一種近程水下聲光一體化高速通信系統

姚俊輝，童 峰，*，吳劍明，吳世珍

（1. 廈門大學 海洋與地球學院，福建 廈門 361005；2. 導航與位置服務技術國家地方聯合工程研究中心，廈門大學，福建 廈門 361005；3. 廈門大學 人工智能研究院，福建 廈門 361005；4. 廈門求同信息科技有限公司，福建 廈門 361001）

0 引言

現如今，有許多研究者對水下聲光混合通信進行了嘗試與探究。文獻[1]–[4]中提出了一類應用于水下傳感網絡的聲光混合水下通信鏈路方案。此類方案中寬指向、低帶寬的聲通信鏈路用于跟蹤和定位AUV 以及輔助校準光通信組件；高指向性、高帶寬的光通信鏈路則是用于高速率數據傳輸，將大量監測數據中繼到基站進行處理。這2 種通信方式的協調互補可以克服各自的局限性，實現精確定位、跟蹤和高速率水下數據傳輸。然而，上述聲光混合通信方案中主要由光通信實現高速率數據傳輸的功能，而聲通信僅用于輔助光通信校準以及遠距離傳輸控制指令。在HE 等[5]提出的聲光混合系統中，利用聲通信鏈路高穩定性和無嚴格視距傳輸的優點為光通信鏈路提供自動重復請求（ARQ）功能來進行丟包反饋，以提高系統的誤差控制性能。但該方案依舊無法實現系統在光通信鏈路完全無法工作的環境（如：高度渾濁與惡劣海況的水體）中的穩定通信。HAN 等[6]提出了一種新的聲光混合系統，該系統中聲通信鏈路除了可用于傳遞控制信息和輔助光學設備校準之外，還能在光通信鏈路因環境因素斷開時提供低分辨率的靜態圖像流信息和低幀率視頻流信息，在一定程度上緩解了以往聲光混合通信系統信息傳輸完全依賴光通信的窘境。但受限于kbps 級的速率，其聲通信鏈路無法支撐水面基站與AUV 之間的實時高質量視頻流信息交互。此外，其聲、光通信實際上采用2 套獨立的調制、解調系統，造成較大的系統硬件開銷。

面向對平臺資源嚴格受限的小尺寸無人平臺等應用場景，本文設計并實現一種水下聲光一體化高速通信系統，并利用水池實驗驗證了系統的有效性。

1 水下聲/光傳輸特性

1.1 傳播損失

1.1.1 水下聲傳播損失

聲波在海水中傳播時聲強會逐漸衰弱，引起傳播衰減的因素主要分為2 個方面：①波陣面的幾何擴展引起的擴展損失；②由海水粘滯、熱傳導以及鹽類物質的弛豫現象引起的吸收損失。聲波在海水中的總傳播損失TL 可以定義為[7]

式中： TL 為傳播損失，dB，其物理意義是度量距離聲源r處的聲強Ir相對于等效聲源1 m 處聲強I0的衰減量，；r是傳播距離，m；n是擴展因子，是一個由波陣面擴展模型決定的常數，一般在考慮海底聲吸收情況下的淺海聲傳播條件下取值為1.5；ɑ則為吸收系數，dB/km，主要與聲波頻率有關，可以使用Francois-Garrison 方程[8]來估計。

式中：f為聲波頻率，kHz；A1,P1,f1,A2,P2,f2,A3,P3均為與海水溫度、鹽度、深度以及pH 值相關的變量，在同一環境中可視為常量。海水對聲波的總吸收系數主要有3 部分組成：第1 個分量是硼酸的弛豫過程引起的吸收損失；第2 個分量是MgSO4弛豫過程引起的吸收損失；第3 個分量是純水本身的吸收損失。

初中數學“動點路線問題”中的“路線”分為兩類：一類是直線型(直線、線段、射線)，另一類是曲線型(圓或圓弧、雙曲線、拋物線).

1.1.2 水下光傳播損失

光在水下的傳播衰減可以表示為

式中：I0為發射端光功率；I為距離光源r處的接收光功率；c為衰減系數。因此，其傳播損失TL 可通過下式計算得出：

衰減系數主要與光波長有關，可具體分為吸收系數和散射系數。在水下光學中，吸收和散射的總衰減系數可以表示為[9]

式中，a( )λ和b( )λ分別是水下光傳播的吸收系數和散射系數。圖1 顯示了光波在海水中的吸收系數隨波長的變化[10]，可以看出，450～570 nm 的藍綠光波段在海水中的衰減系數較小，在圖中呈現為一個凹陷的窗口，即“藍綠窗口”，因此水下激光通信一般選用藍綠光波段。

圖1 海水中光吸收系數隨波長的變化Fig. 1 Variation of light absorption coefficient with wavelength in seawater

