水下通信技术最新发展动态研究

2018-01-05 15:20:06

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引 言

占据地球三分之二表面积的海洋是人类探索和研究的最前沿的领域之一。水下无线通信是实现海洋观测系统的关键技术。在军事领域,未来水下战要求潜艇/无人潜航器能与水下、水面、空中有人/无人系统协同作战,对水下通信技术提出了更高要求。

但海洋环境各种复杂因素使水下通信存在诸多技术难题,水下通信一直滞后于地面、空中和空间通信。为弥补这一差距,以美、日、俄为首的多个国家一直在致力发展水下通信技术,在水声通信、电磁波水下通信、蓝绿激光水下通信等技术上取得不少突破性进展。此外,又开发了水下量子通信、磁感应通信等新型水下通信技术。

尤其美国,近年来在水下声通信基础技术领域取得了丰硕的成果,编码技术、信道均衡技术、纠错及安全传输方面均取得重大进展,同时在水下电磁通信、光通信等非传统基础技术领域也开展了大量的研究工作。这两年,美海军和DARPA等军事部门针对实际作战场景,在水下声通信、无线电通信、光通信等领域均部署了重大应用项目,未来很可能突破水下通信和跨域通信的瓶颈。

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水下无线通信技术概述

水下通信一般是指水上实体与水下目标(潜艇、无人潜航器、水下观测系统等)的通信或水下目标之间的通信。水下通信主要应用声波、低频无线电和光波作为信息载体。

水声通信具有远距离传输的优势,被视为水下通信的主要手段,但水声信道时变、噪声高、多途干扰严重,通信速率低,最高只能达到几十kb/s。

与水声通信相比,水下电磁波传播速度更快,信道条件更好,但信号衰减严重,通信距离小于100m,不能满足远距离水下组网的要求,且发射功率高、天线体积庞大。

水下光通信利用激光载波传输信息。由于波长450nm~530nm的蓝绿激光在水下的衰减较其他光波段小得多,因此蓝绿激光可作为窗口波段应用于水下通信。蓝绿激光通信的优势是拥有几种方式中最高的传输速率,在超近距离下,其速率可达100Mb/s,其他优点还有接收天线较小。缺点是信号衰减同样严重,且对介质清澈程度要求较高。

水下通信应用方向主要有:

• 潜水员、无人潜航器(AUV)、水下机器人等水下运动单元平台间的信息交换;

• 海岸检测、水下节点的数据采集、导航与控制、水下生态保护监测等三维分布式传感网应用;

• 水下传感网、水下潜航单元与水面及陆上控制或中转平台间的通信。

由此可见,水下通信技术在民用、科研及军事领域中前景广阔。由于水下复杂的时空环境、通信系统的有效信息传输率往往成为瓶颈,与不断增长的水下通信需求形成矛盾。例如,潜航器的控制需要100b/s以上的数据率,水下传感组网的数据率需求将超过8kb/s,而传输声音、图像信息则需要更高的数据传输速率。因此,寻找更快速的无线通信技术成为水下通信研究领域的核心目标之一。

水下磁感应通信、水下中微子通信和引力波通信就是人们不断探索发掘出的新型水下通信技术,具有更优良的性能潜质。磁感应通信是采用磁场为载体,通过改变磁场强度进行信息传输,水下磁感应通信具有隐蔽性强和传输速率高等特性优势;中微子波束可以在任何物质里以光速独往独来,水下中微子通信保密性极强,衰减极小,可让相距遥远的两艘潜艇实施不间断的通信连接,让在深海任意深度活动的潜艇直接与陆上的指挥中心联系,在未来将有重要的战略用途,尤其在有线通信受到破坏、无线通信又遭受强烈干扰的情况下;引力波是一种以光速传播的横波,具有很强的穿透力,没有任何物质能阻挡住引力波的传播,在水中传播距离超过1000km,将是大有发展前景的未来水下通信技术。

各种水下通信技术性能优劣比较见表1。

表1 各种水下通信技术比较

 

近两年来,业界和军事部门在水声通信、光通信、射频通信等传统水下通信领域的研究不断取得突破性进展:美军探索特低频/甚低频(ULF/VLF)水下通信技术新实现方法;美国业界在实验室环境下实现了隐秘性很强的水下磁感应通信;2017年我国成功完成了海水量子通信实验,首次验证了水下量子通信的可行性通信距离可达数百米,向未来建立水下及空海一体量子通信网络迈出重要一步。

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水声通信技术出现突破性进展

作为主要的水下通信方式,水声通信的技术难度很大,核心问题就是由水声信道的时变性和空变性所带来的强干扰问题,需采用有效的多普勒补偿措施,确保低误码率,提高传输速率和通信距离,用于军用目的还要考虑信息传递的安全和多址接入等问题。

