楊健敏 王佳惠 喬 鋼 劉凇佐 馬 璐 何 鵬

①(中山大學(xué)海洋工程與技術(shù)學(xué)院 珠海 519000)

②(哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150001)

③(工業(yè)和信息化部海洋信息獲取與安全工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工程大學(xué)) 哈爾濱 150001)

④(哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

⑤(南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海) 珠海 519000)

⑥(極地環(huán)境立體觀測與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中山大學(xué)) 珠海 519000)

1 引言

近年來，隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出，國家大力發(fā)展海洋事業(yè)，作為水下無線通信的重要組成部分，水聲通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引起廣泛關(guān)注。水聲通信(Underwater Acoustic Communication, UAC)不僅在民用領(lǐng)域有極大應(yīng)用，在商業(yè)領(lǐng)域與軍事領(lǐng)域等諸多方面也發(fā)揮著重要作用[1-4]。民用領(lǐng)域，水聲通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可用于監(jiān)測水下環(huán)境和收集海洋數(shù)據(jù)。商業(yè)領(lǐng)域，該技術(shù)廣泛用于遙控、遙測、數(shù)據(jù)回傳、協(xié)同作業(yè)等。軍事上，水聲通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也發(fā)揮著巨大作用，可用于尋找水下水雷、保護(hù)港口和潛艇、監(jiān)控和監(jiān)視等[5-8]。隨著各個(gè)海洋大國科技水平的提高，構(gòu)建空天地海潛一體化網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程勢不可擋[9]。目前，空天地海的信息傳輸與集成技術(shù)已相對成熟，對海洋信息的需求也愈發(fā)強(qiáng)烈，要提高對海洋信息的獲取能力，就離不開水聲通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。

水聲通信技術(shù)在發(fā)送端把信息加載到聲波中，通過聲波將信息傳輸?shù)浇邮斩耍曂ㄐ攀悄壳皯?yīng)用于水下環(huán)境中最成熟可靠的無線通信方式。陸地?zé)o線環(huán)境中電磁波通信和光通信占主導(dǎo)地位，但是在水下，這兩種通信方式的表現(xiàn)不盡如人意。電磁波在水下衰減嚴(yán)重，且頻率越高衰減越大，因此在水下，電磁波只能實(shí)現(xiàn)短距離的高速通信，不能滿足遠(yuǎn)距離水下通信與組網(wǎng)的要求[10]。水下光通信通常使用藍(lán)綠激光，這是因?yàn)樗{(lán)綠色激光(波長為470～570 nm)在水下傳輸時(shí)能量衰減很小，其衰減率約為0.155～0.5 dB/m[11]。水下激光通信工作頻率高，傳輸速率可達(dá)千兆，傳輸時(shí)延低。但是，水下光損耗大，對水介質(zhì)有很高要求，具有極強(qiáng)的方向性，而且海洋生物會對水下光通信造成極大干擾，建立長距離通信難度極大。聲波在水下傳播的速度可達(dá)1 500 m/s, 1 Hz～50 kHz的聲衰減系數(shù)為10-4～10-2dB/m[12,13]，低頻率、高功率的聲波可在水下傳播數(shù)千公里，是實(shí)現(xiàn)水下遠(yuǎn)程無線通信的唯一手段[14]，因此，水聲通信成為水下長距離通信的最佳和唯一選擇。各種水下通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 各種水下通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)

隨著點(diǎn)對點(diǎn)水聲通信技術(shù)發(fā)展日趨成熟，以及復(fù)雜應(yīng)用場景對水下信息傳輸技術(shù)提出更高要求，水聲通信網(wǎng)絡(luò)(Underwater Acoustic Communication Network, UACN)技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注與發(fā)展。水聲通信網(wǎng)絡(luò)與水聲通信一樣，在水下依靠聲波傳遞信息。從硬件角度可分為廣義和狹義兩種：廣義水聲通信網(wǎng)絡(luò)是由布放在水底、水中的通信節(jié)點(diǎn)(包括固定的通信節(jié)點(diǎn)和裝載在移動平臺的通信節(jié)點(diǎn))、水面浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)、水面移動平臺、岸基通信平臺以及通信衛(wèi)星等構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示；狹義水聲通信網(wǎng)絡(luò)由水下及水面部分組成，包括水底、水面以及水中的固定通信節(jié)點(diǎn)和自主水下潛器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)、水面浮標(biāo)等搭載的水聲通信節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。無論廣義水聲通信網(wǎng)絡(luò)，還是狹義水聲通信網(wǎng)絡(luò)，相較于點(diǎn)對點(diǎn)水聲通信，都能夠增加通信覆蓋范圍，提升通信效率等，以適應(yīng)更多、更復(fù)雜的任務(wù)場景[15]。本文中提到的水聲通信網(wǎng)絡(luò)都是指狹義水聲通信網(wǎng)絡(luò)。水聲通信網(wǎng)絡(luò)為確保能夠有效而可靠地傳輸數(shù)據(jù)，需按照一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議運(yùn)行。將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層可降低網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，參考國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的開放系統(tǒng)互聯(lián)(Open Systems Interconnection,OSI)模型和傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol,TCP/IP)[16]，實(shí)際應(yīng)用中通常將水聲通信網(wǎng)絡(luò)層次劃分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，圖2為UACN, OSI以及TCP/IP 3種協(xié)議體系的對比。

圖1 廣義水聲通信網(wǎng)絡(luò)

圖2 3種協(xié)議體系對比

本文安排如下：第2節(jié)陳述了國內(nèi)外水聲通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀，第3節(jié)梳理了水聲信道的特點(diǎn)，第4節(jié)歸納與介紹了水聲通信技術(shù)，第5節(jié)討論水聲通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，最后在第6節(jié)進(jìn)行總結(jié)與展望。

2 水聲通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

2.1 水聲通信技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

2.1.1 水聲通信技術(shù)的發(fā)展

水聲通信技術(shù)的早期歷史可以追溯到20世紀(jì)50年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)有了顯著進(jìn)步。當(dāng)前，水聲通信主要向高有效性和高可靠性發(fā)展。如圖3所示，與無線電通信從1～5G的發(fā)展歷程相似，水聲通信技術(shù)的發(fā)展趨勢概括地說是從模擬通信到數(shù)字通信，從非相干通信到相干通信，從單載波通信到多載波通信，從點(diǎn)對點(diǎn)通信到網(wǎng)絡(luò)化通信。

圖3 水聲通信技術(shù)的發(fā)展歷程

如今，水聲通信已經(jīng)發(fā)展到以全雙工通信為代表的“5G”技術(shù)[17]。水聲通信發(fā)展初期，使用的大多是幅度調(diào)制(Amplitude Modulation, AM)和單邊帶調(diào)制(Single-Side Band, SSB)水下電話傳遞模擬信號。20世紀(jì)80年代早期，水下數(shù)字頻移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)技術(shù)得到應(yīng)用，80年代后期出現(xiàn)相干水聲通信[18]。90年代，由于數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing, DSP)芯片技術(shù)和數(shù)字通信理論的發(fā)展，一系列復(fù)雜的信道均衡技術(shù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步推動相干水聲通信技術(shù)的發(fā)展[19]。20世紀(jì)90年代，美國Scripps海洋研究所率先提出了單載波相干水聲通信技術(shù)[20]。從20世紀(jì)90年代中后期開始，以正交頻分復(fù)用技術(shù)為主的多載波相干通信技術(shù)逐漸廣泛應(yīng)用于水聲通信[21]。進(jìn)入21世紀(jì)，多入多出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)、全雙工等技術(shù)的使用進(jìn)一步提升了水聲通信技術(shù)性能[22]。

2.1.2 國外研究現(xiàn)狀

在水下，聲波頻率越高，衰減越大，因此水聲通信可用帶寬和通信距離相關(guān)：遠(yuǎn)距離帶寬小，速率低；近距離帶寬大，速率高。本節(jié)及下節(jié)介紹國內(nèi)外水聲通信技術(shù)研究現(xiàn)狀，從近距離通信和中遠(yuǎn)距離通信兩方面介紹，近程通信的通信距離為0～10 km，中遠(yuǎn)程通信的距離大于10 km。

國外水聲通信技術(shù)開展較早，美國、日本、俄羅斯、新加坡、歐盟等國家和組織都投入了大量人員與經(jīng)費(fèi)進(jìn)行水聲通信技術(shù)研究。近程水聲通信方面，文獻(xiàn)[23]使用時(shí)間反轉(zhuǎn)判決反饋均衡器和正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)技術(shù)，在海試中，以60 kbit/s的數(shù)據(jù)速率實(shí)現(xiàn)了3 km的可靠通信。文獻(xiàn)[24]使用128QAM在3.6 km距離實(shí)現(xiàn)70 kbit/s的最大數(shù)據(jù)速率，成功將數(shù)據(jù)從水下移動無人平臺傳輸?shù)剿媾炌А?/p>

