通信技术水下通信技术的分类特征应用及其最新研究进展

水下通信技术的分类、特点、应用及最新研究进展

 

海洋覆盖地球表面三分之二的面积,是人类探索和研究最前沿的领域之一。 海洋不仅在国际商业和渔业中发挥着重要作用,而且还蕴藏着有关气候的信息和大量亟待开发的资源。

水下无线通信是海洋观测系统发展的关键技术。 借助海洋观测系统,可以采集海洋相关数据、监测环境污染、海底异常地震和火山活动引起的气候变化、探测海底目标、远距离图像传输等。进行。 水下无线通信在军事中也发挥着至关重要的作用,水下无线通信也是水下传感器网络的关键技术。

水下无线通信主要可分为水下电磁波通信、水下声通信和水下量子通信三大类,它们各有不同的特点和应用。

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1.水下电磁波通信⒈水下电磁波传播的特点

无线电波在海水中衰减严重,频率越高,衰减越大。 水下实验表明,MOTE节点发射的无线电波只能在水下传播50至120cm。 低频长波无线电波水下实验可达到6~8m的通信距离。 30-300Hz的超低频电磁波可以穿透海水100多米,但需要很长的接收天线,这在较小的水下节点上无法实现。 因此,无线电波只能实现短距离高速通信,无法满足远距离水下组网的要求。

除了海水本身的特性对水下电磁波通信的影响外,海水的运动对水下电磁波通信也有很大的影响。 水下接收点相移分量的平均值和均方误差均与所选电磁波的频率有关。 水下接收点的相移分量均值随着接收点平均深度的增加而线性增加,并且电场相移分量的均方差受波浪波动的影响。 标准差呈对数指数分布。

⒉ 传统水下电磁波通信

电磁波作为最常用的信息载体和检测手段,广泛应用于陆地通信、电视、雷达、导航等领域。 20 世纪上半叶主要致力于将模拟通信移入水中。 水下电磁通信可以追溯到第一次世界大战,当时法国率先利用电磁波进行海底通信实验。 二战期间,美国科学研究与发展署对潜水员之间的短距离无线电磁通信进行了研究。 然而,由于电磁波在水中衰减严重,实用的水下电磁通信一度被认为是不可能的。

直到20世纪60年代,甚低频(VLF)和超低频(SLF)通信才开始被各国海军广泛研究。 甚低频的频率范围是3至30kHz。 虽然其覆盖范围可达数公里,但只能为水下10至15米深度的潜艇提供通信。 由于反侦察和潜艇深度的要求,超低频(SLF)通信系统被投入开发。 SLF系统的频率范围为30-300Hz。 美国、俄罗斯等国使用76Hz、82Hz左右的典型频率,可以实现对水下80米以上潜艇的指挥通信。 因此,超低频通信具有重要的战略意义。 但SLF系统的地基天线长达数十公里,拖曳天线长度也超过一公里,发射功率为兆瓦级,通信速率低于1bp。 只能发出简单的命令,无法满足高传输速率的要求。

⒊ 水下射频通信

射频(RF)是频率高于10kHz、能向空间辐射交流变化的高频电磁波的简称。 射频系统的通信质量在很大程度上取决于调制方法的选择。 早期的电磁通信通常采用模拟调制技术,这极大地限制了系统的性能。 近年来,数字通信日益发展。 与模拟传输系统相比,数字调制解调具有更强的抗噪声性能、更高的信道损耗容忍度、更直接的处理形式(数字图像等)、更高的安全性,并且可以支持信源编码和数据压缩、加密等技术,并使用错误控制编码来纠正传输错误。 数字技术可用于从具有严重噪声的调制信号中解调出-120dBm以下的微弱信号。 如果允许衰减,则可以使用更高的工作频率。 因此,将射频技术应用于浅水短距离通信成为可能。 。 这对于满足快速增长的短距离、高速信息交换的需求具有重要意义。

与其他短距离水下通信技术相比,射频技术具有几大优势:

⑴通讯速度高。 可实现水下短距离、高速无线双工通信。 近距离射频通信可以使用远高于水声通信(50kHz以下)和甚低频通信(30kHz以下)的载波频率。 如果采用500kHz以上的工作频率,结合正交幅度调制(QAM)或多载波调制技术,100kbps以上的数据高速传输将成为可能。