水声通信传输速率较低,短距离为几百kb/s,远距离速率更低。当前美军现役水声通信设备传输距离可达数千米,仅能传输语音信号,且易被敌方声纳侦察设备探测到,目前通常作为水下远距离通信的辅助手段使用。另外水声通信技术国际上缺乏统一的行业标准,不同研发单位的产品之间互操作性差,制约了行业的发展与合作。

2017年水声通信技术出现突破性发展,通信速率提高,通信距离增大,并颁布了首部水声通信标准。

(1)韩国水声通信技术现传输距离突破

2017年5月,韩国水下声通信技术试验实现传输距离突破,水深100米通信距离达到30千米,比现有技术传输距离提高了2倍以上。

(2)美国伯克利实验室研发轨道角动量复用技术,实现深海水声通信速率8倍提升

2017年6月,美国劳伦斯•伯克利国家实验室完成螺旋声波多路复用技术陆上实验,验证了声波信号高效并行传输技术可行性,实现通信速率8倍提升,为破解远距离水声通信速率低的难题提供了新途径。

水声通信(特别是200米及以上距离)的可用带宽限制在20KHz以内的频率范围,这种低频限制了数据传输率,只能达到每秒几十kb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中的多路复用技术理念,将多路复用轨道角动量首次应用于声学通信,在单个频率上包装更多的信道,显著提高了信息传输速率。

这项研究在高速声学通信方面具有巨大潜力。这项技术一旦应用,可成倍提高水声通信容量,在海洋表面以下原本只能发送文字信息,而扩充容量后甚至可以传输高清电影。该创新方案将惠及潜水员、海洋调查船、远程海洋监测器、深海机器人,为潜艇、无人潜航器等武器装备水下通信能力带来大幅跃升。

(3)北约推出首个国际层面认可的水下通信协议

北约于2017年5月2日推出首个国际层面认可的水下通信协议——JANUS协议。

JANUS协议实际是一套将信息编码为声音的方法,可以很方便地整合进军用或民用、北约或非北约系统中,用于反潜战、反水雷战、海上保卫及搜救等行动。该协议的采纳将改变不同国家、制造商的水下系统无法兼容的现状。

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美军启动“机械天线”项目,研发新型ULF/VLF水下通信技术

水下低频射频通信虽然能实现长距离通信,但其发信台站十分庞大,天线极长,抗毁能力差。1000公里波长的超长波电台,一般都用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电台天线横亘135公里。

为此,美DARPA欲采用新的方法,研究使用数百赫兹~3千赫兹的特低频(ULF)电磁波和3~30千赫兹的甚低频(VLF)电磁波在水下传输信号,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信号发射机,单兵在陆上、水中、地下均可携带。

AMEBA项目研发经费约为2300万美元,按计划应于2017财年第3季度正式启动,共分为三个阶段,第一阶段为期18个月,第二阶段为期15个月,第三阶段为期12个月,将在大约4年的时间里推出产品。

传统发射机依靠功率放大器电路产生振荡电流,然后将电流馈入天线发射电磁波信号。与此不同,AMEBA项目研发的发射机由带有强电场或强磁场的特殊材料的机械振动产生电磁波,比如利用磁棒或驻极体按特定速率反复移动产生ULF/VLF射频信号。该发射机有两个输入端口,一个是供电端口,另一个是原始数据端口。采用功率射频电路、匹配网络、机械振动驱动、电磁波发射材料、天线结构、热管理组件、封装与加固结构等关键技术,在目标频带产生电磁波,并将原始数据调制到射频载波上。

AMEBA项目研发的ULF/VLF发射机具有体积小、重量轻、功耗低等优点,可装备潜艇、无人潜航器、浮标、蛙人等,提高水下远距离通信能力。

然而,这项技术目前面临一系列挑战,包括如何用体积较小的部件产生强大的磁场和电场,同时功率需求要低于此前VLF及ULF发射器需要的功率。解决这些问题需要化学与材料方面的创新(新的磁体和永电体)、设计方面的创新(材料的形状和结构)以及机械工程方面的创新(相关磁体和永电体机械运动生成RF信号的方法)。

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世界上首个海水量子通信实验获得成功,水下通信或将取得突破

与目前成熟的通信技术相比,量子通信优越性明显,具有保密性强、大容量、远距离传输等特点,不仅在军事、国防等领域具有重要的作用,而且会极大地促进国民经济的发展,被认为是未来通信技术的发展方向。

量子通信的天然安全性满足水下军事通信的基本要求。相较于甚低频、特低频以及水声通信,量子通信传输机制不受海洋时间、频率弥散严重的非平稳传输链路特性影响,也不受限于海流、内波、海洋生物等干扰噪声综合影响,且传输速率远远高于甚低频、特低频以及水声通信手段。