中遠(yuǎn)程水聲通信方面，2013年，文獻(xiàn)[25]在北冰洋采用中心頻率為900 Hz的相移鍵控(Phase Shift Keying, PSK)信號，在560 km的距離上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率29.6 bit/s的通信導(dǎo)航。將直接序列擴(kuò)頻與雙差分編碼技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了550 km內(nèi)的深海遠(yuǎn)距離通信，通信速率為6.5 bit/s，誤碼率可達(dá)4%以下。文獻(xiàn)[26]使用大孔徑水平天線陣列來替代垂直陣列實(shí)現(xiàn)空間分集并且結(jié)合二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制(Binary Phase Shift Keying, BPSK)和正交相移鍵控調(diào)制(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)，提升角度分辨率和降低誤碼率，最大傳輸范圍為550 km2，通信速率可以達(dá)到50 bit/s。文獻(xiàn)[27]采用自適應(yīng)時(shí)間反轉(zhuǎn)判決反饋均衡器(Adaptive Passive Time Reversal-Decision Feedback Equalizer, APTR-DFE)與MIMO技術(shù)，在13.5 km的距離實(shí)現(xiàn)了較低誤比特率的高速水聲通信，誤比特率0.1%時(shí)，通信速率可達(dá)30.21 kbit/s，誤比特率1%時(shí)，通信速率可達(dá)37.53 kbit/s。

2.1.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國水聲通信技術(shù)研究開展相對較晚。近些年，隨著對開發(fā)海洋的需求日益迫切，我國建設(shè)海洋強(qiáng)國的國策提出，越來越多的科研院所與公司投入到水聲通信技術(shù)研究當(dāng)中，科研院所包括中科院聲學(xué)研究所、中船重工715所、北京長城電子裝備有限責(zé)任公司、哈爾濱工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、廈門大學(xué)、中山大學(xué)等，公司包括嘉興中科、蘇州桑泰、深圳智慧海洋、哈船海信等。在國家的大力支持和科研工作者的努力攻關(guān)下，我國水聲通信技術(shù)取得諸多突破與進(jìn)展。

近程水聲通信方面，針對傳統(tǒng)Pattern時(shí)延差(Pattern time Delay Shift, PDS)編碼水聲通信速率較低的問題，在傳統(tǒng)PDS水聲通信基礎(chǔ)上，提出基于分頻帶的高速PDS通信方案，實(shí)驗(yàn)得出該方法可達(dá)到1 200 km·bit/s距離速率積。文獻(xiàn)[28]提出單陣元無源時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡和虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡的均衡算法，可有效減少符號間干擾。在收發(fā)相距1.5 km，相對速度0.84 m/s，有效通信速率5.03 kbit/s的條件下開展外場實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示所提均衡算法可有效降低誤碼率。文獻(xiàn)[29]針對復(fù)雜多變的淺海水聲信道提出一種自適應(yīng)水聲通信調(diào)制方案，根據(jù)多徑數(shù)、多普勒頻偏等對信號進(jìn)行評估自適應(yīng)選擇合適的調(diào)制方式與參數(shù)，并在海深8 m，通信距離1 km的情況進(jìn)行外場實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在信道條件較差時(shí)，所提方案能降低誤碼率，提升等效通信速率。2022年，文獻(xiàn)[30]自主研發(fā)的全平臺適配水聲通信機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)通信距離6.2 km、通信速率42.8 kbit/s的分布式多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)水聲通信數(shù)據(jù)傳輸，成功實(shí)現(xiàn)265.36 kbit/(s·km)的通信速率距離乘積。

中遠(yuǎn)程水聲通信方面，文獻(xiàn)[31]提出了一種基于深海遠(yuǎn)程通信的LT-Turbo均衡方法，實(shí)現(xiàn)傳播距離為69 km時(shí)，誤碼率低于10-5的深海遠(yuǎn)距離通信。文獻(xiàn)[32]設(shè)計(jì)了一種全海深水聲通信機(jī)，采用單載波相干水聲通信技術(shù)，相干解調(diào)算法采用了時(shí)頻域雙向Turbo均衡器結(jié)構(gòu)。2018年該通信機(jī)在馬里亞納海溝進(jìn)行海試，實(shí)現(xiàn)了水下10 500 m到水面的高速水聲通信。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所先后承擔(dān)了“蛟龍”號、“深海勇士”號、“奮斗者”號等深潛器的水聲通信系統(tǒng)研制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了超萬米的全海深水聲通信與海天對話等，性能指標(biāo)達(dá)到世界先進(jìn)[33]。2021年11月，哈爾濱工程大學(xué)喬鋼團(tuán)隊(duì)[34]基于DSP的正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)與擴(kuò)頻水聲通信技術(shù)，使全海深A(yù)UV “悟空號”在與母船直線距離超過15 km的馬里亞納海溝深處，實(shí)現(xiàn)與母船的遠(yuǎn)程可靠水聲通信，上行峰值通信速率2 003 bit/s，數(shù)據(jù)包接收正確率超過93%。

水聲通信系統(tǒng)的能力與信道條件、發(fā)射功率、平臺環(huán)境、接收陣列等多個(gè)因素有關(guān)。通常采用通信距離與通信速率的乘積來表示有效性。20世紀(jì)90年代中期，文獻(xiàn)[33]淺海環(huán)境的水聲通信實(shí)現(xiàn)了40 km·kbit/s的速率和距離乘積，代表了當(dāng)時(shí)水聲通信有效性的較高水平。經(jīng)過近些年的發(fā)展，文獻(xiàn)[27]已經(jīng)將這一指標(biāo)提升到500 km·kbit/s的量級，相較于20世紀(jì)90年代提升了10余倍。水聲通信技術(shù)的快速發(fā)展，一方面可以滿足越來越多的應(yīng)用需求，另一方面也極大促進(jìn)了水聲通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

2.2 水聲通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

如上節(jié)所述，近年來物理層水聲通信技術(shù)發(fā)展迅速，高性能水下聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器相繼問世，為水聲通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，水聲通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建成為可能[19]。同時(shí)，人類對海洋探索與利用的腳步不斷加速，水聲通信網(wǎng)絡(luò)研究因此也越來越受到關(guān)注。自1990年以來，美國、歐洲和中國等國家、地區(qū)相繼開展了水聲通信網(wǎng)絡(luò)仿真與試驗(yàn)研究，通過計(jì)算機(jī)仿真和外場實(shí)驗(yàn)等方式驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和設(shè)備性能。這些水聲通信網(wǎng)絡(luò)的研究成果可廣泛應(yīng)用于水下軍事和水下環(huán)境感知監(jiān)測等領(lǐng)域。

2.2.1 水聲通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

水聲通信網(wǎng)絡(luò)總體上經(jīng)歷了從集中式到分布式再到自組織，從單跳網(wǎng)絡(luò)到多跳網(wǎng)絡(luò)，從靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)到移動節(jié)點(diǎn)參與的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程。美國的Seaweb是目前世界上已知規(guī)模最大、最具代表性的水聲通信網(wǎng)絡(luò)之一，通過Seaweb網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展能直觀看出水聲通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。1998年開始進(jìn)行的美國Seaweb98，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為10，主要目的是判斷低成本、高覆蓋面積的水聲通信網(wǎng)絡(luò)的可行性。接下來兩年的實(shí)驗(yàn)增加了節(jié)點(diǎn)數(shù)量，并優(yōu)化數(shù)據(jù)鏈路層和路由層協(xié)議的控制。在Seaweb01中，反潛艇探測節(jié)點(diǎn)探測到潛艇的數(shù)據(jù)通過中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送到水面浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)，浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)再將信息轉(zhuǎn)發(fā)給陸地指揮中心。Seaweb03包括3個(gè)AUV, 6個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和2個(gè)浮標(biāo)，Seaweb04的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為40，測試了分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和動態(tài)路由，以及路由重建。Seaweb08的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少，只有19，但實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的集中式控制。Seaweb09實(shí)現(xiàn)中繼傳輸，建立了小規(guī)模的海洋監(jiān)測試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)[35]。Seaweb10中網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)水面浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)，6個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和2個(gè)傳感器監(jiān)測節(jié)點(diǎn)組成，驗(yàn)證了水聲通信網(wǎng)絡(luò)通信鏈路中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。雖然在2010年以后，鮮有公開文獻(xiàn)報(bào)道Seaweb的最新進(jìn)展，但該網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代水聲通信網(wǎng)絡(luò)的雛形，為后續(xù)相關(guān)研究提供了經(jīng)驗(yàn)與基礎(chǔ)。Seaweb網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程如圖4所示。