⑵ 抗噪声能力强。 不受近水水域波浪噪声、工业噪声和自然光辐射的干扰。 在浑浊、能见度低的恶劣水下环境中,水下高速电磁通信的优势尤为明显。

(3)水下电磁波传播速度快,传输时延低。 频率高于10kHz的电磁波的传播速度比声波高100倍以上。 随着频率的增加,水下电磁波的传播速度迅速增加。 可见电磁通信会有较低的时延,多径效应和多普勒展宽的影响远小于水声通信。

⑷ 界面和障碍物影响小。 它可以轻松穿透水与空气的界面,甚至油层和浮冰,实现水下与岸上的通信。 对于随机的自然和人为遮挡,可以利用电磁技术成功地与阴影区域内的单元建立通信连接。

⑸ 无需精确对准,系统结构简单。 与激光通信相比,电磁通信的对准要求显着降低,不需要精确的对准和跟踪,并且省去了复杂的机械调节和旋转单元。 因此,电磁系统体积小,便于安装和维护。

⑹ 功耗低,供电方便。 电磁通信的高传输比特率减少了单位数据量的传输时间,降低了功耗。 同时,如果采用磁耦合天线,可以实现无硬连接的高效电磁能传输,大大增加了水下封闭单元的工作时间,有利于分布式传感器网络的应用。

⑺安全性高。 它不受军事中广泛使用的水声对抗措施的影响。 此外,电磁波在水下的高衰减可以提高水下通信的安全性。

⑻ 对水生生物无影响。 更有利于生态保护。

⒋水下电磁波通信新进展

水下低频射频通信虽然可以实现远距离通信,但其发送站很大,天线极长,抗毁性较差。 波长1000公里的超长波电台一般采用1/8波长天线,天线长度达到125公里。 例如,美国1986年建成并投入使用的超长波无线电天线全长135公里。

为此,DARPA 希望采用新的方法来研究利用数百赫兹至 3 千赫兹的超低频(ULF)电磁波和 3 至 30 千赫兹的甚低频(VLF)电磁波在水下传输信号。 该项目名称为“机械天线”(AMEBA)。其根本目的是开发微型、全新的ULF/VLF信号发射器,可供单兵携带在陆地、水中和地下。AMEBA的研发经费项目约2300万美元,计划于2017财年第三季度正式启动,分三期,第一期持续18个月,第二期持续15个月,第三期持续18个月,12个月,4年后推出产品。

近年来,美国在水声通信基础技术领域取得了丰硕成果,在编码技术、信道均衡技术、纠错和安全传输等方面取得了重大进展。 同时,在电磁通信、光通信等基础非声通信技术领域开展了大量的研究工作,并取得了一定的进展,为后续的方案设计和研究奠定了良好的基础。和发展。 2016年底至2017年初,美国海军、DARPA等机构面向实战场景,部署了水声通信、无线电通信、光通信等领域的重大应用项目。 一方面得益于近年来基础技术的积累,另一方面充分利用海军、DARPA等机构善于运用创新思维的优势,克服瓶颈技术,形成颠覆性作战能力,上述重大项目的实施指日可待,未来很可能会取得突破。 通信和跨域通信瓶颈。

2.水下声学通信

水声通信是其中最成熟的技术。 声波是水下信息的主要载体,已广泛应用于水下通信、传感、检测、导航、定位等领域。 声波是机械波(纵波)。 水下传输的信号衰减很小(衰减率为电磁波的千分之一)。 传输距离长。 使用范围可以从数百米延伸到数十公里。 适合在温度稳定的场所使用。 沙姆通讯。

⒈ 水声通道的特点

声波在海面附近的典型传播速度为1520m/s,比电磁波的速度低5个数量级。 与电磁波和光波相比,声波在海水中的衰减要小得多。

复杂的水声信道对水声通信系统的性能影响很大。 水声通道是由海洋及其边界组成的非常复杂的介质空间。 它具有内部结构和独特的上下表面,可以对声波产生多种不同的效果。

(1)多径效应严重。 当传输距离大于水深时,同一波束中不同路径传输的声波会因路径长度的差异而产生能量差异和时间延迟,从而使信号展宽,造成波形的码间干扰。 当带宽为4kHz时,乔米的路径差会造成10毫秒的延迟,使得每个信号同时有40个干扰信号。 这是限制数据传输速度、增加误码率的主要因素。

