一种近程水下声光一体化高速通信系统

姚俊辉，童 峰，*，吴剑明，吴世珍

（1. 厦门大学 海洋与地球学院，福建 厦门 361005；2. 导航与位置服务技术国家地方联合工程研究中心，厦门大学，福建 厦门 361005；3. 厦门大学 人工智能研究院，福建 厦门 361005；4. 厦门求同信息科技有限公司，福建 厦门 361001）

0 引言

现如今，有许多研究者对水下声光混合通信进行了尝试与探究。文献[1]–[4]中提出了一类应用于水下传感网络的声光混合水下通信链路方案。此类方案中宽指向、低带宽的声通信链路用于跟踪和定位AUV 以及辅助校准光通信组件；高指向性、高带宽的光通信链路则是用于高速率数据传输，将大量监测数据中继到基站进行处理。这2 种通信方式的协调互补可以克服各自的局限性，实现精确定位、跟踪和高速率水下数据传输。然而，上述声光混合通信方案中主要由光通信实现高速率数据传输的功能，而声通信仅用于辅助光通信校准以及远距离传输控制指令。在HE 等[5]提出的声光混合系统中，利用声通信链路高稳定性和无严格视距传输的优点为光通信链路提供自动重复请求（ARQ）功能来进行丢包反馈，以提高系统的误差控制性能。但该方案依旧无法实现系统在光通信链路完全无法工作的环境（如：高度浑浊与恶劣海况的水体）中的稳定通信。HAN 等[6]提出了一种新的声光混合系统，该系统中声通信链路除了可用于传递控制信息和辅助光学设备校准之外，还能在光通信链路因环境因素断开时提供低分辨率的静态图像流信息和低帧率视频流信息，在一定程度上缓解了以往声光混合通信系统信息传输完全依赖光通信的窘境。但受限于kbps 级的速率，其声通信链路无法支撑水面基站与AUV 之间的实时高质量视频流信息交互。此外，其声、光通信实际上采用2 套独立的调制、解调系统，造成较大的系统硬件开销。

面向对平台资源严格受限的小尺寸无人平台等应用场景，本文设计并实现一种水下声光一体化高速通信系统，并利用水池实验验证了系统的有效性。

1 水下声/光传输特性

1.1 传播损失

1.1.1 水下声传播损失

声波在海水中传播时声强会逐渐衰弱，引起传播衰减的因素主要分为2 个方面：①波阵面的几何扩展引起的扩展损失；②由海水粘滞、热传导以及盐类物质的弛豫现象引起的吸收损失。声波在海水中的总传播损失TL 可以定义为[7]

式中： TL 为传播损失，dB，其物理意义是度量距离声源r处的声强Ir相对于等效声源1 m 处声强I0的衰减量，；r是传播距离，m；n是扩展因子，是一个由波阵面扩展模型决定的常数，一般在考虑海底声吸收情况下的浅海声传播条件下取值为1.5；ɑ则为吸收系数，dB/km，主要与声波频率有关，可以使用Francois-Garrison 方程[8]来估计。

式中：f为声波频率，kHz；A1,P1,f1,A2,P2,f2,A3,P3均为与海水温度、盐度、深度以及pH 值相关的变量，在同一环境中可视为常量。海水对声波的总吸收系数主要有3 部分组成：第1 个分量是硼酸的弛豫过程引起的吸收损失；第2 个分量是MgSO4弛豫过程引起的吸收损失；第3 个分量是纯水本身的吸收损失。

初中数学“动点路线问题”中的“路线”分为两类：一类是直线型(直线、线段、射线)，另一类是曲线型(圆或圆弧、双曲线、抛物线).

1.1.2 水下光传播损失

光在水下的传播衰减可以表示为

式中：I0为发射端光功率；I为距离光源r处的接收光功率；c为衰减系数。因此，其传播损失TL 可通过下式计算得出：

衰减系数主要与光波长有关，可具体分为吸收系数和散射系数。在水下光学中，吸收和散射的总衰减系数可以表示为[9]

式中，a( )λ和b( )λ分别是水下光传播的吸收系数和散射系数。图1 显示了光波在海水中的吸收系数随波长的变化[10]，可以看出，450～570 nm 的蓝绿光波段在海水中的衰减系数较小，在图中呈现为一个凹陷的窗口，即“蓝绿窗口”，因此水下激光通信一般选用蓝绿光波段。

图1 海水中光吸收系数随波长的变化Fig. 1 Variation of light absorption coefficient with wavelength in seawater