圖4 Seaweb網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程

2.2.2 國外研究現(xiàn)狀

繼Seaweb網(wǎng)絡(luò)后，歐美等國家相繼開展水聲通信網(wǎng)絡(luò)仿真與實(shí)驗(yàn)研究。近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)(Persistent Littoral Undersea Surveillance Network, PLUSNet)[36]是美軍研究的典型水下無人作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之一，由攜帶水聲通信機(jī)的多個(gè)無人潛航器(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)組成，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)UUV基于水聲通信可自主做出基本決策。2013年，由美國康涅狄格等大學(xué)聯(lián)合開展的水下網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)臺(Ocean Testbed for Underwater Networks Experiments, Ocean-TUNE)，旨在解決水聲通信網(wǎng)絡(luò)仿真受限、沒有共同實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺等問題，該網(wǎng)絡(luò)由部署在4個(gè)不同海域的實(shí)驗(yàn)平臺組成。歐盟方面，在海洋科學(xué)與技術(shù)計(jì)劃 III(MArine Science and Technology program III, MAST III)等項(xiàng)目支持下開展了一系列研究：其中包括遠(yuǎn)程淺海水聲通信鏈路(long range shallow water ROBust acoustic communication LINKSS, ROBLINKS)的設(shè)計(jì)，以及適用于淺海中長距離高速率和高魯棒性的通信協(xié)議研究；Sunrise是由歐美研究院校和機(jī)構(gòu)共同合作建立開展的水聲通信網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目[16]，經(jīng)過對水下進(jìn)行感知、監(jiān)測和開發(fā)，設(shè)計(jì)了名為SUNSET的新網(wǎng)絡(luò)協(xié)議系統(tǒng)以及專為水下環(huán)境設(shè)計(jì)的航行器平臺。日本方面，2016年，國家地球科學(xué)和抗災(zāi)能力研究所開始運(yùn)營日本海溝沿岸地震和海嘯海底觀測網(wǎng)絡(luò)(S-net)，該網(wǎng)絡(luò)由海底電纜、海底水聲通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及地震儀等觀測裝置組建而成[37]。

2.2.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)水聲通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究起步較晚，早期研究人員主要利用NS2, OPNET, MATLAB等仿真工具模擬對水聲通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真分析，近年來發(fā)展迅速，已有多家單位開展外場試驗(yàn)。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所于2008年和2009年在浙江千島湖完成4～7個(gè)節(jié)點(diǎn)的自組織水聲通信網(wǎng)絡(luò)，使用自研小型化、低功耗通用水聲通信節(jié)點(diǎn)，傳輸實(shí)時(shí)語音、圖像和傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，通信速率達(dá)8 kbit/s，誤碼率低于10-5，端到端最長4.1 km[16]。中船重工715研究所進(jìn)行了基于集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的3節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)測試，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)值、鏈路層協(xié)議等[38]。西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)了?？仗炜缃橘|(zhì)通信網(wǎng)絡(luò)，5節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的水聲通信網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)自定位功能[39]。2014年，在863項(xiàng)目水聲通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)支持下，由中科院聲學(xué)所牽頭，中船重工715研究所、哈爾濱工程大學(xué)、浙江大學(xué)等單位共同參與，搭建了13個(gè)水聲通信節(jié)點(diǎn)的水聲通信網(wǎng)絡(luò)，開展為期45天的規(guī)范化海上實(shí)驗(yàn)，為我國水聲通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備研制規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化奠定基礎(chǔ)[16]。此后，國內(nèi)有多家單位開展大規(guī)模水聲通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，如深圳智慧海洋公司于2020年實(shí)現(xiàn)20節(jié)點(diǎn)固移結(jié)合的水聲異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；哈爾濱工程大學(xué)于2022年6月成功開展包括25套潛標(biāo)水聲通信系統(tǒng)，3套浮標(biāo)水聲通信系統(tǒng)，2套船載甲板單元及多套搭載于水下平臺的水聲通信終端的大規(guī)模、面向應(yīng)用水聲的通信網(wǎng)絡(luò)，在惡劣海況、部分終端高移動性的條件下，實(shí)現(xiàn)千平方公里級面積覆蓋，網(wǎng)絡(luò)單跳最長距離超過20 km，最高跳數(shù)5跳。

由上文可以看到，無論國內(nèi)國外，水聲通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究初期，大多以軟件仿真為主，仿真內(nèi)容包括數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全等。隨著水聲通信技術(shù)大幅發(fā)展，水聲通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)理論逐步積淀，以及人們對水聲通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景與方式認(rèn)知理解愈發(fā)深刻，水聲通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域逐步由理論仿真走向外場實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量由少到多，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆珊唵蔚綇?fù)雜，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)協(xié)議由單一到復(fù)合，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)類型由同構(gòu)到異構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍從單純水下到跨域組網(wǎng)。如今，水聲通信網(wǎng)絡(luò)雖然還有諸多不完善尚待研究之處，但已能在實(shí)際場景中得到應(yīng)用，解決問題，顯示出巨大的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。

3 水聲信道的特點(diǎn)

水聲通信本質(zhì)上是無線通信的一種，通信系統(tǒng)中，信息在發(fā)送端與接收端傳輸?shù)倪^程中必然要經(jīng)過信道，而在水聲通信與網(wǎng)絡(luò)中，聲波從發(fā)射端到接收端經(jīng)歷的環(huán)境稱之為水聲信道。水聲信道通信帶寬受限、水下聲速慢、傳輸衰減大等自身局限性和海洋環(huán)境復(fù)雜的時(shí)變空變影響、多普勒效應(yīng)顯著、多徑傳播復(fù)雜等因素共同影響，是無線通信領(lǐng)域中最為復(fù)雜多變、難度最大的信道之一，是影響水聲通信和組網(wǎng)性能的重要因素[40]。具體來說，水聲信道具有以下特點(diǎn)。

3.1 傳輸時(shí)延大且時(shí)變

與無線電在空氣中的傳播速度相比，聲波在水下的傳播速度比無線電傳播速度低5個(gè)數(shù)量級，大約是1 500 m/s[41]，這就導(dǎo)致聲波的傳輸時(shí)延很大。聲速是影響聲波在海洋中傳播的最基本的物理參數(shù)，與溫度、鹽度和靜壓力等多個(gè)因素有關(guān)。通常，溫度越高，鹽度越大，壓力越大，聲速增大；同時(shí)，以上參數(shù)的變化使聲信號在水中的傳播延遲是動態(tài)的，造成水下聲信號傳輸時(shí)延大且時(shí)變。

3.2 通信帶寬受限

受水下聲波傳輸衰減吸收等特性影響，相比于射頻無線電通信的通信帶寬，水聲通信帶寬受到了非常大的限制，典型的聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器工作帶寬只有幾千赫茲到幾萬赫茲。在1～10 km的短距離水聲通信中，系統(tǒng)工作帶寬大概在幾十千赫茲的數(shù)量級，在10～100 km的遠(yuǎn)距離水聲通信中，可用系統(tǒng)工作帶寬只有幾千赫茲以下[40]。

3.3 傳播損失大

傳播損失是指聲波在傳輸過程中出現(xiàn)的衰減損失和擴(kuò)散損失。衰減損失是因聲波被吸收、散射和泄漏等因素導(dǎo)致的損失。其中，吸收損失是主要因素，它隨著聲波頻率和傳輸距離的增加而增加。擴(kuò)散損失則是由于聲波波面擴(kuò)散而導(dǎo)致聲能擴(kuò)散的損失。常見的擴(kuò)散損失包括在深海環(huán)境下點(diǎn)聲源的球形擴(kuò)散(全向擴(kuò)散)以及在淺海環(huán)境下的柱狀擴(kuò)散(僅在水平面上擴(kuò)散)。隨著傳輸距離的增加，聲波傳播損失也會增加[42]。

3.4 噪聲干擾嚴(yán)重

水下噪聲可分為人為噪聲和環(huán)境噪聲。人為噪聲在靠近人類活動附近區(qū)域較為明顯。而環(huán)境噪聲是水聲信道中的一種干擾背景場[43]，主要包括潮汐、海面波浪、地震活動、生物群體等海洋中的噪聲源，在不同時(shí)間和地點(diǎn)存在明顯的變化，它們對系統(tǒng)接收信噪比的限制影響嚴(yán)重。由于受到人為噪聲和環(huán)境噪聲的同時(shí)作用，水聲通信系統(tǒng)的接收信噪比一般較低，嚴(yán)重的噪聲干擾極大地影響著水聲通信及組網(wǎng)系統(tǒng)的性能。

3.5 多徑效應(yīng)

聲波在傳播過程中受到海水分層介質(zhì)的折射和海面、海底的反射等影響，因此在聲源與接收點(diǎn)之間存在多條先后到達(dá)接收機(jī)的不同路徑[44]，這種現(xiàn)象稱為“多徑效應(yīng)”。多徑效應(yīng)是導(dǎo)致信號快速衰落的一個(gè)重要因素，幾乎存在于所有陸基和水下通信技術(shù)中。在時(shí)域上，多徑效應(yīng)引起信號的時(shí)間擴(kuò)展，在頻域上，則會造成頻率選擇性衰落[45]。水聲多徑信道不僅使信號時(shí)域波形和頻譜產(chǎn)生畸變，而且致使時(shí)延可達(dá)到秒量級，引入了很大的碼間干擾。

3.6 多普勒效應(yīng)

發(fā)射端、接收端二者之間發(fā)生相對移動，便會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)[46]。多普勒效應(yīng)對水聲通信造成的干擾要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對無線電通信的干擾，其主要原因在于水下聲波傳播的速率遠(yuǎn)低于空氣中電磁波傳播的速率，即使很小的相對速度也會導(dǎo)致嚴(yán)重的多普勒頻偏[4]。除通信節(jié)點(diǎn)之間的相互影響外，波浪起伏的海洋反射的聲波和湍流的聲波折射的聲波都會引起不可忽視的多普勒頻移，對水聲通信與組網(wǎng)造成一定影響。

