海洋智能无人系统：自主水下航行器短程水声通信技术

本章讨论短距离声学通信信道模型的开发及其用于媒体访问控制（medium access control，MAC）和路由协议的设计和评估的属性，以支持AUV作业。水下操作的发展需要各种异构水下和基于地面的通信节点之间的数据通信。AUV就是这样一个节点，但是在未来，预计AUV将以作为自组织传感器网络的编队方式部署。在这种情况下，编队网络本身将用均匀节点开发，每个节点都是相同的，如图14.1所示，然后编队网络与其他固定的水下通信节点连接。本章的重点是AUV之间可靠的数据通信，这对于利用编队网络的集体行为至关重要。

图14.1　Swarm架构

如图14.1b所示，简单的二维2D拓扑将用于研究AUV编队的操作。编队体内的航行器将在分散的，自组织的ad-hoc网络中一起移动，所有航行器都在相同的深度上盘旋。图14.1b示出了在海底上方以2D水平图案布置的航行器，使得编队在单个深度处具有最大覆盖区域，同时形成多跳通信网络。覆盖范围取决于应用。例如，使用碳氢化合物传感在水下勘探石油和天然气沉积物最初需要扫描大的海洋范围的宽广结构，然后在传感开始以区域为目标时缩小航行器之间的范围。因此，航行器之间可能需要在10 m量级的区域工作，节点间通信距离延伸到500 m。这些操作距离远远短于潜水艇和水下传感器对通常在大于1 km运行的海面节点的传统操作。因此，这些操作的通信需求的建模和设备开发集中于更长距离的数据传输和信道建模。为了充分利用短程通信系统的全部优势，有必要研究短程通信信道的特性。(www.xing528.com)

大多数AUV开发工作都集中在航行器本身及其作为一个单元的运行上，而没有过多关注需要无线通信网络基础设施的编队架构的发展。为了开发群体架构，有必要在水下环境中研究有效的通信和网络技术。与单一航行器使用相比，编队操作具有许多优点。扫描或“感知”更广泛的区域并协同工作的能力有可能极大地提高任务操作的效率和有效性。群体结构内的协作将通过建立作为团队运作的能力来改善效率，这将导致单个航行器失效的紧急情况。协同工作的编队也可以帮助缓解水下通信环境中高传播延迟和可用带宽不足的问题。通过利用大结构中存在的固有空间分集，编队拓扑将有助于改善通信性能。例如，通过使用多跳网络技术，可以在编队架构内更可靠地传输信息。在这种情况下，这复杂的海洋环境是可以预料的，相对于多航行器独立工作的结构来说，它所产生的不利影响要小得多。

水下数据传输的一个重大挑战是多径衰落。多径衰落的影响取决于信道几何和传播信道中各种物体的存在。多径是由于反射（主要在浅水中），折射和声学通道而产生的，这会产生许多额外的传播路径，并且根据它们的相对强度和延迟值会影响接收器的误差率。由于这些多径信号引起的符号间干扰（ISI），产生比特误差。对于非常短距离的单发射机-接收机系统，可能存在一些最小化的多径信号。然而，对于编队操作，需要考虑到的多径信号可能有不同的组合，特别是由编队中其他航行器产生的信号。

仔细考虑物理层参数及其适当的设计将有助于最大化短距离通信系统的优势，该系统需要利用水下声学网络环境中可用的有限资源。