1.1.3 水下声/光传播损失对比

运用公式（1）和公式（4），本文在图2 中绘制出不同频率声波和不同水体中蓝绿激光的传播损失对比。可以看出，蓝绿光波在水下的传播损失主要与水体的浑浊度有关，随着水体浑浊度的升高，水下光传播损失急剧增加，浑浊港口水体中的光传播损失几乎比同等距离上其他几种浑浊度较小的水体高了1 个数量级，严重限制了激光的有效通信距离。而水下声传播损失则主要与声波的频率相关，随频率增大其吸收损失分量急剧增大，当频率增至MHz 级别时声波的传播损失已经与沿海水体中的光传播损失相当。

图2 声波和蓝绿激光在海水中的传播损失Fig. 2 Propagation loss of sound wave and blue and green laser in seawater

1.2 指向误差

从指向性考虑，脉冲激光的光强分布可以通过高斯函数来描述[11]，光波振幅在光束截面上的分布可用下式来表示：

式中：A0为光波在光轴处的振幅；ρ为目标点到光斑中心的距离，；ω为光斑半径，定义为振幅减小到最大值1/ e 处的ρ值。根据式（6）可推导出光束截面上的光强分布，如图3 所示。可以看出，光强的极大值位于光轴上，随着逐渐远离光轴，光强急剧减小。因此，若激光发射端与接收端存在指向误差，即接收机位置偏离发射光轴时，接收功率将会严重受限。

图3 光束截面上的光强分布Fig. 3 Intensity distribution on beam section

相较于容易实现全指向性或宽指向传播的水声通信，具有高度指向性的水下激光通信在水体波动的环境中存在严重的指向误差。由风引起的随机海面波动是引起水下无线光通信（Underwater Wireless Optical Communication，UWOC）系统指向误差的原因之一，DONG 等[12]建立了一种如图4 所示的浮标下行UWOC 系统的信道模型，并推导出下行UWOC 系统指向误差的概率密度函数的表达式。

图4 浮标下行UWOC 系统的信道模型Fig. 4 A channel model of UWOC system for buoy downlink

式中：U为海平面以上的风速（m/s），L为光源与接收平面之间的距离，m；d为接收平面上光束中心与孔径之间的偏移距离，m；分别为上下风向和侧风向的波倾角的方差。，I0为零阶的第1 类修正贝塞尔函数。

由式（7）可绘制出如图5 所示不同风速下径向误差d的概率密度函数的分布图。可以看出，随着风速的增强，可能出现的指向误差越大，且误差的波动范围也越大。

图5 不同风速下径向误差d 的概率密度分布Fig. 5 Probability density distribution of radial error d under different wind speeds

1.3 小结

从声、光2 种通信载体在水下的传输特性可知，光通信链路是相对脆弱和不稳定的，因为它的性能严重受制于发射接收器的校准度和水体浑浊度；而声通信链路的可用带宽受限于通信距离，高频声波无法实现中远距离传播，因此仅在近距离才有较大的可用带宽。此外，声通信链路能耗相对光通信链路更高，平台资源严格受限的小尺寸AUV无法支撑声通信链路长时间工作，且其还缺乏隐蔽性，容易被水声传感设备监测到。

2 声光一体高速通信系统设计

在面向复杂海洋环境小尺寸水下无人平台高速率通信的应用场景中，单独的声通信和光通信都无法完美达到预期指标。因此本文结合光通信在近程高水质环境中通信速率高、延迟时间短和声通信指向范围广、环境适应性强的优点，设计并实现了一种声光一体水下高速通信方案。

2.1 调制、编码方式

考虑到几种常用调制方式与声光一体调制解调的适应性以及近距高速通信应用场景，本文选择LPPM 调制方式作为声光一体通信系统的调制方案。

LPPM 调制将1 个n位二进制数据映射为2n个时隙组成的时间段中某一个时隙处的单脉冲信号，1 个L位的PPM 调制信号传送的信息比特为log2(L)。设n位二进制数m＝ [mn，… …，m2，m1]，而将时隙位置记为l，则PPM 调制的映射关系可以写成如下数学关系式[13]：

系统采用RS 编码。RS 码是一类多进制BCH码，也是一类典型的代数几何码，它有着比BCH更好的纠错性能，是目前光通信领域最常见的FEC码。RS 码最大的优势在于它可以对字节进行编码，因此它在纠正突发错误的性能上比较优越。文中采用RS（255，239）进行编解码，码率为1︰1.067。

2.2 性能分析

水声信道中多径传输是影响水声通信的重要因素，本文系统从以下2 个方面实现多径抑制。

首先，本文采用的LPPM 调制方式通过检测一个码元周期（16 个时隙）中的最大脉冲位置进行解调，高频声波衰减系数大，多径信号传播过程中增加的声程以及界面反射过程中的能量损失导致多径相对直达径有明显的衰减，基本不会影响解调判决。其次，考虑到近距、高速通信应用，本文声光一体通信中声通信采用MHz 级高频信号，对应的波长较短（1 MHz 频率的声波在水中波长仅为1.5 mm），因而其尺度未远大于海面、海底反射界面的不规则尺度，容易在界面形成漫反射，从而分散反射径的能量。

