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1、深海快速通信技术分析与应用前景 李站 , 陈金鹰 (成都理工大学信息科学与技术学院 , 成都6 1 邸9 ) 糟 波劝言 要 : 介绍深海快速通信现状的前提下 , 分析了深海快速通信的三种方式 , 声纳通信 、无线电波通信、声 , 重点阐述了近几年深海通信所用到的关键技术 , 如水声信道编码技术 、 自适应均衡技术 、时反通信技 术 。 研究认为深海快速通信技术在军事 、 探测 、预防 自然灾害等方面都会起到很好的作用。 关健词 :深海快速通信;声纳;水声通信 1 引言 1 92 0年荷兰科学家发 明了人类历史上第一 艘潜水船 , 当时可下潜的深度是 3至5 米 , 到了2 0 世纪中后期 ,
2、 世界上潜水器的下潜深度有了巨大 发展 , 19必年美国制造的 “ 阿尔文 ” 号载人潜水器 可下潜至 4 5 0 0米 , 1 98 9年日本制造的载人潜水器 下潜至6 5 2 7米 , 创造了载人潜水器深浅的记录 。 2 0 1 1 年7月 2 6 日 , 中国首 台自己设计 、 自主集成 的载人潜水器 “ 蛟龙 ” 号(图l )下潜至 50 38 . 7 米 , 开创我国深海探索的新纪元川 。 随着人类在海洋 中下潜深度的增加 , 深海快 速通信也成为了人类必须解决的问题 。 人类目前 的通信技术不仅可以在喜马拉雅山的最高峰上打 电话 , 还能够在国际空间站进行通信 , 但是网络化 的信
3、息上天容易下深海难 , 直到若干年前 , 海底 10 0 米以上 的潜艇只能每巧分钟传送三个字符 的无线电信号与地面进行交流 幻 。 所以深海快速 通信问题是进行深海探测不能回避的问题 。 图1 2 深海通信的方式 在近些年来 , 美国海军是发展深海通信非常 积极的国家之一 , 由洛克希德 马丁公司打造的一 个新项目一 “深海快速通信系统” (Co l n m u n ic at10ns a ts衅d a n d D ept h )把深藏海底的核潜艇与美国国 防部的全球信息网络连结起来 , 首次实现潜艇与 陆空的双向通信交流 。 目前深海通信的方式有声 纳通信 、 无线电波通信 、 水声通信等
4、 , 前两种通信 方式在军事上运用比较广泛 z , 3 。 2 . 1 声纳通信 声音在空气中的传播速度约为夕旧化了 s , 而在 水 中可达到 143 5 耐 s , 这种水下通信声纳设备主 要用子深海中潜艇集群活动或配合其他兵力通信 联络 , 它向水中发射长短不一的声波信号 , 组成电 报的密码或将语言和声波相互转换来通话 z j 。 2 . 2 无线电波通信 由于短波在水中衰减的太快 , 短波在水 中是 不能使用的 , 为了解决此问题 , 就采用把天线通过 一根很长的绳索托放在水面上 , 做成浮标天线 , 这 样潜艇在水下也可以发射信号与地面取得联系 。 其实在军事上此种做法会使潜艇 自
5、我暴露 , 但是 目前如果潜艇在水下不施放浮标天线 , 潜艇只能 被动地单方面接收岸上的无线电超长波信号或极 长波信号 , 是无法主动与岸上进行通信的 。 这种通信技术有如下的缺点 : l )传输能力较低 , 上世纪七十年代 , 美国军方 建立的 “海员” 系统 z , 信息传输速度也只是 10 bi口 m 的信息量 。 在其基础上改进而来的 “ 紧缩 ” 无线 电传输系统 , 几十分钟只能传输一个三字符组 , 采 用高度压缩技术后 , 可用发送较多的报文 。 2)支持此技术设备体积比较大 , 天线也比较 长 , 在军事上 , 目标被发现的可能性就比较大 , 容 14 7 . 易遭到敌方破坏
