作者：郗书萌天津大学，天津 300072
摘要： 由于声波是唯一一种可在水中进行长距离传播的能量形式，水下声学通信也因此被视作一项重要的海洋技 术，其在海洋军事与经济等方面均有重要的应用价值。同时，学界对此也愈发重视，学者们对水下声信道通信的 研究兴趣也愈加浓厚， 这也使现行模型与系统的性能及稳定性持续提升。本文拟通过对各类资料的整理与总结， 概述水声通信及组网的历史沿革与技术发展。同时，本文也将针对水下声信道及组网技术未来与挑战提出相关展 望。
关键词： 水声通信；水声通信组网；通信信道；声学通信
水声通信是通过电发送机将文字， 语音， 图像等 信息转换成电信号，并在经数字化处理后， 通过换能 器将其再次转换为声信号的技术， 其作为当前国际上 的高水平技术，在海洋军事， 海上经济，涉海研究等 方面都存在着重大意义，其发展进程已经得到了各国 学界的广泛关注与支持。此外，通过与无线电中的网 络技术相结合形成的水声通信组网，能够在物理层之 上解决多个节点之间数据传输的问题， 从而在海洋中 可以实现全方位， 立体化通信，最终可以在海洋立体 观测，突发事态的海洋观测， 港口要地安全监控等方 面发挥重要作用。同时，也可形成基于海底光电缆的 水声通信观测网与水下多移动载体通信与定位网络， 这将扩大海底观测系统的覆盖范围， 提高其观测能力， 并达到特定的观测目的。
本文将根据水声通信的历史沿革与发展现状， 简 要介绍水声通信及组网的基本实现方法以及现存的一 些挑战与问题， 并对它们的未来提出一些可视的展望。 同时，本文也将以部分当下的水声通信的应用为例，
1.1 水声通信的历史沿革
由于声波是唯一一种能在水介质中进行长距离传 输的能量形式，水声通信作为目前最合适的水下通信 方式，已得到了各国学界与军方的高度重视。最早的 水声通信可以追溯到 20 世纪 50 年代针对模拟数据的幅度调制（AM）和单边带（SSB）水下电话。与此同时，
随着 VLSI（very large scale integration, 超大规模集成电路）技术的飞速发展，水下数字频移键控（FSK）技术在 80 年代得到应用，其在信道的时间与频率扩散方面有一定的鲁棒性。在80年代后期，出现了水声相干通信，与非相干通信相比，水声相干通信对于提升有限带宽水声信道的带宽效率。虽然由于水下声道本身在使用方面的困难与限制，最初其并非为学界所接受；但于90年代兴起并发展的DPS（digital signal processing, 数字信号处理）芯片技术和数字通信理论使许多复杂信道均衡技术均可实现，从而带动了水声相干通信技术的进一步发展，并推动其转向水平信道通信研究进展。
而水下声学调制解调器的出现进一步推动了水声通信的发展， 其通过改变信号的模式达到了简化数据 传输的效果，故而使信号的传输更加便利， 其出现与 发展真正为水声通信技术打开了局面，其对于水声通信发展具有里程碑式的关键意义。而依据调制与接收方式的不同，一般水声通信可分为相干通信技术与非 相干通信技术两大形式。其中，由于相干通信一般需要接收已知或估计出的发射器载频频率和相位信息进行解调处理，故而其结构与算法通常比非相干通信更为复杂。同时，两者又各有优势：相干调制方式带宽利用率及通信速率都相对较高，其在浅水声道通信方面的应用也富有重要意义；而非相干调制方式抗信道起伏能力强，接收端易于解调，并且其算法稳定性较强。此两种解调方式的应用均对水声通信的发展有重要意义。
1.2 水声通信的现状
声学传播有三个主要特点：随信号频率增加而衰减， 时变性多路径传播和低声速（1500m/s）。同时，由于背景噪声，也被称为高斯噪声的影响， 水声信道 更适合在低频且带宽有限的情况下进行通信活动。因此，水下声信道通常被认为是当今最难使用的通信媒体之一。故而水下声信道中关于高速通信的研究也在一直以来被学界视为一个重要的挑战。在水声通信研究的最初几年中， 深水通信取得了较为明显而迅速的进展，而浅水信道的发展应用上还有较大的困难；但在此后的十年中， 浅水声信道方面也有了许多重大突破，学界陆续在通道均化， 相位共轭作用，通道建模，多载波调制与空间调制方面提供了一些可供应用的技 术发展与系统模型，这为未来浅水声道通信的应用普 及奠定了坚实的基础。
由于由浅水道表面与底部的交互而导致的数量巨 大的多路径到达的情况，浅水声道通信表现出长延时传播的特性。同时，传感器的运动，海洋表面以及内 部波的影响会造成快速的时间变化，这将导致信道中出现一个高多普勒传播。相干调制方式， 例如 PSK（phase shift keying, 相移键控）， DFE（decision feedback equalizers, 自适应裁决反馈均衡器）与空间分集的组合已被证明是在此类信道中有效的通信方式。然而，信道的长延时传播与快速的时间变化常使 此法的实时计算过于复杂。