3.7 能量受限

由于水下聲波衰減比空氣中無線電信號衰減大得多，因此水聲通信節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率通常需要比陸地?zé)o線電通信設(shè)備高一個(gè)數(shù)量級[47]。除此之外，水聲通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量十分有限，尺寸相對較大，加之水下環(huán)境復(fù)雜惡劣，水聲通信節(jié)點(diǎn)很難更換電池或?qū)﹄姵爻潆?，雖然有些位于淺海的水聲通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以利用太陽能充電，但是獲取的能量也十分有限，一旦能量耗盡，節(jié)點(diǎn)將失效。

水聲通信與組網(wǎng)究其本質(zhì)是無線通信和組網(wǎng)的一種，信道是整個(gè)通信和組網(wǎng)鏈路中非常重要的組成部分，通信的核心工作之一就是要使整個(gè)通信系統(tǒng)與信道相匹配，信道質(zhì)量的好壞會極大地影響通信組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的難易和質(zhì)量。我們看到，相比于空氣中的無線電信道或者各類有線信道，水下聲信道都復(fù)雜惡劣得多，很多在無線電通信中成熟的理論和算法，并不能直接應(yīng)用于水聲通信與組網(wǎng)中。無論是聲波在水下傳播的物理特性，還是水下的環(huán)境噪聲與人為噪聲等，都是人們在水聲通信與組網(wǎng)過程中需要攻克的難關(guān)，即便水聲通信與組網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過了幾十年發(fā)展，克服信道對水聲通信與組網(wǎng)帶來的影響仍然是擺在我們面前最需要解決的問題。

4 水聲通信技術(shù)

引言中提到，水聲通信技術(shù)在發(fā)送端把信息加載在聲波上，通過聲波將信息傳輸?shù)浇邮斩?。而將信息加載到聲波中以及將信息從聲波分解出來離不開物理層的調(diào)制與解調(diào)。物理層定義了通過連接水聲通信節(jié)點(diǎn)的物理鏈路信道傳輸比特的機(jī)制，發(fā)送端將比特流調(diào)制為聲信號以在水聲信道中傳播；接收端將收到的聲信號解調(diào)，恢復(fù)成原始的比特流，并向協(xié)議棧上層提供信息。水聲通信中，可以根據(jù)解調(diào)時(shí)是否還原同頻同相的載波來定義為水聲相干通信和非相干通信，本節(jié)將以此分類介紹水聲通信技術(shù)；同時(shí)，隨著對水聲通信技術(shù)需求逐漸增加，以應(yīng)用為導(dǎo)向的新型調(diào)制技術(shù)也逐漸發(fā)展，這也是本節(jié)將要介紹的另一部分內(nèi)容。

4.1 非相干水聲技術(shù)

水聲通信技術(shù)誕生于20世紀(jì)中葉，最開始采用模擬調(diào)制方式，隨后逐步向數(shù)字調(diào)制過渡，到20世紀(jì)70年代，數(shù)字調(diào)制成為水聲通信的主流通信方式。在數(shù)字調(diào)制技術(shù)中，頻移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)、幅移鍵控(Amplitude Shift Keying,ASK)和相移鍵控(Phase Shift Keying, PSK)3種調(diào)制技術(shù)是3種重要的調(diào)制方式，其衍生出的相關(guān)技術(shù)也驅(qū)動水聲通信技術(shù)的全方位發(fā)展[20]。早期的數(shù)字水聲通信系統(tǒng)大都采用FSK調(diào)制方式，并且采用非相干調(diào)制技術(shù)，非相干水聲通信解調(diào)不需要還原或生成同頻同相的載波。

2FSK調(diào)制系統(tǒng)中，每個(gè)碼元只傳輸1個(gè)比特信息，多進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制(Multiple Frequency Shift Keying, MFSK)是對2FSK的改進(jìn)，MFSK中1個(gè)碼元傳輸多個(gè)比特的信息，采用多個(gè)不同頻率的載波來傳輸信息，能夠有效減少遠(yuǎn)程淺海信道由于緩慢時(shí)變引起的信號相位信息損失，同時(shí)在帶寬資源受限的水聲通信中，可提高頻帶利用率。由于水聲信道帶寬資源十分有限而期望傳輸量較大，且單載波無法改善MFSK調(diào)制對頻帶的利用率不足的缺點(diǎn)，多載波MFSK調(diào)制被提出。多載波MFSK將MFSK調(diào)制與多載波技術(shù)相結(jié)合，兼顧MFSK穩(wěn)健性的同時(shí)，能夠有效提高系統(tǒng)通信速率以及抗多途能力。文獻(xiàn)[48]基于OFDM-MFSK水聲通信系統(tǒng)，提出了一種差錯控制編碼方法，可以減少水聲通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本，并且確保通信可靠性和實(shí)時(shí)性。

4.2 相干水聲通信技術(shù)

水聲通信技術(shù)發(fā)展初期，非相干調(diào)制技術(shù)長期被認(rèn)為是克服水聲信道多途擴(kuò)展的最佳選擇，但它在帶寬嚴(yán)重受限的水聲信道中很難實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸。從20世紀(jì)80年代開始，為滿足水下數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)男枨?，如何提高水聲通信信道利用率成為人們研究和關(guān)注的熱點(diǎn)問題，相干調(diào)制技術(shù)被引入水聲通信領(lǐng)域并得到迅速發(fā)展，其帶寬利用率比非相干技術(shù)有了顯著提升[49]。接下來從單載波相干水聲通信技術(shù)、多載波相干水聲通信技術(shù)、擴(kuò)頻水聲通信技術(shù)3方面展開介紹相干水聲通信技術(shù)。

4.2.1 單載波相干水聲通信技術(shù)

相干水聲通信發(fā)展的初期階段一般采用諸如PSK, QAM等單載波調(diào)制方式。具有里程碑意義的是，1993年，美國東北大學(xué)的Stojanovic等人[50]提出了基于判決反饋均衡(Decision Feedback Equalization, DFE)和2階數(shù)字鎖相環(huán)(Digital Phase Lock Loop, DPLL)的相干水聲通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)，能夠一定程度上解決時(shí)變水聲信道匹配和碼間干擾問題。為應(yīng)對復(fù)雜的信道，提升系統(tǒng)的通信性能，單載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)高效可靠的信道均衡器。但對于時(shí)延擴(kuò)展較長的水聲信道，需要更高階數(shù)和更為復(fù)雜的信道均衡器，但這也增加了整個(gè)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，這是信道均衡技術(shù)面臨的主要問題[51]。單載波通信系統(tǒng)通常根據(jù)接收機(jī)采用的均衡方式，可以分為常規(guī)接收系統(tǒng)和迭代接收系統(tǒng)。常規(guī)均衡與迭代均衡的實(shí)現(xiàn)方式又可以分為自適應(yīng)信道均衡和基于信道估計(jì)的均衡[52]。

文獻(xiàn)[31]提出了一種基于Ludy Transform編碼(LT編碼)的聯(lián)合迭代均衡譯碼方法，能夠在深遠(yuǎn)海水聲通信中靈活控制編碼速率，并通過聯(lián)合迭代均衡譯碼進(jìn)一步提高通信效率。針對單一均衡算法和單一方向Turbo均衡器存在的誤差傳遞現(xiàn)象，文獻(xiàn)[53]設(shè)計(jì)了基于迭代Kalman均衡器與改進(jìn)成比例歸一化自適應(yīng)均衡器相結(jié)合的混合雙向Turbo均衡器。文獻(xiàn)[54]提出一種結(jié)合信道短化技術(shù)和基于L1范數(shù)寬線性變遺忘因子RLS自適應(yīng)均衡技術(shù)判決反饋接收機(jī)算法，該算法能有效降低算法的復(fù)雜度。陳芳炯等人[55]提出一種零值吸引稀疏控制成比例最小誤碼率判決反饋均衡算法，相較于基于最小均方誤差準(zhǔn)則的鎖相環(huán)相位追蹤算法，收斂速度更快，誤碼率性能更優(yōu)。

4.2.2 多載波相干水聲通信技術(shù)

單載波相干水聲通信能夠提升非相干水聲通信的通信質(zhì)量，但是其均衡器的復(fù)雜度隨通信速率的提高大幅上升，限制了其應(yīng)用。多載波技術(shù)將高速串行傳輸數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為低速并行傳輸數(shù)據(jù)，均衡算法復(fù)雜度較低，能夠有效增加碼元持續(xù)時(shí)間，顯著降低碼間干擾，具有一定抗多徑的能力，適用于水聲通信中信道比較穩(wěn)定且對數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高的中短距離通信場景[56]。本文以當(dāng)前研究較多的多載波相干水聲通信技術(shù)-OFDM技術(shù)以及結(jié)合MIMO的新型多載波調(diào)制技術(shù)進(jìn)行介紹。