⑵环境噪声影响较大。 干扰水声通信的噪声包括沿海工业、水面作业、水下动力和水生生物产生的活动噪声,以及海浪、海浪冲击海岸、风暴和气泡等引起的自然噪声。 这些噪声会严重影响信号的信噪比。

⑶通讯速率低。 水声信道的随机变化特性导致水下通信带宽非常有限。 短距离、无多径效应下的带宽很难超过50kHz。 即使采用16-QAM等多载波调制技术,通信速率也仅为1kbps-20kbps。 在复杂环境下工作时,通信速率可能低于1kbps。

⑷多普勒效应、波动效应等。发送和接收节点之间相对位移产生的多普勒效应会导致载波偏移和信号幅度减小,与多径效应并发的多普勒频展会影响信息解码。 水介质内部的随机性和不均匀性会引起声信号的随机波动,严重影响系统性能。

(五)其他。 声波很难穿过水和空气的界面传播; 声波受温度、盐度等参数影响较大; 隐蔽性差; 声波影响水下生物并造成生态破坏。

2.水声通信技术

水声信道是非常复杂的多径传输信道,环境噪声高、带宽窄、适用的载波频率低、传输时延大。 为了克服这些不利因素,尽可能提高带宽利用效率,多种水声通信技术应运而生。

⑴单边带调制技术。 世界上第一个水声通信系统是美国海军水声实验室于1945年研制的水下电话,主要用于潜艇之间的通信。 模拟通信系统采用单边带调制技术,载波频段为8-15kHz,工作距离可达数公里。

⑵ 频移键控(FSK)。 频移键控通信系统自20世纪70年代末至今已出现。 频移键控的逐步改进需要更宽的频率带宽、更低的单位带宽通信速率以及更高的信噪比。 。

⑶相移键控(PSK)。 20世纪80年代初,相移键控调制开始应用于水声通信。 大多数相移键控系统采用差分相移键控进行调制,接收端可以采用差分相干模式解调。 利用差分相干的差分相位调制不需要相干载波,在抗频率漂移、抗多径效应和抗相位慢抖动方面优于利用非相干解调的绝对相位调制。 但由于参考相位噪声的影响,抗噪声能力下降。

近年来,水声通信在以下两个方面取得了长足进展:

⑷多载波调制技术。

⑸多输入多输出技术。

⒊水声通信新突破

水声通信作为水下通信的主要方式,其技术难度很大。 其核心问题是时变和空变的水声通道造成的强干扰。 需要有效的多普勒补偿措施来保证低误码率,提高传输速率和通信距离,对于军事用途,还应考虑信息传输和多址接入的安全性。 2017年,水声通信技术取得突破,通信速率提高,通信距离增加,第一个水声通信标准颁布。

⑴韩国水声通信技术在传输距离上取得突破

2017年5月,韩国水声通信技术试验实现了传输距离的突破,在100米水深下通信距离达到30公里,是现有技术传输距离的两倍以上。

⑵ 美国伯克利实验室研发轨道角动量复用技术,实现深海声通信速度提升8倍

2017年6月,美国劳伦斯伯克利国家实验室完成了螺旋声波复用技术的陆地实验,验证了声波信号高效并行传输技术的可行性,实现了通信速率8倍的提升。 为疑难问题提供新的解决方案。

水声通信的可用带宽(尤其是200米及以上距离)仅限于20KHz以内的频率范围。 这种低频率限制了数据传输速率,只能达到每秒几十千比特的速度。 研究人员创造性地采用了广泛应用于电信和计算机网络的复用技术概念,首次将复用轨道角动量应用到声学通信中,在单一频率上封装更多通道,显着提高了信息传输速率。

这项研究对于高速声学通信具有巨大的潜力。 一旦应用该技术,水声通信的容量可以增加一倍。 原本短信只能在海底传送,扩大容量后连高清电影都可以传送。 这一创新解决方案将使潜水员、海洋测量船、远程海洋监测仪和深海机器人受益,并将给潜艇、无人潜水器等武器装备的水下通信能力带来重大飞跃。