6、。 3 )传输信号周期较长 、速 度慢 , 水下舰艇只能 单方向接受信号 , 不能主动发送信号 。 因此 , 为了 要把信号发出去 , 必须要浮出水面 , 这样就会暴露 目标 , 不仅发送的信号会被拦截 , 还可能被攻击 。 2 . 3 水声通信 目前海洋军事中最重要和关键的技术是水声 通信技术 , 它是一种水下 收发信息的技术 。 水下 通信是非常困难的 , 主要是由于通道的多途径效 应 、时 变效应 、可用 频带窄 、信号衰减严重, 在长距 离传输中这种现象就更为明显 。 图 2给出了水声 通信系统的原理方框图 。 图2 水声通信系统的原理方框图 3 深海快速通信技术分析 目前在海水 中进
7、行通信的有载体有电磁波 、 激光 、 声波 , 但是前两种载体不适合深海通信 , 因 为电磁波在海水 中有严重的衰减 , 不能达到很深 的距离 。 蓝绿激光在水中的衰减系数很低 , 可以 支持一千米以内的高速率数据传输 , 再远的距离 速率就会降低 , 而声波在水中可以传播数十公里 , 因此 , 作为唯一能进行深水远距离信息传输的载 体 , 水下潜水器需要依靠水声来完成与母艇 的通 信 , 水声通信作为水下通信最常用的方式 , 一些关 键技术需要深人研究才能使深海快速通信达到更 好的效果 。 3 . 1 水声信道编码技术 由于水声信道受 到水下环境复杂 多变的影 响 , 从而具有较窄的带宽 ,
8、 因此如何充分利用信道 编码是今后研究的方向之一圈 。 早期的水声通信 系统采用模拟调制技术 , 但这些模拟通信系统的 功率利用率不高 , 7 0年代后电子技术和通信技术 的发展带动了水声技术的迅速发展 , 近年来 , 为了 达到高速率的传输 , 幅移键控(AS K) 、 频移键 控 (乃K)和差分相移键控(玲K)被广泛应用 。 在更好的算法提出来 之前 , MF SK 被认 为是 克服水声信道多途扩展 的唯一方式 , 近几十年来 非相干通信 M鹅K一直占水声通信的主要地位 。 然而非相干通信 M鹅K 对于水声通信码间干扰的 处理方法是尽量避免 , 而不是主动消除 , 所以传输 速度和带宽的矛
9、盾使这种通信方式不适合对速率 要求高的场合 。 尽管如此 , 在传输速率不是很高 而且又想获得高性能的情况下 , 非相干 M邓K 仍 然是一种选择 。 近年来数字通信中较流行的一种并行传输技 术是正交频分复用(oF D M)技术 3 . 4 。 OFDM技术 既有较高的频谱利用率 , 能有效地降低码速率 , 也 能在不使用复杂 的信道均衡技术的条件下仍能较 好地克服接收时由多径效应带来的码 间串扰 , 能 够将包括语音 、数据、 图像等大量信息的多媒体业 务通过宽频信道高品质的传送出去 。 图3 自适应 均衡器原理图 148 3 . 2 自适应均衡技术 均衡主要用于消除码间干扰 , 其主要机理
10、是 对信道或整个传输系统进行补偿 。 在 2 0世纪七 八十年代 , 自适应均衡技术得到发展 , 目的是在有 线信道和无线电信道实现高速单载波串行传输 , 该技术已经广泛应用于卫星和无线电通信系统 , 用来解决信道的多途干扰 。 水声信道也借鉴采用 这种方法 , 来消除严重的多途干扰 。 深海垂直信 道是近似理想 的信道 , 自适应均衡技术在深海垂 直通信中得到了较好的应用效果 。 自适应均衡器 的原理图为图3 3 。 3 . 3 时反通信技术 时反通信技术在2 0世纪9 0年代中期 由 M . Fi n k 率先提出 , 随后时反通信技术 被广泛应用于 各种领域 , 在水声通信中 , 应用时
11、反通信技术解决 未知的水下复杂环境 , 易造成多径效应而导致的 码间干扰以及海洋中各种噪声的影响 , 从而大大 简化了水声通信信号的处理复杂度 , 避免了复杂 的信道自适应均衡 、 窄波束通信等 。 它的原理是 , 对于复杂的多途传播环境 , 不必 了解其传输特性 , 只要对接收基阵实际接收的声场数据按时间反转 形式重发 , 则在声源处就会形成声能的聚焦 , 聚焦 区的尺寸可达到波长的几分之一 。 由于时间反转 相当于频谱取共扼 , 所以 , 时反通信有时也称为相 位共扼通信 。 时反通信技术的工作流程为 : 首先在基站接 收端估计信道冲击响应 , 然后得到信道冲击响应 的时间反转的共扼形式