目前,中国团队已验证了基于海水的量子通信理论上可行。2017年9月,上海交通大学金贤敏团队成功完成了首个海水量子通信实验,观察到了光子极化量子态和量子纠缠可在海水中保持量子特性,其水下量子通信距离可达900米。

该实验意义重大,在国际上首次验证了水下量子通信的可行性。除了主要用于潜艇通信外,水下量子通信技术还可以用于海底光缆通信、联合作战的空海一体通信以及蛙人特战通信和水下救援、水下作业通信等方面。

虽然目前只是朝水下量子通信迈出了第一步,离实用化的水下、空海一体量子通信网络还有一段距离,但可以肯定,一旦水下量子通信实现工程化,通信距离和安全性都能获得质的提升,无疑将极大地强化对潜艇的指挥控制,并颠覆未来的海战模式。

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业界和军事部门持续研究水下蓝绿激光通信技术,日本取得突破性进展

蓝绿激光水下通信利用波长为450~530纳米的蓝绿色光在水下衰减较小的原理,具有海水穿透能力强、数据传输速率快、方向性好、设备轻巧且抗截获和抗核辐射影响能力好等优点,得到快速发展和广泛研究业界和军事部门一直在持续研究。

激光对潜通信有星载、陆基和机载三种工作方式。星载方式,激光发射机安装在卫星上,地面站通过射频信道将信息发送给卫星,由卫星通过激光信道转发给潜艇。陆基方式,设在地面的激光发射机将激光束射向空载反射器,空载反射器再将激光束反射给水下潜艇。机载方式,激光发射机安装在飞机上,地面站通过射频信道将信息发送给飞机,再通过机载激光发射机将信息转发给潜艇。具体运用时,在近海时,激光可以由高空无人机或者大型飞机向预定水域发射,但当潜艇行驶的过远时,则只能采取卫星。发射方式一般采取直接发射和反射两种,前者是利用平台直接向特定水域发射通信激光,后者则是经过数次反射到达既定区域,例如地面站向卫星发送激光,激光再利用反射镜面对该激光进行反射,使其传输到特定水域实现通信。

目前,对潜蓝绿激光通信最大穿透海水深度可达到600米,远比甚低频和特低频等射频信号强,且数据传输速率可达100Mb/s量级,远高于射频信号。其不足之处在于光源易被敌方的可视侦察手段探知,且通信设备复杂,技术难度较大。目前基本上尚处于研制、试用阶段,前景难料。

自美国海军从1977年提出卫星-潜艇通信的可行性研究后,激光对潜通信迅速成为美国的战略性研究计划。经过10年不间断的蓝绿激光通信试验,美军目前已形成较为明朗的卫星-潜艇激光通信发展方向。美军在由波音飞机改造而来的E-6“水星”对潜通信飞机上加装了机载蓝绿激光通信系统,已经取得了一定的数据通信效果。美国国防部高级研究计划局(DARPA)正在以地球同步卫星为平台,开展双工卫星-潜艇蓝绿激光通信系统的研制。2017年3月,美国海军空间与海战系统司令部发布“模块化光学通信”(OCOMMS)载荷项目公告,旨在设计可用于有人潜艇/无人潜航器与飞机、水下平台间的全双工通信系统。该系统无需水面通信转换节点,水下平台间通信速率不低于1kb/s,未来有望实现更高速率,空中通信距离超过27千米,水中深度超过30米,并且具有低截获概率和低探测概率(LPI/LPD)特性。

2017年7月,业界在在蓝绿激光水下无线通信中取得了突破性进展。日本国立海洋研究开发机构在日本防卫省的资金支持下在水深700米至800米的海洋环境完成了水下移动物体间蓝绿激光无线通信,通信距离超过100米,通信速率达20MbB/s(这一速度可实时传输视频画面)。这预示着该技术向实用化又迈出坚实的一步。这一技术将来有望应用于海底探测等水下作业、海底观测仪器与船舶及无人机之间的通信以及潜艇通信等军事领域。

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磁感应通信凭借先天的技术优势,成为未来水下通信值得关注领域

磁感应通信是近两年开始研究的新型通信手段。它采用磁场为载体,通过改变磁场强度进行信息传输,兼顾了光通信与电磁波通信的优势,其传输距离可达100米,速率可达Mb/s量级,且具有极强的隐蔽性,在土壤、水下等具挑战性的严酷环境具有喜人的特性优势。