OFDM技術(shù)利用相互正交的子載波，把通信帶寬分成子通道，對數(shù)字信號進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換之后，將其映射到子載波振幅與相位。該技術(shù)中，每一個(gè)子信道雖然在頻率上是互相疊加的，但是它可以利用每個(gè)子載波間的正交性來避開載波干擾，所以頻率利用率得到極大提升。此外，由于在串并轉(zhuǎn)換之后，每一個(gè)字符的周期都比較長，通過預(yù)先添加的保護(hù)區(qū)間，OFDM技術(shù)可以很好地抑制多徑延遲所造成的時(shí)間彌散。所以，基于OFDM的水聲通信技術(shù)能夠達(dá)到提升通信速率的效果，并能一定程度上抑制多徑干擾。但OFDM技術(shù)對頻率偏移十分敏感，受多普勒效應(yīng)影響嚴(yán)重，容易導(dǎo)致比特錯誤甚至傳輸中斷[57]。2017年，馬璐等人[58]針對水聲正交頻分復(fù)用異步多用戶系統(tǒng)提出一種基于滑動迭代的異步多用戶接入方法，實(shí)驗(yàn)表明滑動迭代異步接收算法在多徑擴(kuò)展18 ms、異步到達(dá)時(shí)延大于或等于循環(huán)前綴1.5倍時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩用戶異步接入的可靠通信。文獻(xiàn)[59]提出一種采用全雙工聲通信和OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)多跳水聲通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的同時(shí)傳輸和接收數(shù)據(jù)傳輸方法，在多跳水聲通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)無碰撞高速全雙工通信。

MIMO是一種利用多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)在發(fā)送端和接收端之間進(jìn)行信號傳輸?shù)恼{(diào)制技術(shù)，該技術(shù)利用子信道間的相互獨(dú)立性獲得額外的自由度，從而實(shí)現(xiàn)并行傳輸獨(dú)立數(shù)據(jù)流，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。MIMO和OFDM的結(jié)合是解決水聲信道頻率選擇有限和帶寬資源緊張的低復(fù)雜度方案，MIMO-OFDM系統(tǒng)與動態(tài)變化快且?guī)薹浅４蟮乃曅诺垒^為適配[60]。但是在MIMO-OFDM水聲通信系統(tǒng)中，由于信道間的相互干擾和水聲信道嚴(yán)重時(shí)延擴(kuò)展產(chǎn)生的頻率選擇性衰落，系統(tǒng)的通信誤碼率仍然較高。針對這一問題，文獻(xiàn)[61]研究了空頻編碼的MIMO-OFDM通信，提出空頻迭代信道估計(jì)與均衡(Spatial Frequency Iterative Channel Estimation and Equalization, SFICEE)方法，該方法能夠較好降低誤碼率。

4.3 新型水聲通信技術(shù)

近年來，隨著人們對海洋開發(fā)探索愈發(fā)深入迫切，以面向應(yīng)用需求為導(dǎo)向的研究趨勢也愈發(fā)明顯，因此也催生出多種新型水聲通信技術(shù)。目前受到廣泛關(guān)注的有擴(kuò)頻水聲通信、帶內(nèi)全雙工水聲通信、仿生水聲通信、正交時(shí)空頻水聲通信等技術(shù)。

4.3.1 擴(kuò)頻水聲通信技術(shù)

擴(kuò)頻技術(shù)是指在“偽隨機(jī)”(Pseudo-Random,PR)或“偽噪聲”(Pseudo-Noise, PN)序列的擴(kuò)頻序列控制下，將信號能量擴(kuò)展分布到比原始信號帶寬寬很多的頻帶的一種通信體制，擴(kuò)頻技術(shù)具有較好的通信隱蔽性與抗干擾性能[62]，常用于水下穩(wěn)健可靠通信。傳統(tǒng)擴(kuò)頻技術(shù)可劃分為4種類型：時(shí)域直接序列擴(kuò)頻、頻域直接序列擴(kuò)頻、跳頻擴(kuò)頻以及跳時(shí)擴(kuò)頻[63]。周鋒等人[64]提出了一種猝發(fā)混合擴(kuò)頻水聲隱蔽通信方法，該方法通過在時(shí)間上隨機(jī)地發(fā)送脈沖混合調(diào)制擴(kuò)頻信號降低被截獲概率，可以比較靈活地通過調(diào)整平均占空比來滿足不同隱蔽性要求。

擴(kuò)頻通信雖然可靠性高，但通信速率和頻譜利用率較低，多載波技術(shù)在多徑干擾及符號間串?dāng)_有很好表現(xiàn)，并且頻譜利用率高，可以將多載波技術(shù)和擴(kuò)頻結(jié)合在一起，即多載波擴(kuò)頻技術(shù)，充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，提高通信效果[63]。OFDM技術(shù)與CDMA技術(shù)的結(jié)合被稱為MC-CDMA(多載波碼分多址)，還有上文中提到的MIMO技術(shù)與CDMA結(jié)合組成MIMO-CDMA系統(tǒng)，也是擴(kuò)頻技術(shù)的創(chuàng)新性發(fā)展。文獻(xiàn)[65]針對現(xiàn)有直接序列擴(kuò)頻碼分多址址(DS-CDMA)水聲通信數(shù)據(jù)率低且接收復(fù)雜度高的問題，提出循環(huán)移位擴(kuò)頻多用戶通信方法。通過基于M元調(diào)制的循環(huán)移位擴(kuò)頻技術(shù)來有效提高每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)率，相對DS-CDMA有著更高的帶寬效率。

4.3.2 全雙工水聲通信技術(shù)

傳統(tǒng)水聲通信基本采用半雙工的方式傳輸信息，通信兩端的節(jié)點(diǎn)可以雙向收發(fā)信息，但是不能同時(shí)，通信效率較低。為了滿足日益增長的水下信息交互需求，能夠同時(shí)、雙向傳輸信息，大幅提升信息交互效率，并且不占用額外頻帶資源的帶內(nèi)全雙工水聲通信技術(shù)(In-Band Full-Duplex, IBFD)正逐步成為當(dāng)前水聲通信領(lǐng)域的一個(gè)熱門課題[17]。目前，帶內(nèi)全雙工水聲通信技術(shù)尚不成熟，公開的報(bào)道以及文獻(xiàn)中尚未出現(xiàn)產(chǎn)品級帶內(nèi)全雙工水聲通信的工程樣機(jī)。但是傳統(tǒng)全雙工水聲通信已經(jīng)取得一些進(jìn)展，喬鋼教授團(tuán)隊(duì)[66]提出了基于矢量傳感器零點(diǎn)抑制和收發(fā)串漏干擾同步抵消方法的全雙工水聲通信技術(shù)，研制出國際上首款具有全雙工通信能力的單矢量水聲通信機(jī)，首次從理論和實(shí)踐兩方面證實(shí)了該方法的有效性，解決了傳統(tǒng)水聲通信收發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行的問題，提高了通信的即時(shí)性和網(wǎng)絡(luò)吞吐率，如圖5所示，該設(shè)備采用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和OFDM調(diào)制技術(shù)，分別在不同頻率上發(fā)送控制包和數(shù)據(jù)包，驗(yàn)證了全雙工水聲通信的可行性，該團(tuán)隊(duì)正進(jìn)行同時(shí)同頻全雙工水聲通信技術(shù)研究，進(jìn)一步提高通信效率。

圖5 全雙工水聲通信

4.3.3 仿生水聲通信技術(shù)

水聲信道的特性導(dǎo)致水聲通信容易受到非合作方的干擾和攻擊，使得保障通信的機(jī)密性和安全性成為水聲通信需要考慮的重要問題。目前隱蔽水聲通信的研究大致可以分為3類：低檢測概率(Low Probability of Detection, LPD)通信、低識別概率(Low Probability of Recognition, LPR)通信和低截獲概率(Low Probability of Interception, LPI)通信[67]。為了實(shí)現(xiàn)隱蔽水聲通信，傳統(tǒng)方法大多采用低檢測概率技術(shù)。這種技術(shù)采用擴(kuò)頻等方法將信號隱藏在海洋環(huán)境的復(fù)雜噪聲中，使其難以被檢測到，但此類方法在近聲源處信號強(qiáng)度依然較大[68]。與低檢測技術(shù)不同，仿生水聲通信是一種低識別概率通信技術(shù)，該技術(shù)利用海洋生物固有聲音或人工合成的模擬聲音作為通信信號，這些信號即便被探測到，非合作方也會將其判斷成海洋生物聲音而排除，以達(dá)到隱蔽通信[69]，仿生通信的應(yīng)用場景與方式如圖6所示。文獻(xiàn)[70]提出一種基于FSK的仿海豚哨聲水聲通信方法，為了實(shí)現(xiàn)水下隱蔽的通信，將通信信號偽裝成海豚的哨聲傳遞信息。宋忠長等人[71]研究了齒鯨生物聲吶工作原理，為水下仿生聲通信、探測和感知技術(shù)的發(fā)展提供新思路。文獻(xiàn)[72]提出一種仿鯨叫聲的偽裝聲吶通信波形的設(shè)計(jì)方法，成功實(shí)現(xiàn)仿生隱蔽通信。文獻(xiàn)[73]通過分析白鯨回聲定位脈沖串?dāng)?shù)據(jù)，建立參數(shù)可動態(tài)調(diào)整的仿生回聲定位信號模型。

圖6 仿生水聲通信

4.3.4 正交時(shí)空頻水聲通信技術(shù)