(3)北约推出第一个国际认可的水下通信协议

2017年5月2日,北约推出第一个国际认可的水下通信协议——JANUS协议。

JANUS协议实际上是一套将信息编码为声音的方法,可以轻松集成到军用或民用、北约或非北约系统中,用于反潜战、反水雷战、海上防御和搜救行动。 该协议的通过将改变不同国家、不同制造商的水下系统不兼容的现状。

3.水下量子通信⒈水下激光通信

水下激光通信技术利用激光载体传输信息。 由于波长为450nm至530nm的蓝绿激光在水下的衰减远小于其他光波段,因此蓝绿激光被用作水下通信的窗口波段。 蓝绿激光通信的优点是它的传输速率是几种方法中最高的。 超近距离时,速率可达100Mbps。 蓝绿激光通信具有良好的方向性和较小的接收天线。 蓝绿激光水下通信具有海水穿透力强、数据传输速率快、方向性好、设备轻便、抗拦截和抗核辐射能力好等优点。 它得到了迅速的发展和广泛的研究。 工业和军事部门不断进行研究。

20世纪70年代初,水下激光技术的军事研究开始受到关注。 20世纪90年代初,美军完成了蓝绿激光通信系统实验的初级阶段。 但激光通信目前主要应用于星潜通信,水下收发系统研究相对滞后。 使用蓝绿激光器在浅水中进行短距离通信存在固有的困难:

(1)散射效应。 水中的悬浮颗粒和浮游生物会对光产生明显的散射作用。 对于浑浊浅水中的短距离传输,水下颗粒引起的散射比空气中强三个数量级,透过率明显降低。

⑵水中光信号吸收效应严重。 包括水介质的吸收、溶解物质的吸收和悬浮物质的吸收等。

⑶背景辐射干扰。 接收信号的同时,水面外的强烈自然光以及水下生物的辐射也会干扰接收的信噪比。

⑷ 高精度瞄准和实时跟踪困难。 浅水区域活动较多,水下移动收发通信单元保持实时对准非常困难。 并且由于激光器只能进行视距通信,两个通信点之间的随机遮挡会影响通信性能。

从以上分析可以看出,由于固有的传输特性,水声通信和激光通信在应用于浅水区域短距离高速通信时受到限制。

目前,潜水式蓝绿激光通信最大穿透深度可达600米,比甚低频、超低频等射频信号强很多,数据传输速率可达100Mb/s,远高于射频信号。 其缺点是光源容易被敌方视觉侦察手段发现,且通信设备复杂,技术难度大。 目前基本还处于研发和试验阶段,前景难以预测。

2017年7月,业界在蓝绿激光水下无线通信方面取得突破。 在日本防卫省的资金支持下,日本国立海洋研究开发研究所完成了水深700米至800米的海洋环境中水下移动物体之间的蓝绿激光无线通信。 通讯距离超过100米,通讯速率达到20Mb/s(这个速度可以实时传输视频片段)。 这标志着该技术向实际应用又迈出了坚实的一步。 未来,该技术有望应用于海底勘探等水下作业、海底观测仪器与船舶、无人机之间的通信以及海底通信等军事领域。

⒉ 水下中微子通信

中微子是具有高度穿透性的粒子,其静止质量几乎为零且不带电荷。 它们大量存在于阳光、宇宙射线、地球大气层的影响和岩石中。 20世纪50年代中期,人们在实验室中也发现了。

实验证明,中微子聚集运动的粒子束有两个特点:

⑴ 只参与原子核衰变时的弱相互作用力,不参与引力、电磁力、质子与中子结合的强相互作用力。 因此,它可以直线高速移动,方向性极强;

(2)中微子束穿过水时,会产生光电效应,发出衰减最小的微弱蓝色闪光。

利用中微子束通信可以保证点对点的通信。 方向性好,保密性强,不受电磁波干扰,衰减极小。 已确定高能加速器产生的高能中微子束在穿透整个地球后衰减不到千分之一。 也就是说,从南美发射的中微子束可以直接穿透地球到达北京,而中间不需要任何卫星或中继站。 此外,中微子束通信还可应用于水下通信等水下通信领域。 发展前景极为广阔。 但由于技术复杂,目前仍处于实验室阶段。