磁感应通信原理图如图1所示。磁感应通信是应用电磁感应原理,利用发送线圈和接收线圈的电磁耦合,实现待传输信息由发送模块到接收模块的非接触传输。信号发生器输出信号,控制发送线圈驱动电路的运行方式,达到改变发送线圈端电压参数的目的;根据电磁感应原理,接收线圈能够感知这种变化,并且体现在其端电压中。感应接收模块对接收线圈端电压进行处理,将端电压的参数变化转换为数字信号,即可得到通信接收信号。

图1磁感应通信原理

磁感应通信过程本质上是一个数字通信过程,包含了信源信息的编码、调制、驱动和发射,同时接收模块对信息的接收过程也要完成滤波、解调、解码和识别等。

和通常水下通信应用的声、光和电磁通信技术相比,磁感应通信的信号传播延迟几乎可忽略,信道稳定,通信距离较长,数据传输速率较高。

磁感应水下通信的潜质特性带来了许多新兴水下应用,如:水下成群机器人协同感应和跟踪、隐密和实时的水下监视和巡查、水下杂乱环境的灾害评估和救援等等。

随着海军潜艇、无人潜航器以及传感器等装备的迅速发展,如何在水下进行高速、稳定的数据传输成为海军当前亟待解决的关键技术难题。磁感应通信技术凭借天生的安全优势(在保证传输速率的同时极难被侦测),成为未来水下通信值得关注的领域。

美DARPA重视磁感应通信技术的开发,大力支持相关高校和研究单位开展研究。乔治亚理工大学和纽约州立大学的研究人员于2015年在实验室环境下实现了水下磁感应通信,并在2016年7月将传输速率提高到约26Mb/s。

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水下通信技术军事应用分析

当前,随着无人与智能化装备的快速发展,水下通信技术逐渐成为影响水下作战部队信息化作战的瓶颈,无法支持复杂战场态势信息实时传输的需求,面临较大挑战。首先,在传输速率方面,水声通信、射频通信和光通信等传统手段无法很好地满足视频传输、复杂战场信息传输等未来信息化作战需求。其次,在传输隐蔽性方面,水声通信和光通信容易暴露自身目标,具有先天难以弥补的劣势。新兴的磁感应通信技术的出现有可能解决上述弊端,在保证传输速率和安全性的同时,适应各种复杂的水文环境,具有成为未来水下通信系统首选方案的潜质。

综合分析得知,由于受到声通信速率慢、无线电通信传输距离不超过一百米、光通信对水介质清澈度要求高等限制,导致目前水下通信单一应用哪种通信技术均无法取到良好效果。

通过分析近期水下通信研究项目,可知美军针对不同实现技术的特点,对水下通信领域进行了充分考量和全方位的布局,力求实现技术的重点突破,主要发展思路为:

一方面充分考量声通信、无线电通信、光通信的优劣与适用条件,均安排了相关的应用项目,力求通过另辟蹊径的方式推动单项技术取得重大进步。根据实际的作战环境和作战需求,灵活选择高效经济的通信方式,通过优化配置的方式实现通信能力的提升,如水下声通信速率很慢,短时间难以实现巨大突破满足作战需求,通过发展通信速率较快的无线电通信、光通信,应用于短距离或清澈水域等适宜环境,可以极大扩展水下数据传输容量。

一方面在布局水下通信应用项目时,根据作战环境和作战需求优化局部网络、设备间的通信方案:水下水上作战群需要跨域通信指控能力以实现联合作战,在水下、水下到空中综合运用声、光、电磁等通信技术手段,力求在各通信技术擅长的应用领域取得突破,在作战应用时采用最优的通信技术方案,实现整体的扩频、增速、安全通信。对于信息流较大的水下无人系统集群或潜艇与无人系统组成的作战群可以选择短距离、快速、宽带的无线电通信和光通信,对于远距离、信息量少的群间通信或通信较少的群内通信可以选择声通信,双向通信浮标、水面艇、无人机可作为通信中继实现水下水上少量数据的跨域传输,光通信可实现水下水上的高速通信。

总之,通过综合运用各种通信技术,可以对单一的某种通信技术实现扩频、提速、增大距离、增加安全性,相当于在一定条件下可以实现宽带、高速、远距离、安全的水下通信。届时水下通信速率、距离、容量、安全性能够使潜艇、水下无人系统平台、传感器形成水下联合作战网络,并通过多种跨域通信技术与水上作战网实现联合作战,支撑水面网络中心战、分布式杀伤概念向水下扩展,促进整体水下战能力提升。

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结语

随着全球目光向海洋聚焦,水下无线通信的重要性日益突显。当前的各种水下通信技术各有优劣,没有一种尽善尽美。但随着信息技术的发展和通信器件的研发,相信水下无线通信技术会逐步得到改进和完善,将为水下资源开发和水下军事斗争提供强有力的通信保障。