雖然OFDM技術(shù)具有頻帶利用率高、抗多徑傳播等優(yōu)點(diǎn)，且已經(jīng)在水聲通信中得到廣泛應(yīng)用，但仍存在著峰均功率比高、受多普勒效應(yīng)影響嚴(yán)重、頻譜泄漏等問題，在高速移動等場景中使用受限。正交時(shí)空頻(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)調(diào)制技術(shù)是由文獻(xiàn)[74]提出的新型調(diào)制技術(shù)，旨在解決高速移動通信系統(tǒng)中多普勒效應(yīng)和信道干擾對OFDM的時(shí)頻域造成嚴(yán)重影響的問題。與OFDM技術(shù)不同，OTFS通過將時(shí)變多徑信道轉(zhuǎn)換到時(shí)延-多普勒域調(diào)制信息。與OFDM系統(tǒng)相比，OTFS具有較低的峰均功率比，且能夠有效抵抗多普勒效應(yīng)，在高時(shí)延、高多普勒的信道條件下具備性能優(yōu)勢，在水下通信領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。文獻(xiàn)[75]提出一種基于OTFS技術(shù)的水聲通信方案，在不同多普勒因子和不同通信距離的信道條件下進(jìn)行仿真，比較OTFS系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)的誤碼性能，仿真結(jié)果表明在該場景下，基于OTFS的水聲通信系統(tǒng)誤碼性能優(yōu)于OFDM系統(tǒng)。目前，針對OTFS水聲通信的研究主要集中在波形設(shè)計(jì)、信道估計(jì)與均衡、接收機(jī)3方面，如何在性能和復(fù)雜度間取得平衡、如何降低水下通信環(huán)境中OTFS接收機(jī)復(fù)雜度、面向復(fù)雜水聲信道OTFS系統(tǒng)信道估計(jì)與信號檢測方法等都是十分值得關(guān)注和研究的問題，也是OTFS技術(shù)未來能夠廣泛應(yīng)用于水聲通信的關(guān)鍵。

5 水聲通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

水聲通信網(wǎng)絡(luò)(Underwater Acoustic Communication Network, UACN)是可以對信息進(jìn)行采集、處理、分類和壓縮，并可以通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以中繼方式回傳到陸基或船基等信息控制中心的綜合系統(tǒng)，具有大規(guī)模、自組織、動態(tài)性等特點(diǎn)。大規(guī)模體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布在比較大的海洋區(qū)域內(nèi)；自組織體現(xiàn)在水聲通信網(wǎng)絡(luò)能夠通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自主進(jìn)行配置和管理，形成自動轉(zhuǎn)發(fā)信息的水聲通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；動態(tài)性體現(xiàn)在水聲通信網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的動態(tài)變化。水聲通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究主要集中在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層與跨層設(shè)計(jì)等，上節(jié)介紹的水聲通信技術(shù)是物理層有關(guān)技術(shù)，這節(jié)主要介紹數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層與跨層設(shè)計(jì)。

5.1 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層是UACN的中間層，其工作目標(biāo)是使網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠公平有效地共享有限的帶寬資源，從而在提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時(shí)，降低數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延、碰撞概率和節(jié)點(diǎn)的功耗等。水聲通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)鏈路層主要研究方向是媒介接入控制(Media Access Control, MAC)協(xié)議[16]。MAC協(xié)議管理對通信介質(zhì)的訪問，如果不對傳輸介質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓芾?，?dāng)兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)包同時(shí)到達(dá)目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，就會發(fā)生碰撞，數(shù)據(jù)包碰撞造成的沖突會降低整體網(wǎng)絡(luò)性能。因此，MAC協(xié)議的基本目的是避免沖突，同時(shí)考慮網(wǎng)絡(luò)吞吐量、能效、可擴(kuò)展性和延遲等其他性能。

根據(jù)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的不同沖突避免策略，可以將MAC協(xié)議分為3類：固定分配類MAC協(xié)議、隨機(jī)競爭類MAC協(xié)議，及混合MAC協(xié)議，圖7給出了MAC協(xié)議分類及各分類中的典型協(xié)議。固定分配類MAC協(xié)議基本思路是對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)先進(jìn)行信道資源分配，節(jié)點(diǎn)只能在自己被分配的信道資源內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。隨機(jī)競爭類MAC協(xié)議則是當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，需要通過競爭獲得信道資源使用權(quán)，如遇到自身傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包與其他數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞，則需要按照一定規(guī)定重新傳輸數(shù)據(jù)包，直到數(shù)據(jù)包發(fā)送成功或者放棄發(fā)送。混合接入型MAC協(xié)議是對不同類型MAC協(xié)議的結(jié)合。

圖7 MAC協(xié)議分類

5.1.1 固定分配類MAC協(xié)議

固定分配類MAC協(xié)議將不同的頻帶、時(shí)隙或碼型等分配給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其3種基本類型為時(shí)分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)、頻分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)、碼分多址(CDMA)協(xié)議。

TDMA從時(shí)間的角度劃分水聲信道資源，將時(shí)間劃分為若干時(shí)隙，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在指定的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，可避免來自相鄰時(shí)隙的沖突。TDMA的保護(hù)時(shí)間與傳播延遲成比例，水聲信號傳輸時(shí)延的動態(tài)變化使TDMA的保護(hù)時(shí)隙要更長，從而導(dǎo)致吞吐量較低。TDMA協(xié)議可以進(jìn)一步分為2個(gè)子類別：集中式和分布式，關(guān)于集中式和分布式的分類如圖8所示。周鋒等人[76]設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)r(shí)隙進(jìn)行動態(tài)分配的改進(jìn)的分布式TDMA協(xié)議，并在仿真平臺下對其吞吐量、丟包率和端到端時(shí)延3個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明該協(xié)議能夠提高網(wǎng)絡(luò)的工作效率。文獻(xiàn)[74]以Super-TDMA協(xié)議框架為基礎(chǔ)，提出了一種利用時(shí)延與調(diào)度信息的改進(jìn)分布式算法。

圖8 TDMA協(xié)議分類

FDMA將頻帶劃分為若干個(gè)子帶，并為不同通信節(jié)點(diǎn)提供不同子帶。由于子帶帶寬可能小于傳輸信道的相干帶寬，F(xiàn)DMA容易受到衰落的影響；并且，因?yàn)樗曂ㄐ判诺蕾Y源十分有限，F(xiàn)DMA類協(xié)議占用大量的信道資源，所以不能單獨(dú)較好地應(yīng)用于大規(guī)模水聲通信網(wǎng)絡(luò)。

CDMA基于擴(kuò)頻技術(shù)允許多節(jié)點(diǎn)在整個(gè)頻帶上進(jìn)行傳輸，具有較大的傳輸帶寬，并且能夠同時(shí)區(qū)分在相同頻帶上傳輸?shù)男盘朳77]，可以有效地克服由水下多徑造成的頻率選擇性衰落問題。文獻(xiàn)[78]提出了M元能量檢測器算法和了混沌正交組合序列極大優(yōu)化了M元碼分多址系統(tǒng)接收機(jī)結(jié)構(gòu)和解碼運(yùn)算量。

5.1.2 隨機(jī)競爭類MAC協(xié)議

隨機(jī)競爭類MAC協(xié)議通過節(jié)點(diǎn)之間相互競爭獲取信道資源使用權(quán)，進(jìn)行介質(zhì)訪問，不需要資源的預(yù)分配。隨機(jī)競爭類MAC協(xié)議根據(jù)競爭方式不同可分為2大類：隨機(jī)接入?yún)f(xié)議和握手協(xié)議。隨機(jī)接入?yún)f(xié)議的主要代表協(xié)議有ALOHA協(xié)議、載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)等。握手機(jī)制是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間通過握手協(xié)調(diào)方法解決信道共享問題，典型的協(xié)議有：多路訪問(Multiple Access with Collision Avoidance, MACA)、利用保護(hù)時(shí)間的沖突避免協(xié)議(Slotted Floor Acquisition Multiple Access, Slotted FAMA)等。

ALOHA協(xié)議是隨機(jī)接入?yún)f(xié)議的典型代表，節(jié)點(diǎn)不必考慮信道是否被占用，只要有數(shù)據(jù)就進(jìn)行發(fā)送。如果接收端同時(shí)收到多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，則會發(fā)生沖突，需要重傳。水下高時(shí)延和時(shí)延的動態(tài)變化，導(dǎo)致ALOHA不如在陸地上效率高[79]。文獻(xiàn)[80]提出了沖突容忍的CT-ALOHA協(xié)議無需握手和同步，不受水聲環(huán)境中傳播延遲的影響，通過對發(fā)送數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)化編碼，使沖突數(shù)據(jù)包得以高效解析，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減小丟包率。

CSMA是另一種代表性隨機(jī)接入?yún)f(xié)議，當(dāng)偵聽到信道空閑時(shí)才發(fā)送數(shù)據(jù)，可以更好地利用信道資源[81]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水下通信中較高的時(shí)延會加劇隱藏終端和暴露終端的問題。時(shí)延增加會使得CSMA需要更長的時(shí)間來檢測沖突，因此在水下環(huán)境中，CSMA不是非常理想。文獻(xiàn)[82]提出一種基于CSMA的傳播延遲感知協(xié)議(Propagation Delay Aware Protocol, PDAP)，該協(xié)議旨在最大限度地利用帶寬，實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)對之間的交錯但可靠的通信。