1.1.3 水下聲/光傳播損失對比

運用公式（1）和公式（4），本文在圖2 中繪制出不同頻率聲波和不同水體中藍綠激光的傳播損失對比?？梢钥闯?，藍綠光波在水下的傳播損失主要與水體的渾濁度有關，隨著水體渾濁度的升高，水下光傳播損失急劇增加，渾濁港口水體中的光傳播損失幾乎比同等距離上其他幾種渾濁度較小的水體高了1 個數量級，嚴重限制了激光的有效通信距離。而水下聲傳播損失則主要與聲波的頻率相關，隨頻率增大其吸收損失分量急劇增大，當頻率增至MHz 級別時聲波的傳播損失已經與沿海水體中的光傳播損失相當。

圖2 聲波和藍綠激光在海水中的傳播損失Fig. 2 Propagation loss of sound wave and blue and green laser in seawater

1.2 指向誤差

從指向性考慮，脈沖激光的光強分布可以通過高斯函數來描述[11]，光波振幅在光束截面上的分布可用下式來表示：

式中：A0為光波在光軸處的振幅；ρ為目標點到光斑中心的距離，；ω為光斑半徑，定義為振幅減小到最大值1/ e 處的ρ值。根據式（6）可推導出光束截面上的光強分布，如圖3 所示?？梢钥闯?，光強的極大值位于光軸上，隨著逐漸遠離光軸，光強急劇減小。因此，若激光發射端與接收端存在指向誤差，即接收機位置偏離發射光軸時，接收功率將會嚴重受限。

圖3 光束截面上的光強分布Fig. 3 Intensity distribution on beam section

相較于容易實現全指向性或寬指向傳播的水聲通信，具有高度指向性的水下激光通信在水體波動的環境中存在嚴重的指向誤差。由風引起的隨機海面波動是引起水下無線光通信（Underwater Wireless Optical Communication，UWOC）系統指向誤差的原因之一，DONG 等[12]建立了一種如圖4 所示的浮標下行UWOC 系統的信道模型，并推導出下行UWOC 系統指向誤差的概率密度函數的表達式。

圖4 浮標下行UWOC 系統的信道模型Fig. 4 A channel model of UWOC system for buoy downlink

式中：U為海平面以上的風速（m/s），L為光源與接收平面之間的距離，m；d為接收平面上光束中心與孔徑之間的偏移距離，m；分別為上下風向和側風向的波傾角的方差。，I0為零階的第1 類修正貝塞爾函數。

由式（7）可繪制出如圖5 所示不同風速下徑向誤差d的概率密度函數的分布圖?？梢钥闯?，隨著風速的增強，可能出現的指向誤差越大，且誤差的波動范圍也越大。

圖5 不同風速下徑向誤差d 的概率密度分布Fig. 5 Probability density distribution of radial error d under different wind speeds

1.3 小結

從聲、光2 種通信載體在水下的傳輸特性可知，光通信鏈路是相對脆弱和不穩定的，因為它的性能嚴重受制于發射接收器的校準度和水體渾濁度；而聲通信鏈路的可用帶寬受限于通信距離，高頻聲波無法實現中遠距離傳播，因此僅在近距離才有較大的可用帶寬。此外，聲通信鏈路能耗相對光通信鏈路更高，平臺資源嚴格受限的小尺寸AUV無法支撐聲通信鏈路長時間工作，且其還缺乏隱蔽性，容易被水聲傳感設備監測到。

2 聲光一體高速通信系統設計

在面向復雜海洋環境小尺寸水下無人平臺高速率通信的應用場景中，單獨的聲通信和光通信都無法完美達到預期指標。因此本文結合光通信在近程高水質環境中通信速率高、延遲時間短和聲通信指向范圍廣、環境適應性強的優點，設計并實現了一種聲光一體水下高速通信方案。

2.1 調制、編碼方式

考慮到幾種常用調制方式與聲光一體調制解調的適應性以及近距高速通信應用場景，本文選擇LPPM 調制方式作為聲光一體通信系統的調制方案。

LPPM 調制將1 個n位二進制數據映射為2n個時隙組成的時間段中某一個時隙處的單脈沖信號，1 個L位的PPM 調制信號傳送的信息比特為log2(L)。設n位二進制數m＝ [mn，… …，m2，m1]，而將時隙位置記為l，則PPM 調制的映射關系可以寫成如下數學關系式[13]：

系統采用RS 編碼。RS 碼是一類多進制BCH碼，也是一類典型的代數幾何碼，它有著比BCH更好的糾錯性能，是目前光通信領域最常見的FEC碼。RS 碼最大的優勢在于它可以對字節進行編碼，因此它在糾正突發錯誤的性能上比較優越。文中采用RS（255，239）進行編解碼，碼率為1︰1.067。

2.2 性能分析

水聲信道中多徑傳輸是影響水聲通信的重要因素，本文系統從以下2 個方面實現多徑抑制。

首先，本文采用的LPPM 調制方式通過檢測一個碼元周期（16 個時隙）中的最大脈沖位置進行解調，高頻聲波衰減系數大，多徑信號傳播過程中增加的聲程以及界面反射過程中的能量損失導致多徑相對直達徑有明顯的衰減，基本不會影響解調判決。其次，考慮到近距、高速通信應用，本文聲光一體通信中聲通信采用MHz 級高頻信號，對應的波長較短（1 MHz 頻率的聲波在水中波長僅為1.5 mm），因而其尺度未遠大于海面、海底反射界面的不規則尺度，容易在界面形成漫反射，從而分散反射徑的能量。