⒊水下量子通信新进展

量子通信技术是以单光子为信息载体,结合量子叠加、量子不可克隆等量子力学基本物理原理,通过通信与系统、计算机交叉融合而发展起来的新一代信息技术。科学、光学科学与工程。 量子通信有望帮助人类实现真正无条件安全保密通信,在未来金融、军事、公共信息安全等方面展现出巨大的发展前景,成为未来信息技术发展的重要战略方向之一。 基于光纤和自由空间大气信道的量子通信已被证明是可行的,近年来得到了很大的发展。 然而,覆盖地球70%面积的海洋是否可以用作量子通道仍然未知。 如果没有海洋,全球量子通信网络就不完整。

不久前,上海交通大学金宪民团队成功实施了首次海水量子通信实验,观察到光子偏振量子态和量子纠缠可以在高损耗、高散射海水中保持量子特性。 这是国际上首次水下通信实验验证。 量子通信的可行性,标志着未来建立水下、海空一体化量子通信网络迈出了重要一步。 证明量子通信技术不仅可以“上天入地”,还可以“下海”。

首先,存在海水光损失的问题。 在海水中,强烈的吸收和散射似乎对光传输非常不利,这就是为什么海水乍一看似乎不是量子通信的良好介质。 克服这一困难的方法是使用405nm光子。 该带位于海水的“蓝绿窗口”。 在这个窗口内,海水的吸收比其他波段弱。 为了在不失一般性的情况下验证海水作为量子通信通道的可行性,他们在大连市和獐子岛之间沿海不同地点的表层海水中采集了海水样本(见下图)。

其次,是海水中量子态的抗干扰能力。 量子比特对应于经典信息中的比特,是量子通信的基本单位。 穿过海水通道后,量子比特能否“生存”? 实验给出的答案是肯定的。 研究人员利用光子的偏振进行编码。 海水是各向同性介质,因此不会产生强烈的去极化效应,这为极化编码的量子比特在海水中传播提供了先决条件。 实验还验证了光子的偏振可以在海水分子的多次碰撞中存活并传输,任何去偏振的光子都可以通过过滤被滤除。

此外,该实验还利用量子过程层析成像技术来表征海水通道中从初态到终态转变的物理过程。 实验结果表明,海水通道的综合效应类似于一个单位矩阵。 在幸存的单个光子中,偏振编码的光子只是简单地丢失,而不会发生不可接受的量子位翻转,并且仍然可以用于建立安全密钥。

最后,我们通过实验验证了在海水通道中是否能够保持光子的纠缠特性。 As an important resource, quantum entanglement is widely used in quantum information science, including quantum communication, quantum teleportation, etc. Therefore, studying the influence of seawater on the quality of entanglement sources is a very important step in exploring the practical application of seawater quantum communication in the future.

4. Application of underwater wireless communication

Underwater areas such as oceans and lakes not only contain rich resources, but also form a direct relationship with the development of human society. Today, as the traditional land-air communication network is becoming more and more perfect, the application of underwater communication is gradually increasing. The cable communication method greatly restricts the target’s activity area, and the installation, use, and maintenance are cumbersome and expensive, so it is not suitable for dynamic communication between underwater nodes.

Underwater communication generally refers to the communication between a surface entity and an underwater target (submarine, unmanned underwater vehicle, underwater observation system, etc.) or communication between underwater targets. Underwater communication mainly uses sound waves, low frequency radio and light waves as information carriers. Underwater wireless communication is a technology that uses water as the medium to transmit data, instructions, voice, images and other information using different forms of carriers. Its application directions mainly include:

(1) Information exchange among underwater motion unit platforms such as divers, unmanned underwater vehicles (AUVs), and underwater robots.

(2) Coastal detection, data acquisition of underwater nodes, navigation and control, underwater ecological protection monitoring and other three-dimensional distributed sensor network applications.

(3) Communication between underwater sensor network, underwater submersible unit and surface and land control or transfer platform. It can be seen that underwater wireless communication technology has broad prospects in civilian, scientific research and military fields. Due to the complex space-time environment underwater, the effective information transmission rate of the communication system often becomes a bottleneck, which is in contradiction with the growing demand for underwater communication. For example, the control of submersibles requires a data rate of more than 100bps, the data rate requirement of underwater sensor networking will exceed 8kps, and the transmission of sound and image information requires a higher data transmission rate. Due to the difference of the propagation medium, the microwave and ultrashort wave communication methods commonly used in land and air will bring great attenuation. Therefore, finding a faster wireless communication technology has become one of the core goals in the field of underwater communication research.