MACA[83]是一種不使用載波偵聽感知的握手協(xié)議，信道協(xié)商通過3次握手直接完成。雖然握手機(jī)制能夠解決終端隱藏和暴露終端的問題，但是同時(shí)會使時(shí)延增加，帶寬利用率降低。文獻(xiàn)[84]在MACA-U協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了一種RS-MACA協(xié)議，該協(xié)議在負(fù)載較低時(shí)與MACA-U協(xié)議兼容；在負(fù)載較高時(shí)，鄰近節(jié)點(diǎn)可采用“并行發(fā)送”的方式發(fā)送，顯著提高了吞吐量性能。發(fā)射節(jié)點(diǎn)在信道預(yù)約等待時(shí)間內(nèi)，同時(shí)接受符合條件的鄰節(jié)點(diǎn)的發(fā)送預(yù)約，鄰節(jié)點(diǎn)不需要消耗額外時(shí)間進(jìn)行信道預(yù)約。完成預(yù)約的節(jié)點(diǎn)按照時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)射，避免了數(shù)據(jù)包的碰撞。

5.1.3 混合MAC協(xié)議

混合MAC協(xié)議結(jié)合了固定分配類和隨機(jī)競爭類等多類MAC協(xié)議進(jìn)行信道資源分配，旨在更好地發(fā)揮不同類型MAC協(xié)議的優(yōu)勢?；旌螹AC協(xié)議為了滿足通信性能要求，會一定程度上提高算法的復(fù)雜度，增加通信開銷。

HSR-TDMA是一種經(jīng)典的混合MAC協(xié)議，針對集群水下通信網(wǎng)絡(luò)提出了一種分簇的多通道MAC協(xié)議，其中簇內(nèi)通信采用TDMA技術(shù)，簇間通信采用CDMA技術(shù)。通信節(jié)點(diǎn)的分簇可以實(shí)現(xiàn)信道資源的空間復(fù)用，使網(wǎng)絡(luò)的可用性顯著提高，但是所有節(jié)點(diǎn)之間需要嚴(yán)格同步。為了兼顧固定分配和隨機(jī)競爭MAC協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，H-MAC協(xié)議，將單個(gè)時(shí)間幀劃分為2個(gè)時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)隙通過固定分配方案傳輸數(shù)據(jù)，為使協(xié)議適應(yīng)流量變化，在另一個(gè)時(shí)隙通過競爭接入信道。H-MAC具有避免沖突和適應(yīng)通信條件變化的能力，功耗較低，但也導(dǎo)致信道的浪費(fèi)。UW-MAC協(xié)議，該協(xié)議結(jié)合CDMA和ALOHA的思想，可達(dá)到較高吞吐量與較低延遲和能量消耗。

5.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要作用是解決數(shù)據(jù)包從發(fā)送端到達(dá)接收端的路徑規(guī)劃、流量控制和擁塞控制等問題，即路由問題，路由協(xié)議對于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包經(jīng)過中繼節(jié)點(diǎn)順利到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)至關(guān)重要。根據(jù)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)路徑數(shù)量，路由協(xié)議可被分為單路徑路由協(xié)議和多路徑路由協(xié)議。單路徑路由協(xié)議在傳輸數(shù)據(jù)包前選擇一條能夠通往目的節(jié)點(diǎn)的路徑，但如果路徑中間任一節(jié)點(diǎn)中斷，該路徑將失效，造成數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)失敗。由于單路徑路由協(xié)議在水下復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)度較差，故使用率較低。多路徑路由協(xié)議到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑不止一條，更適配水下環(huán)境。根據(jù)數(shù)據(jù)包的傳輸路徑是否固定，可將路由轉(zhuǎn)發(fā)策略分為傳統(tǒng)路由和機(jī)會路由。傳統(tǒng)路由轉(zhuǎn)發(fā)在開始數(shù)據(jù)傳輸前建立一個(gè)傳輸路徑，然后沿該路徑逐跳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，然而水下通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常是時(shí)變的，傳統(tǒng)路由具有路由建立時(shí)間長、維護(hù)困難并且轉(zhuǎn)發(fā)效率較低等問題[85]。機(jī)會路由是指在轉(zhuǎn)發(fā)候補(bǔ)節(jié)點(diǎn)集合中選取節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在信道中廣播轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選取信息，所有成功接收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)均有機(jī)會繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，該特性能夠提高水聲通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性與轉(zhuǎn)發(fā)效率。根據(jù)是否需要完成的定位信息，路由協(xié)議還可被分為基于定位信息的路由協(xié)議和不需完整定位信息的路由協(xié)議。在水下，目前尚不存在北斗、GPS這樣的全球定位系統(tǒng)，通常，水聲通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置信息并不容易獲得，在不具備水下定位系統(tǒng)的場景下，不需完整定位信息的路由協(xié)議更適用。本節(jié)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況介紹一些經(jīng)典的基于定位信息的路由協(xié)議與不需完整定位信息的路由協(xié)議。

5.2.1 基于定位信息的路由協(xié)議

在通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送任何數(shù)據(jù)之前需要網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的定位信息以及有關(guān)目的節(jié)點(diǎn)位置信息的路由協(xié)議稱為基于定位位置的路由協(xié)議[86]，因?yàn)樾枰蟛糠帜芰坑糜谑占恢眯畔?，這類協(xié)議通常能效較低。本節(jié)介紹幾種經(jīng)典的基于定位位置的路由協(xié)議用以說明本類路由協(xié)議的工作原理，分別是基于矢量的轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議(Vector Based Forwarding, VBF)，逐跳矢量轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議(Hop-by-Hop VBF, HH-VBF)，聚焦波束路由協(xié)議(Focused Beam Routing, FBR)、基于定向泛洪的路由協(xié)議(Directional Floodingbased Routing, DFR)。

VBF是一種基于定位的路由協(xié)議[87]，它假設(shè)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)攜帶其自身、目的節(jié)點(diǎn)和所有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的位置信息。利用源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的位置信息創(chuàng)建虛擬路由管道，如圖9所示，該節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包的每個(gè)頭字段中包括源節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的位置信息以及路由管道的范圍和半徑。VBF協(xié)議的主要優(yōu)點(diǎn)是通過允許特定轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)參與虛擬路由管道附近的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)來減少網(wǎng)絡(luò)流量；主要缺點(diǎn)是，如果路由路徑中存在空白區(qū)域，該協(xié)議無法找到將數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，數(shù)據(jù)包將被丟棄[88]。文獻(xiàn)[89]中提出的HH-VBF協(xié)議是VBF的擴(kuò)展，其中每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)都計(jì)算其朝向接收節(jié)點(diǎn)的矢量，以便使用多個(gè)虛擬管道將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)。與VBF協(xié)議相比，HH-VBF可能會由于單跳計(jì)算量較大，增加端到端時(shí)延。

圖9 VBF協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)原理

聚焦波束路由(FBR)[90]是一種無需定位的路由協(xié)議，發(fā)送節(jié)點(diǎn)需要自身和目的節(jié)點(diǎn)的位置信息，協(xié)議中的數(shù)據(jù)傳輸使用多個(gè)功率傳輸級別，提高了路由魯棒性。該協(xié)議的特點(diǎn)是以特定的角度錐體對請求發(fā)送(Ready-To-Send, RTS)數(shù)據(jù)包進(jìn)行多播，如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)未收到允許發(fā)送(Clear-To-Send,CTS)的消息，則會將發(fā)送功率級別增加，在達(dá)到最大功率水平且未找到鄰居后，角度向左或向右移動以覆蓋整個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)原理如圖10所示。

圖10 FBR協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)原理

DFR[91]是基于位置的路由協(xié)議，協(xié)議中數(shù)據(jù)包使用泛洪機(jī)制到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。在該協(xié)議中，假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道其自身、單跳節(jié)點(diǎn)和最終目的節(jié)點(diǎn)的位置，如圖11所示，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包要發(fā)送時(shí)，它會將數(shù)據(jù)包泛洪到接收節(jié)點(diǎn)。然而，為防止分組泛洪到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，潛在的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)必須處于泛洪區(qū)域內(nèi)。泛洪區(qū)由FS和FD之間的角度決定，其中S是源節(jié)點(diǎn)，D是目的節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)是接收節(jié)點(diǎn)，通常是匯節(jié)點(diǎn)。DFR協(xié)議的主要優(yōu)點(diǎn)是，它通過允許最少1個(gè)節(jié)點(diǎn)參與數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)來解決無效問題，主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)發(fā)角度不易確定且能耗較高。

圖11 DFR協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)原理

5.2.2 不需完整定位信息的路由協(xié)議

與基于定位信息的路由協(xié)議不同，基于深度信息的路由協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不需要其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的完整位置信息，只考慮節(jié)點(diǎn)的深度。本節(jié)介紹幾種較為典型的基于深度信息的路由協(xié)議，分別是：基于深度路由協(xié)議(Depth Based Routing, DBR)、節(jié)能的深度路由協(xié)議(Energy Efficient Depth-Based Routing, EEDBR)以及定向深度路由協(xié)議(Directional Depth Based Routing, D-DBR)。