2.3 信号帧结构

本文系统发射信号帧结构如图6 所示，发射信号由前导序列、帧头、数据段以及帧尾组成。前导序列分为前导码和起始码，确保接收信号同步捕获的稳定性，前导码包含了若干脉冲信号，起始码则用于界定信息序列起始位置。当正确扫描到帧头信息后认为同步成功，可以开始进行解调。帧头包含了发送端的MAC 地址、IP 地址，接收端的MAC 地址、IP 地址，用于确定通信链路的起始设备地址，为之后拓展到网络节点通信提供储存节点信息的空间。数据段包括信息段和保护间隔，本设计中16-PPM 采用的时隙宽度为216 ns，保护间隔为一个时隙宽度，由此可计算出本系统数据段的通信速率可达到1 Mbps 的量级。帧尾是帧校验序列码（Frame Check Sequences，FCS），是为提高系统通信的可靠性设置的，可以通过比较接收端解调信号帧计算出来的FCS 和发送端传送过来的FCS 是否相同来判定通信的误码情况。

图6 发射信号帧格式Fig. 6 Transmitting signal frame format

2.4 声光一体通信链路设计

本文声光一体通信系统的链路如图7 所示。系统分为4 个部分：①上位机；②Modem，是调制器（Modulator）与 解调器（Demodulator）的简称；③链路切换模块；④水声换能器/激光发射接收器。上位机通过以太网控制Modem 发送信息，可下传文本、音频和视频等文件进行发送；Modem 从网口收到信息后依次对其进行编码、调制最后封装成发射信号；链路切换模块通过当前水体情况来选择通信链路；接收端采用与发射端相同的链路来接收信号，接收端Modem 采集到信号后依次对其进行解调、解码和帧处理，将解析得到的有效信息通过以太网上传至接收端上位机显示。

图7 水下声光一体通信示意图Fig. 7 Diagram of underwater optical-acoustic integration communication

2.5 硬件实现方案

本文通信系统是基于现场可编程门阵列（FPGA）实现的，发射和接收的相关硬件集成在Modem 上。Modem 主要由4 个功能模块组成，分别为核心处理单元、网口通信模块、AD/DA 转换模块、功率放大模块。信号的生成和处理在硬件系统上的实现流程如图8 所示。考虑系统传输数据速率的需求，Modem 与上位机的通信采用以太网方案，RJ45 网口采用88E1111PHY 以太网物理层芯片与上位机通信，主要负责将发送信息从上位机传输到Modem以及将解调信息上传到上位机，此外还可将采集到的接收信号实时上传至上位机的调试窗口以供调整系统参数时用于参考。

图8 声光一体化Modem 结构示意图Fig. 8 Structure diagram of optical-acoustic integration modem

核心处理单元的功能基于FPGA 实现，主要功能包括信号的编码解码、调制解调、帧封装处理以及数据缓存FIFO；DA 转换模块的功能是将FPGA 生成的数字信号转换成可用于发射的模拟信号；AD 转换模块则是将接收到的连续信号转换成可用于处理分析的数字信号；功率放大模块包含了发射放大增益模块和前置滤波放大模块；发射放大增益模块目前可将发射信号的幅值增益到24 V；接收端的前置滤波放大模块可滤除带外噪声并放大接收信号，其放大倍数可用板载电位器进行调节。

考虑到不同的实际应用场景，本文设计的声光一体通信系统可通过上位机接口设置或根据任务需求、信道特性自适应调制，进行声/光模式设置与切换。

3 实验结果

本文声光一体化通信系统在实验室水池中进行了初步试验。如图9 所示，试验水池长为3 m，宽为2 m，水深0.4 m，发射端与接收端放置的水平距离约为3.3 m 左右。试验中，声通信链路发射与接收信号的波形如图10 所示，可以看出水池中接收信号的信噪比情况较好。声通信链路和光通信链路均实现了以1 Mbps 的数据速率传输图片文件，误码率均为0。

图9 水池试验环境Fig. 9 Structure diagram of experiment pool

图10 声通信链路发射与接收信号波形图Fig. 10 Transmitting and receiving signal waveform of acoustic communication link

4 结束语

针对水下声、光通信具有互补性，而传统声光混合通信技术通常需要采用2 套独立的调制解调系统导致系统复杂度高的问题，本文设计并实现了一种水下声光一体化高速通信方案。该方案基于一体化思路在1 套调制解调硬件上支持声、光通信链路，具有对不同水质、海况、对准条件、噪声背景的适应性，且一体化设计实现下系统硬件开销低，适用于尺寸、功耗、硬件资源受限的小型化AUV等各类小型水下平台。水池初步试验结果验证了本文系统的有效性。