水下声学通信网络：海洋智能无人系统技术成果

水下数据通信链路和网络环境为地面大气中的RF数据通信信道提供了本质上不同的信道。图14.2示出了使用单个发射器-接收器对数据传输的典型水下环境。

图14.2　水下声学环境

图14.3显示了涉及投影仪（发射器）和水听器（接收器）的数据传输方案的简单示意图。投影仪采用采集的传感器和导航数据，并在数据源将其格式化为数据包，然后用载波频率对其进行调制。调制信号被放大到足以在接收器处接收信号的电平。当中存在最佳放大水平，因为在无差错传输和电池能量守恒之间存在折中。从投影仪辐射的声功率与提供给它的电功率的比率是投影仪的效率ηtx，并由电声转换模块表示。在接收端，水听器的灵敏度将冲击水听器的声压转换成电能，以dB／V为单位计算。信号监测包括输入的放大和整形以确定可辨别的信号。这里需要达到监测阈值，并将其评估为平均信号功率与平均噪声功率的比率。然后，在发送的数据可用于航行器内用于数据存储或输入到航行器控制和导航要求之前，提供载波频率用于解调。

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图14.3　投影仪和水听器的框图

水下数据通信链路通常支持低数据速率，主要是由于通信信道的限制。主要限制因素是高传播延迟，较低的有效SNR和较低的带宽。通过使用短距离链路和使用多跳通信技术来覆盖更长的传输范围，可以减少这些约束的影响。对于AUV编队网络，使用上述技术对于设计有效的水下网络至关重要。为了开发多节点编队网络，有必要使用MAC协议来管理所有点对点链路。在诸如编队网络的多址通信系统中，许多收发器以有序的方式共享传输信道，以便以无干扰模式传输数据。当网络按比例放大以支持N个AUV时，则必须控制多个点对点或指向多点链路。

为了控制数据传输，有必要设计一种有效的MAC协议，它可以控制来自不同AUV的信息传输。如果使用多跳通信技术，则编队网络中的MAC协议的设计可能更复杂。多跳通信技术将允许可扩展的网络设计，并且它可以支持长距离传输而无需高功率发射器和接收器电路。例如，如果图14.1b中的AUV3想要将分组发送到AUV7，则使用多跳通信技术，则它可能潜在地使用多个通信路径来发送分组。从AUV3到AUV7的一些可能路径是：AUV3—AUV2—AUV1—AUV4—AUV7或AUV3—AUV6—AUV9—AUV8—AUV7。网络中的路径选择由路由协议控制。最佳路由协议通常基于许多因素选择传输路径。然而，用于在无线网络中选择最佳路径的主要因素是SNR，其指示链路的质量。类似地，MAC协议将使用传输信道状态信息来开发最佳分组接入技术。为了有效地设计这些协议，有必要了解短程水下信道特性的特性。