系统采用 WiFi 2.4GHz 特高频；由 Dataradio 公司制造的400MHz特高频电台，通信速率可达9600bps。
水下激光通信利用光波传递信息，根据 2.2 节对激光在水下信道的特征分析，波长为 450nm~550nm蓝绿激光在海水中为低损耗窗口，被用于实现无人潜航器的水下激光通信，因此也称为蓝绿激光通信。蓝绿激光通信有很高的传输速率，在近距离通信中，其通信速率可达到 100Mbps，远远高于声波和低频电磁波在水下环境中所能达到的通信速率［8］。据了解，目前尚无无人潜航器装备了激光通信设备，但业界已取得了突破性的进展。最具代表性的是日本国立海洋研究院开发机构于2017年完成了水深 700m~800m海洋环境水下移动物体间蓝绿激光通信，通信距离超过100m，速率达20Mbps。
无线磁感应通信技术是近年来新兴的一项无线通信技术，依靠小尺寸耦合线圈感应出磁场分量进行通信，磁场信号比电磁波更能有效地穿透有损耗的水下介质。水下无线磁感应通信具有稳定的信道状态，因为其信道状态主要取决于信号传输介质的磁导率大小，而水下环境中的传输介质具有相同的磁导率。磁感应信号在传输介质中以光速传播，所以磁感应通信的传输时延可以忽略。磁感应通信的线圈可通过普通铜导线制作，结构简单、造价低廉［9］。现有有关水下磁感应通信技术的研究主要还停留于理论分析与仿真实验阶段，存在水下环境信道模型研究不够充分、传输距离有限等问题，距离实用还存在较大差距。
4 无人潜航器通信关键技术
根据 3.1 节中的介绍，电磁波通信应用于无人潜航器主要为水面和水下两种方式，针对无人潜航器尺寸受限的特点，这两种电磁波通信方式对应的关键技术分别是天线集成化与天线小型化。水面电磁波通信方式一般包含短波、超短波、卫星通信等多种高频通信手段，若为每一种通信手段配备独立的天线将占用大量的空间，挤占无人潜航器有限的空间。因此天线集成化是高频通信手段的关键技术之一。在美海军2020年发布的小企业创新研究指南（Navy SBIR）中明确给出了适用于 PMS 406型剃刀鲸（Razorback）中型无人潜航器的集成天线设计指标：
4.2 水声通信
激光通信系统由发送端、接收端以及水下信道构成。激光通信方式的关键技术贯穿三个环节［12］。其中发送端关键技术体现在光源与调制技术。典型的激光通信系统一般采用半导体 LED 光源和半导体激光二极管光源；而调制技术一般采用强度调制/直接监测（IM/DD）系统或相干调制方案，常用调制方式为 OOK调制、脉冲位置调制（PPM）、脉冲快读调制（PWM）、二进制相移键控（BPSK）、正交相移键控（QPSK）、QAM 及 OFDM 调制等。接收端由光学接收系统、滤波器和光电探测器等构成，关键技术可分解为光电探测器和信道均衡。其中光电探测器负责光电转换，影响系统灵敏度，一般有 PIN型光电二极管（PIN-PD）、雪崩二极管（APD）和光电倍增管（PMT）等；信道均衡技术则通过在接收端信号判决前加上均衡器以消除符号间干扰，常用的均衡器有迫零监测、最小均方误差和最小二乘等。此外，通过信道编码技术在低信噪比下保障较低的误码率，关键技术包括 RS 码、Turbo 码、LDPC 码和FEC码等。
磁感应通信方式的发展与应用目前主要受限于其相对有限的传播距离和较窄的带宽。为此，磁感应通信的关键技术在于采用波导中继技术拓展传输距离以及采用多频段扩展、多输入多输出（MI⁃MO）的频率复用技术提升带宽利用率［13］。波导中继技术中在收发线圈间插入若干具有相同半径、匝数，采用相同导体材料绕制而成的中继线圈，使所有线圈处于共轴平行状态，利用中继线圈对磁信号的感应传递作用延长通信距离。多频段扩展技术为多路数据流分配不同的频段，而MIMO技术通过发射端与接收端的多对线圈在可用频段内协同传输数据流，实现带宽利用率的提升。
5 结语
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