2.3 信號幀結構

本文系統發射信號幀結構如圖6 所示，發射信號由前導序列、幀頭、數據段以及幀尾組成。前導序列分為前導碼和起始碼，確保接收信號同步捕獲的穩定性，前導碼包含了若干脈沖信號，起始碼則用于界定信息序列起始位置。當正確掃描到幀頭信息后認為同步成功，可以開始進行解調。幀頭包含了發送端的MAC 地址、IP 地址，接收端的MAC 地址、IP 地址，用于確定通信鏈路的起始設備地址，為之后拓展到網絡節點通信提供儲存節點信息的空間。數據段包括信息段和保護間隔，本設計中16-PPM 采用的時隙寬度為216 ns，保護間隔為一個時隙寬度，由此可計算出本系統數據段的通信速率可達到1 Mbps 的量級。幀尾是幀校驗序列碼（Frame Check Sequences，FCS），是為提高系統通信的可靠性設置的，可以通過比較接收端解調信號幀計算出來的FCS 和發送端傳送過來的FCS 是否相同來判定通信的誤碼情況。

圖6 發射信號幀格式Fig. 6 Transmitting signal frame format

2.4 聲光一體通信鏈路設計

本文聲光一體通信系統的鏈路如圖7 所示。系統分為4 個部分：①上位機；②Modem，是調制器（Modulator）與 解調器（Demodulator）的簡稱；③鏈路切換模塊；④水聲換能器/激光發射接收器。上位機通過以太網控制Modem 發送信息，可下傳文本、音頻和視頻等文件進行發送；Modem 從網口收到信息后依次對其進行編碼、調制最后封裝成發射信號；鏈路切換模塊通過當前水體情況來選擇通信鏈路；接收端采用與發射端相同的鏈路來接收信號，接收端Modem 采集到信號后依次對其進行解調、解碼和幀處理，將解析得到的有效信息通過以太網上傳至接收端上位機顯示。

圖7 水下聲光一體通信示意圖Fig. 7 Diagram of underwater optical-acoustic integration communication

2.5 硬件實現方案

本文通信系統是基于現場可編程門陣列（FPGA）實現的，發射和接收的相關硬件集成在Modem 上。Modem 主要由4 個功能模塊組成，分別為核心處理單元、網口通信模塊、AD/DA 轉換模塊、功率放大模塊。信號的生成和處理在硬件系統上的實現流程如圖8 所示?？紤]系統傳輸數據速率的需求，Modem 與上位機的通信采用以太網方案，RJ45 網口采用88E1111PHY 以太網物理層芯片與上位機通信，主要負責將發送信息從上位機傳輸到Modem以及將解調信息上傳到上位機，此外還可將采集到的接收信號實時上傳至上位機的調試窗口以供調整系統參數時用于參考。

圖8 聲光一體化Modem 結構示意圖Fig. 8 Structure diagram of optical-acoustic integration modem

核心處理單元的功能基于FPGA 實現，主要功能包括信號的編碼解碼、調制解調、幀封裝處理以及數據緩存FIFO；DA 轉換模塊的功能是將FPGA 生成的數字信號轉換成可用于發射的模擬信號；AD 轉換模塊則是將接收到的連續信號轉換成可用于處理分析的數字信號；功率放大模塊包含了發射放大增益模塊和前置濾波放大模塊；發射放大增益模塊目前可將發射信號的幅值增益到24 V；接收端的前置濾波放大模塊可濾除帶外噪聲并放大接收信號，其放大倍數可用板載電位器進行調節。

考慮到不同的實際應用場景，本文設計的聲光一體通信系統可通過上位機接口設置或根據任務需求、信道特性自適應調制，進行聲/光模式設置與切換。

3 實驗結果

本文聲光一體化通信系統在實驗室水池中進行了初步試驗。如圖9 所示，試驗水池長為3 m，寬為2 m，水深0.4 m，發射端與接收端放置的水平距離約為3.3 m 左右。試驗中，聲通信鏈路發射與接收信號的波形如圖10 所示，可以看出水池中接收信號的信噪比情況較好。聲通信鏈路和光通信鏈路均實現了以1 Mbps 的數據速率傳輸圖片文件，誤碼率均為0。

圖9 水池試驗環境Fig. 9 Structure diagram of experiment pool

圖10 聲通信鏈路發射與接收信號波形圖Fig. 10 Transmitting and receiving signal waveform of acoustic communication link

4 結束語

針對水下聲、光通信具有互補性，而傳統聲光混合通信技術通常需要采用2 套獨立的調制解調系統導致系統復雜度高的問題，本文設計并實現了一種水下聲光一體化高速通信方案。該方案基于一體化思路在1 套調制解調硬件上支持聲、光通信鏈路，具有對不同水質、海況、對準條件、噪聲背景的適應性，且一體化設計實現下系統硬件開銷低，適用于尺寸、功耗、硬件資源受限的小型化AUV等各類小型水下平臺。水池初步試驗結果驗證了本文系統的有效性。