虽然水下通道有一个长时间的脉冲响应，但多路 径的到达通常是离散的，而这也恰恰打开了运用带有 基于实际信道的响应的稀疏非零值接头位置的稀疏均 衡器的可能性，这也将显著减少所需接口数量， 从而降低系统的复杂性，提高信道跟踪速度且提高产品性能。学界也依据此种理论，提出了一些可供使用的算 法与模型技术，包括一种跟踪信道且基于信道位置估测确定 DFE 接口位置的算法，一种在稀疏的信道中稳 定的 DFE 接口自动放置算法以及一种基于信道的延迟 多普勒扩散的函数呈现出的稀疏信道估测技术等。同时，当 sPRE（ sparse partial response equalizers, 稀疏部分响应均衡器）与一种低复杂性的 BP（belief propagation, 置信传播算法） 检测器相结合时，不仅 sPRE 利用水下信道的脉冲特性缩短了其脉冲响应，来自于sPRE 的 ISI（inter-symbol interference, 码间 干扰）可进行多路径分集上的应用。
同时，基于盲均衡技术只使用信号的统计特性，不需要显式的训练序列的特点，学界也出现了将盲 DFE 与适当的迭代过程相结合的观点， 这将在短数据爆发上提供良好的性能。而对于循环中错误决定的反馈而 导致的 DFE 在结构上的传播错误问题，研究人员受涡轮码具有较强的纠错机制的启发开发了涡轮均衡技术，即利用均衡器与解码器结果之间的迭代交互进行综合评估，均衡与解码。尽管这种算法在稀疏信道方面有一些困难，但实验结果同时也表明该算法的应用性能 较 DFE 算法具有明显优势。
然而，在此算法中应用到的 MAP （maximum a posteriori probability, 最大后验概率）计算的复 杂度随信道长度的增加而呈指数级增长，即使应用了 PSP（per-survivor processing, 逐幸存路径处理） 技术，也可能由于复杂度过高而难以实现， 故而学界 提出了一种软输出 DFE 结构来替代涡轮均衡器中的 MAP 算法。同时，为了避免 DFE 中存在的传播错误，学 界在涡轮均衡结构中成功地利用了线性均衡器代替了 DFE，从而有效地提升了系统的性能。
为了遏制信道的传播延迟，学界进行了关于TRM （time reversal mirrors, 时间反转镜）通信系统在 浅水信道的实验，其中 TRM 通信系统的时间压缩效应 不仅达到了这个目的，而其空间聚集效应提升了信噪比，降低了衰落。然而由于 TRM 通信系统无法完全消 除 ISI，其在高强度信号下会受 ISI 限制。一些研究者 提出了通过在发射机和接收机上引入最理想的滤波器 的方法， 以期完全消除 ISI。由此，PPC（passive phase conjugation, 被动相位共轭）， 即通过由发射机传入 接收机的两个连续信号的互相关来传递信息，受到了 学界的关注与认可。故而，一些研究者尝试构建了这 样一个使用 PPM（pulse position modulation, 脉冲 位置调制）和 PPC 进行通信的系统。其中 LFM（linear frequency modulated, 线性调频）信号也使低复杂度 的多普勒矫正成为可能。总之， 由于计算复杂度较低，基于相位共轭的系统对于学界具有很大的吸引力，尽管该系统的使用受限于准静态信道通信要求，但其在 未来必将有广阔的发展前途。
由于可以克服频率选择性衰落，多载波调制是单 载波通信系统的 一 个行之有效的替代方案。OFDM（orthogonal frequency division multiplexing, 正 交频分复用技术） 系统作为当前世界上最先进和最具 发展潜力的调制技术系统， 可在频域中实现均衡，从 而消除了对复杂时域均衡器的需求。同时， 使用 FFT （fast Fourier transforms, 快速傅里叶变换）可以 很容易地实现 OFDM 的调制与解调。一些研究者在地中 海浅海区进行了均使用差分 PSK 调制的关于OFDM 与 DSSS（direct sequence spread spectrum, 直接序列 展频技术）。实验结果证明了，在相同的范围内，OFDM 显然拥有更加卓越的性能。
总而言之，经过近年来DFE 算法系统的不断发展， 已经产生了可用于平衡水下通信信道的稳定算法。而 当其与纠错编码与迭代算法结合后，DFE 算法也能够从 反馈回路的更高的可靠性中得益， 最终降低水声通信 的系统复杂性，且提高系统的测量精度。同时， 尽管 相位共轭算法的发展， 应用与普及可能会受到信号变 化的限制，但是我们必须承认，该算法为均衡问题找 到了一个更简洁且更具有创新性的解决方案。而对于 OFDM 系统，由于其对多普勒频移具有高灵敏度，我们 期望随着其宽带多普勒补偿新算法的发展， 该系统在 无线网络中的成功可以在水下网络中得到复现。而随 着此类技术系统的不断发展与新模型的不断提出，水 声通信， 尤其是浅水声信道的通信将在未来广泛应用 于海洋军事与经济等的发展， 为人类关于海洋的进一 步研究奠定坚实的基础。