12、, 最后用信道 冲击响应的 时间反转的共扼形式作为预处理器的传输函数 , 如图4所示 。 hk . 编码调制器 k 解调译码器 k 输出端 输入端 L一卜! 队 . 图4 一口 巾 i表示 信道冲击响应的时 间翻转形式 一 一 一 h、i表示信 道冲击响 应 时反通信工作过程 4 应用前景 地球表面的7 2 %是海洋 , 蕴藏着丰富的自然 资源 。 许多的国家都对海洋研究投人巨资 。 但是 对海洋的研究还存在着很多的难题 , 其中深海快 速通信就是诸多难题之一 。 实现深海快速通信对 于国家的经济和军事实力都将会是一个质的飞 跃 。 4 . 1 在海洋资源探测中的应用 深海快速通信技术可以用于
13、对于海洋资源的 勘探和开发 。 未来中国石油储量增长的主要领域 在西部和海上 。 另外 , 南沙海域石油资源丰富 , 根 据初步估算石油可采量约为 10 0 亿吨 , 其中 7 0 % 在中国海洋边界以内 ” 。 海上油田有其特殊性 , 石油会在海床下流动 , 早开发者会得益更多 。 深 海快速通信技术可以把深海底的地貌和地质状况 以图像的形式传送上来 , 这样能提高探测效率 , 减 少探测成本 , 所以实该技术会对中国未来 的经济 发展起到巨大的作用 。 4 . 2 在军事上的应用 在海军方面 , 应用于潜艇无线快速通信 , 能真 正实现系统自动化 , 这将大大提高海军的作战能 力 。 2
14、0 1 1 年 8月r o 中国第一艘改装的瓦 良格号 航母开始试航 , 发展深海通信技术使潜艇与母舰 之间的通信更加安全快捷 , 使 中国海军的作战能 力更加强大 , 紧张的南海局势得到缓解 , 中国的领 土的防卫得到巩固 。 深海快速通信在渔业方面也具有广阔的发展 空间 , 在地面移动网覆盖不到的深海 , 利用深海快 速通信技术 , 可 以实现渔船与中心台 、 渔船与渔船 之间的通信 , 包括语音指令 、 信息互通和遇险报 警 。 渔民还有望实现远程管理海洋渔场 , 增加 收 人 。 此外 , 深海快速通信的实现还可以用来监测 149 温度和电流的变化 , 及早地对地震和海啸进行预 警 。
15、 2 0 1 1 年 3 月 1 1 日 , 日本发生里氏8 . 9级地 震 , 震中位于宫城县以东的太平洋海域 , 这次地震 的死亡人数也有一万多人 v 。 如果该技术能够实 现 , 并应用到深海地震的预测中 , 日本的这次地震 的损失将会大大减少 。 所以深海快速通信技术在 将来可以用于预防自然灾害 , 减少人类因自然灾 害而带来的损失 。 5 结束语 目前 , 深海快速通信技术还是一门迅 速发展 的学科 , 实现深海快速多媒体通信是海洋科技界 多年来追求的一个目标 , 人们希望在水下也能像 在陆地一样快速地传输语音 、 图像 、文字及 数据 。 相信随着科技的进步 , 研究的深人开展 ,
16、 科技工作 者的积极努力 , 这一目标一定能早日实现 。 参考文献 川 蛟龙号潜水器潜至50 5 7米 三位潜航员参与 EB/ 0LI2 011一价 一2 6 . l lttp; 刀 . 明 . 切口“盯加n价2 6/ (D眨仃7 . h加 幻李雨 , 千山雪 . 深海快速通信系统【 EB/OL 2 01 0 一 价 一19 . 3 张璐 . 水声相干通信与自适应均衡技术研究 D . 2以 刀 一 仍 一19 . 4 熊兴中 , 胡剑浩 . 时间反转技术在无线通信抗干扰 中的应用时间反转技术在无线通信抗干扰中的应 用 z . 2( X )8 一5一2 0 . 5 中国海 上 石 油勘探业发展趋势与策略研究报告 【2 . 2 仪拓 一 0 7 一 2 6 戒中:刀 . chin a Ccm . C佣M铭/ 铭21/4 8210 3/ n e侠厂绷为m 2 6 /17公协3 . 朗p 6 通信技术 EB/ o L 2以分 一 1 2 一 1 8 b t t P : 刀 .