DBR協(xié)議在文獻(xiàn)[92]中被提出，該協(xié)議不需要獲得完整的位置信息，路由決策依賴于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的深度值，深度較高的節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)缴疃容^低的節(jié)點(diǎn)，以此完成從深到淺的數(shù)據(jù)包傳輸。該協(xié)議存在一些不足，首先，在稀疏網(wǎng)絡(luò)中，它的性能不佳，可能會出現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)空洞區(qū)域的問題；其次，靠近接收節(jié)點(diǎn)或者說深度較淺的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)因過度轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致能量消耗殆盡等原因失效。

為解決DBR協(xié)議中深度較淺節(jié)點(diǎn)能量消耗過多的問題，提出了EEDBR協(xié)議，該協(xié)議綜合考慮剩余能量和深度來選擇最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，在相鄰節(jié)點(diǎn)中深度值最小且剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)成為下一跳目的節(jié)點(diǎn)。EEDBR的主要缺點(diǎn)是沒有為多路徑通信定義機(jī)制。

D-DBR協(xié)議是文獻(xiàn)[93]中提出的一種基于無定位接收節(jié)點(diǎn)的路由協(xié)議，它也是DBR的擴(kuò)展，其中數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)使用對角線距離的方法。該算法在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制中使用到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival, ToA)測距技術(shù)，而在路由指令中使用帶有角度保持時(shí)間的保持時(shí)間函數(shù)。該協(xié)議的主要缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到空洞區(qū)域節(jié)點(diǎn)沒有設(shè)置后退機(jī)制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)密度較低時(shí)數(shù)據(jù)包送達(dá)率不佳。

本節(jié)中提到的所有路由協(xié)議的特點(diǎn)與主要缺點(diǎn)歸納如下，如表2所示。

表2 路由協(xié)議的特點(diǎn)與主要缺點(diǎn)

5.3 跨層設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧采用層次化的架構(gòu)，每一層擁有相對獨(dú)立的功能，每層協(xié)議都聚焦解決某些特定的問題，并向更高層提供服務(wù)。這種層次化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)方便了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、維護(hù)和擴(kuò)展。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的增長與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜度提升，分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就需要處理更多甚至過量的工作。此時(shí)，傳統(tǒng)分層協(xié)議設(shè)計(jì)的局限性就顯露出來，因?yàn)闊o法直接調(diào)度其他層的信息參數(shù)，只能通過相鄰兩層之間的通信傳遞需要的信息，這會導(dǎo)致時(shí)延增加，從而降低系統(tǒng)效率，并使得協(xié)議棧無法充分利用有限的頻譜資源和功率資源[94]。隨著傳統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)的弊端逐漸暴露，跨層設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)逐漸體現(xiàn)。

在水聲通信網(wǎng)絡(luò)中，跨層設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層之間。物理層可為其他層提供發(fā)送功率、誤比特率和調(diào)制編碼方式等參數(shù)，數(shù)據(jù)鏈路層的共享參數(shù)有目前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀長度、數(shù)據(jù)傳輸開始和結(jié)束的時(shí)間等。因此，通過利用這些物理層的信息參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)接入控制機(jī)制，能夠改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)吞吐量和端到端時(shí)延方面的性能。在網(wǎng)絡(luò)層與物理層之間進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)時(shí)，物理層提供的諸如信道時(shí)延、能量衰減、丟包率等信道狀態(tài)信息，可以作為網(wǎng)絡(luò)層路由選擇的基礎(chǔ)，進(jìn)而對路徑進(jìn)行最優(yōu)選擇，達(dá)到節(jié)省功率、最小化傳播時(shí)延、最大化吞吐量等目標(biāo)[95]。通過跨層設(shè)計(jì)，能夠使網(wǎng)絡(luò)中不同層之間進(jìn)行信息交換、聯(lián)調(diào)優(yōu)化，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)資源高效均衡的分配，提高網(wǎng)絡(luò)整體的工作性能。

文獻(xiàn)[96]中提出了一種水聲通信網(wǎng)絡(luò)的模塊化跨層協(xié)議，該協(xié)議建立在水下路由協(xié)議和MAC協(xié)議[84]的基礎(chǔ)上，并且優(yōu)于按照經(jīng)典分層方法單獨(dú)開發(fā)的協(xié)議。該方案依賴于分布式優(yōu)化問題來聯(lián)合控制路由、MAC和物理功能，以便在水下環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高效通信，同時(shí)結(jié)合了3D地理路由算法(路由功能)、用于接入帶寬受限的高延遲共享聲學(xué)介質(zhì)(MAC功能)的基于混合分布式CDMA/ALOHA的方案，以及用于聯(lián)合選擇調(diào)制、FEC和發(fā)射功率(物理層功能)的優(yōu)化解決方案。文獻(xiàn)[97]研究了雙通道水聲通信系統(tǒng)的跨層結(jié)構(gòu)，采用雙通道結(jié)構(gòu)，使得控制與數(shù)據(jù)的傳輸模式相互分離，并針對不同的傳輸特性與需求，實(shí)現(xiàn)信道的最優(yōu)配置。在此基礎(chǔ)上，提出了物理層與LLC層的聯(lián)合設(shè)計(jì)，以及網(wǎng)絡(luò)層與MAC層的聯(lián)合設(shè)計(jì)。這種模式對層次的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新規(guī)劃，采用了降低系統(tǒng)層次、聯(lián)合設(shè)計(jì)和跨層次交互的方法，對系統(tǒng)內(nèi)存的使用進(jìn)行再優(yōu)化。

6 總結(jié)與展望

水聲通信與組網(wǎng)一直是水下信息無線傳輸?shù)难芯繜狳c(diǎn)。雖然受信道非理想特性影響，水聲通信與組網(wǎng)技術(shù)需要克服諸多問題，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，水聲通信在可靠性和有效性方面已經(jīng)獲得長足進(jìn)步，目前網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展也如火如荼。針對水聲信道的特點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者提出了一系列水聲通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和方案，致力于構(gòu)建穩(wěn)健、可靠、高效的水下通信網(wǎng)絡(luò)。國內(nèi)的水聲通信及網(wǎng)絡(luò)研究工作雖然開展較晚，目前正逐漸縮小與其他國家地區(qū)的差距，部分成果性能已達(dá)到國際領(lǐng)先水平。但需要認(rèn)識到，水聲通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仍存在不少問題需要解決，不少難關(guān)需要攻克。

前文已經(jīng)講過，水聲通信與組網(wǎng)從本質(zhì)上來說是無線通信與組網(wǎng)的一種，而水聲通信組網(wǎng)與有線通信組網(wǎng)或者其他無線通信組網(wǎng)，最大的差異之一，同時(shí)也是最大的難點(diǎn)之一，就是時(shí)空頻變的水下復(fù)雜的聲信道環(huán)境。深水淺水、水平垂直、固定移動等因素都會使信道對水聲通信組網(wǎng)造成不同的影響。盡管現(xiàn)在看來還很難做到在任一條件都預(yù)測或計(jì)算出精準(zhǔn)的信道，但如果能將信道歸納成一套由若干典型模型組成的標(biāo)準(zhǔn)信道庫，可以大力推動水聲通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。

評價(jià)通信系統(tǒng)通常采用有效性和可靠性作為質(zhì)保，這兩者相互聯(lián)系且矛盾，人們希望在獲得高有效性的同時(shí)也獲得高可靠性，但現(xiàn)實(shí)中往往要在二者中做出平衡，這就體現(xiàn)了自適應(yīng)的重要性。同樣，水聲通信及組網(wǎng)在面向應(yīng)用時(shí)呈現(xiàn)出的一大特點(diǎn)是沒有哪種物理層通信方式、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠騾f(xié)議等能夠滿足所有應(yīng)用場景，物理層水聲通信實(shí)驗(yàn)通常采用前文寫到的通信距離與通信速率乘積來衡量有效性，這個(gè)指標(biāo)還有一個(gè)隱含條件，即誤碼率應(yīng)在較低水平，這用來衡量的是可靠性。雖然通信距離與通信速率乘積在近二三十年已提升十余倍，水聲通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與性能也有了大幅發(fā)展，但與能滿足全部場景或多個(gè)場景的自適應(yīng)水聲通信組網(wǎng)尚存較大距離。這就需要我們在加深對應(yīng)用需求和通信組網(wǎng)認(rèn)知的基礎(chǔ)上，開展基于人工智能等技術(shù)的自適應(yīng)水聲通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究。

此外，研制小型化、低功耗、通用性強(qiáng)的水聲通信機(jī)；制定標(biāo)準(zhǔn)化的水聲通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或協(xié)議棧；開發(fā)高保真的水聲通信及網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境或軟件；實(shí)現(xiàn)可用于UUV等水下移動平臺的水聲通信及組網(wǎng)；實(shí)現(xiàn)水聲通信、探測、定位、導(dǎo)航一體化等工作，都是非常具有研究意義和應(yīng)用價(jià)值的。