1.3 水声通信的挑战与展望
当前，水声通信的实现与应用仍具有一定的困难与挑战。在均衡技术与循环传播中，涡轮均衡技术尽管减少了DFE系统中的错误传播的问题，但其在稀疏 信道方面仍然存在一些困难。我们期望在未来能够通过将稀疏均衡技术与涡轮均衡相结合的工作来解决此 类问题。
在海洋的复杂环境中，由于声场与动态海洋表面发生了一定的相互作用，造成了海洋的易变性，导致 在时间反转的情况下， 需要连续的多普勒更新与多普 勒跟踪。此种现象使得相位共轭的算法即使在种种限 制之下仍然能够被学界赋予对其相当深远的应用潜力 与发展前景的认可。
同时，由于OFDM 作为第四代移动通信的核心技术， 具有非常广阔的发展前景， 其结合时空编码，分集，干扰抑制以及智能天线技术为一体，有深远的应用价 值。故而，尽管 OFDM 系统对于多普勒频移非常敏感， 其对于信号波形间的干扰的有效性以及强抗衰落能力 都使我们对于未来此系统在水下声信道中的多载波调 制的发展中的应用充满了信心。而与此同时，未来水 下通信网络建立的基础也对各类技术系统的发展与旧有模型的迭代与新模型的产生与发展提出了一些具有重要意义的要求。
由于当前对于对海洋全方位， 立体化的监测需求， 而传统的海底或海柱的探测方法是通过部署水下传感 器， 在监测任务期间恢复仪器并记录数据， 这种方法 存在着包括无实时监控，无自适应在线系统等缺陷，故而，水下网络的发展更加得到学界的关注与重视。而由于光波在海水中的高衰减率与散射作用对其监测 范围的影响以及采集得到的数据精度较低，声学无线 通信已被视为水下网络的链路基础，对水下网络结构 的构建具有重要意义。
然而，当前的水声网络构建过程还伴随着一些挑 战：现阶段可用带宽非常有限；由于多路径与衰减，水下信道被严重削弱；水下传播延迟长；电池电量有 限且难以得到补充；水下传感器易被破坏或腐蚀等。而与此同时，在水声传感器网络的设计过程中，同样存在着大量亟待解决的挑战。首先是成本问题：由于水下的环境比陆上更复杂，极端环境出现概率更高，水下传感器需要得到更全面充分的硬件保护，这就使得其具有高昂的成本。其次，由于水下环境的复杂性，对传感器的部署更加困难，故而关于其的放置则更为稀疏。再者，由于距离较远， 同时要通过提升信号处理的复杂度来补偿衰减等造成的信道损害， 水声传感器所需功率更高，而其同时也面临着内存有限与无法 与其他传感器进行空间相关的问题。而关于此类问题 的解决方法，学界提出了一些富有重要参考价值的革 新建议，包括：开发更便宜，更坚固的“纳米传感器”；设定适当的水下设备的清洁机制，以防止腐蚀和污染，延长其寿命；同时采用能够在较大的温度范围内保持 稳定的传感器，以防备水下设备在海洋中的漂流；采 用更有发展潜力的综合性传感器来进行全方位，多角度的采样，从而便于更好的理解海洋系统过程， 开发 更加全面方便的应用于海洋的水声网络。
关于当前水声网络的通信架构，学界已经得到了 很多具有参考价值的模式结构，包括二维与三维水下 网络，带有自动驾驶的水下机器人的传感器网络等。而由于网络拓扑是决定网络能耗， 容量和可靠性的关 键因素， 其在水下网络的实施中具有重要意义。因此， 已部署的网络必须具有较强的可靠性， 以避免单点故 障而破坏网络的整体功能。学界也采取了不同的模型 与系统提升水下网络构建的品质与性能。
由于水下网络全方位的实时观测机制，其在污染 监测，近海勘探， 防灾，辅助导航和战术监视应用等 方面都有着巨大的发展潜力与实现前景。尽管在传感 器选取， 水下网络的设计， 物理层系统缺陷，数据链 路图层上的实现上都具有很多挑战，我们仍然相信， 未来水声网络将会在海洋的勘探与观测上占据重要地 位。
在当前的学界研究成果中，我们可以发现，水声 通信及组网广受学界关注与认可， 其具有广泛的应用 意义，在海洋各领域都发挥着重要作用。经过对相关 领域的了解与研究，我们可以发现，当前学界已经出 现并发展了很多面向未来， 具有较强的应用意义与发 展潜力的技术与模型， 尽管它们现在仍存在着一些影 响其扩大化与应用化发展的问题， 但我们相信， 经过 更多的实验研究， 技术发展与新模型模式的提出，在 未来我们必将能够使水声通信网络进行彻底的， 广泛 的应用， 为未来的得以保证的海洋观测与勘探环境打 下坚实的基础，更进一步增强人类对海洋的了解，在未来成为实现海洋透明化，海洋智能化的基础。
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