水声通信网络在人工智能与船海工程中的应用

水下通信主要应用在对选定海域的长期监测。传统的海底或海域监测方法是部署海洋传感器、记录数据、恢复仪器，这种方法在接收所记录的信息时产生长滞后。如果在恢复仪器之前发生故障，则所有数据都会丢失。对于这些应用（例如从热喷区域、近海采矿或钻井等地区收集数据）的理想解决方案是在水下仪器和网络配置内的控制中心之间建立实时通信。

基本的水声网络是通过建立诸如自主水下航行器和传感器等各种仪器之间的双向声学链路而形成的。网络连接到地面站，地面站可以进一步通过链路连接到骨干网，例如因特网。这种配置创建了一个交互式环境，科学家可以从多个远程水下仪器中提取实时数据。在评估所获得的数据之后，可以将控制消息发送到各个仪器，并且使网络能够适应变化的情况。由于数据在可用时被传送到控制站，所以可以防止因发生故障而导致的数据丢失。

水下通信网络还可以用来增加AUV的操作范围。AUV的可行无线通信范围受到单个调制解调器的声学范围的限制，一般为10～90 km。通过在覆盖大面积的网络中跳过控制和数据消息，AUV的通信范围可以大大增加。浅海声信道在许多方面与无线信道不同。水声信道的可用带宽是有限的，并且取决于范围和频率，在这个有限的带宽内，声信号受到时变多径的影响，这可能导致严重的码间干扰以及多普勒频移和扩展。这些特性限制了可靠通信的范围和带宽。

水声网络的研究包括两个非常不同的方向。第一个方向遵循蜂窝系统的范例，其中分布式节点通过基站的固定基础设施进行通信，基站既可以安装在地面支柱上，通过无线电链路连接，也可在底部安装基于电缆的基础设施。第二个方向集中在没有建立基础设施的分散式自组织网络，并且节点通过多跳中继进行通信。虽然在地面无线电环境中工作的自组织网络已经被广泛地研究，但是在水声环境中分析自组织网络的性能仍然是一项非常具有挑战性的复杂的任务。多址方法、介质访问控制协议，以及用于水下网络的路由方案等设计方法，在目前的发展较为成熟。

欧盟资助的UAN-水声网络（underwater acoustic networks）项目旨在构想、开发和在海上测试一种创新的、可操作的，用于集成在独特的水下、地面和空中通信系统的传感器，其目标是保护在近海和海岸线的关键基础设施。该项目的一个关键技术是在水声通信网络中使用自主水下航行器作为移动节点。特别地，AUV具有使网络几何结构适应声学信道变化的作用。Caiti等人介绍了项目的概念和愿景，以及各个发展阶段的进展，并详细介绍了在UAN框架内所展示的海上应用，报告了2011年5月举行的UAN项目示范“UAN11”的结果。UAN网络基于5个节点连续运行5天，其中3个节点是移动的。

UAN概念基于这样的思想：离岸和海岸线关键基础设施的保护必须基于连接到指挥和控制（C2）中心的多传感器网络，该网络最终集成来自空中、地面、海面和水下传感器的数据。虽然现在上述水下传感器的无线连接相当简单，但是从多个异构的水下设备收集数据需要特殊的方法，特别是当有些节点安装在移动平台上时，比如海面上的船舶或者水下机器人。因此，UAN的思想是具有始终能够在任何两个节点之间建立路径的网络，以便消息从源传播到期望的目的地。在实践中，这意味着通信链路由只能通过将安装在AUV上的移动节点移动到声学上可到达的位置，或移动到通信更方便的位置。集成固定节点和移动节点的UAN网络具有可变的几何结构，移动节点能够通过先验信息和在线测量处理海洋条件的变化。

UAN工程涉及以下工作：(www.xing528.com)

①深入分析水下通信物理层，以便利用现有或开发新的声学技术来进行有效的通信支持和嵌入式信号处理；

②声道性能预测工具的发展；

③开发可靠和高效的网络架构，使水下通信尽可能有效；为了在长延迟、频率选择性、低带宽的情况下找到合适的解决方案，对MAC方案、路由协议和网络安全特征进行了研究；

④制定协调策略以管理网络中的移动节点，以便能够动态地放置节点，最大化一些与通信相关的性能成本函数，并周期性地测量环境；策略必须适当地保证入侵检测有效载荷的操作。

UAN项目克服了大多数技术难题，并且提出了一个完全集成的IP支持的无线水下网络，该网络能够收集信息、发送和接收用于动作和反应的命令，从而有效地保护敏感的水下平台或海边设施。UAN概念的一个关键特征是自主水下航行器的存在。事实上，AUV既被用作监视设施，又被用作网络的移动节点，能够修改网络几何结构，以应对由环境条件确定的本地通信性能的变化。

水声网络还能够非常有效地在自主水下航行器和其他航行器或控制单元之间建立通信链路，从而实现复杂的航行器应用和控制场景。所以，水下通信网络的建立在很多应用方面都有必要，未来该方面的研究会是水下技术的一个热点。