Underwater magnetic induction communication, underwater neutrino communication and gravitational wave communication are all new underwater communication technologies that people continue to explore, and they have better performance potential. Magnetic induction communication uses a magnetic field as a carrier to transmit information by changing the strength of the magnetic field. Underwater magnetic induction communication has the advantages of strong concealment and high transmission rate; neutrino beams can travel independently at the speed of light in any material, and underwater The micro-communication has extremely strong confidentiality and minimal attenuation. It allows two submarines far apart to implement uninterrupted communication connections, allowing submarines operating at any depth in the deep sea to directly contact the command center on land. In the future, there will be important Strategic use, especially when wired communication is damaged and wireless communication is strongly interfered; gravitational wave is a transverse wave that travels at the speed of light and has strong penetrating power. No material can block the propagation of gravitational wave. The transmission distance in water exceeds 1000km, and it will be a future underwater communication technology with great development prospects.

In the past two years, the industry and the military have continuously made breakthroughs in the research of traditional underwater communications such as underwater acoustic communications, optical communications, and radio frequency communications: the US military is exploring new implementations of ultra-low frequency/very low frequency (ULF/VLF) underwater communication technologies Method; the American industry has realized a highly secretive underwater magnetic induction communication in a laboratory environment; in 2017, Jin Xianmin’s team at Shanghai Jiaotong University successfully completed the seawater quantum communication experiment, and verified the feasibility of underwater quantum communication for the first time. The communication distance can reach Hundreds of meters, an important step towards the establishment of an underwater and air-sea integrated quantum communication network in the future.

五、结论

There are three types of underwater wireless communication: underwater electromagnetic wave communication, underwater acoustic communication and underwater quantum communication, which have different characteristics and applications.

Although the attenuation of electromagnetic waves in water is large, it is slightly affected by hydrological conditions, making underwater electromagnetic wave communication quite stable. The development trend of underwater electromagnetic wave communication is: to improve the radiation efficiency of the transmitting antenna, and to increase the equivalent bandwidth of the transmitting antenna, so that it can increase the transmission rate while increasing the radiation field strength; to apply weak signal amplification and detection technology to suppress and process For internal and external noise interference, modulation and demodulation technology and codec technology are preferred to improve the sensitivity and reliability of the receiver. In addition, some scholars are already studying ultra-narrowband theory and technology, striving to obtain higher frequency band utilization; some scholars are also seeking scientific basis for whether they can break through the Shannon limit.

Due to the minimum attenuation of sound waves in water, underwater acoustic communication is suitable for medium and long-distance underwater wireless communication. At present and for a period of time in the future, underwater acoustic communication is the main underwater wireless communication method in underwater sensor networks. However, the data transmission rate of underwater acoustic communication technology is low. Therefore, improving bandwidth utilization efficiency by overcoming unfavorable factors such as multipath effects will be the development direction of underwater acoustic communication technology in the future.

Underwater optical communication has the advantage of high data transmission rate, but underwater optical communication is greatly affected by the environment. Overcoming the influence of the environment is the future development direction of underwater optical communication technology.

Jin Xianmin’s team at Shanghai Jiao Tong University successfully completed the first seawater quantum communication experiment, verifying the feasibility of underwater quantum communication for the first time in the world, adding a strong touch to the future picture of quantum communication technology going to the sky, the earth, and the sea. The experimental results of Kim Hyun-min’s team show that the longest distance that can be expected for underwater quantum communication can reach hundreds of meters, which is enough to carry out confidential communication for submarines and sensor network nodes in the order of 100 meters underwater, thus making it possible to maintain military and high commercial confidentiality. The field shows its talents.

They chose the polarization of photons as the information encoding carrier in the experiment, and proved through simulations that even if they experienced huge channel loss in seawater, the polarization-encoded photons would only be lost without qubit flipping, that is, As long as a few single photons remain, they can still be used to create security keys. It is expected that in the near future, the era of practical underwater, air-sea quantum communication will arrive.