2017年水声通信领域有哪些新突破？

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　　水下无线通信主要包括：水下电磁波通信、水声通信和水下量子通信。其中，水声通信技术最为成熟。该技术以声波(优点：水下传输信号衰减小、传输距离远、可用于温度稳定的深水通信)作为水中信息的主要载体，已广泛应用于水下通信、传感、探测、导航、定位等领域。

　　作为主要的水下通信方式，水声通信的技术难度很大，核心问题就是由水声信道的时变性和空变性所带来的强干扰问题，需采用有效的多普勒补偿措施，确保低误码率，提高传输速率和通信距离，用于军用目的还要考虑信息传递的安全和多址接入等问题。那么， 2017年水声通信都有哪些新突破呢?

　　突破1：韩水下无线通信技术试验成功实施， 最大传输距离30千米

　　据韩国纽西斯通讯社2017年5月22日报道，韩国海洋水产部当天表示，韩国成功实施水下无线通信试验，此次试验水深100米，通信距离长达30千米。

　　2017年4月29日-5月3日期间，韩国水产部在济州岛东北部海域进行此次试验，此次试验在水下100米处进行，每隔约30千米设置一个通信设备，测试利用声波收发数据的情况。本次试验结果显示，在试验状况下收发信信号没有失常，与现有通信技术仅能在12千米内保证信号正常相比，传输距离提高2倍以上。

　　韩国海水部表示，此次试验成功为以后发展相关产业打下基础，计划在2021年前，研发出潜水员水下交流、水中机器人等相关技术。

　　突破2：美国伯克利实验室研发轨道角动量复用技术，深海水声通信速率8倍提升

　　2017年6月，美国劳伦斯•伯克利国家实验室完成螺旋声波多路复用技术陆上实验，验证了声波信号高效并行传输技术可行性，实现通信速率8倍提升，为破解远距离水声通信速率低的难题提供了新途径。

　　水声通信(特别是200米及以上距离)的可用带宽限制在20KHz以内的频率范围，这种低频限制了数据传输率，只能达到每秒几十kb的速度。研究人员创造性地采用了广泛应用于电信和计算机网络中的多路复用技术理念，将多路复用轨道角动量首次应用于声学通信，在单个频率上包装更多的信道，显著提高了信息传输速率。

　　研究人员采用了多路复用，或者将不同信道并入单个共用信号的思想。虽然多路复用技术广泛应用于电信和计算机网络，但是多路复用轨道角动量在此前却从未应用于声学通信。随着声音的传播，声波波前会形成螺旋状或漩涡状波束。这种波束的轨道角动量会形成空间自由度和独立信道，供研究人员编码数据。研究人员表示，即使波束本身的频率保持不变，不同轨道角动量的信道，旋转的速度会不同，使得这些信道相互独立。这是研究人员在相同声束或脉冲中，编码不同二进制数据的原因。然后使用算法解码不同信道的信息，因为它们彼此独立。

　　研究人员对该技术进行了演示：使用二进制形式对单词“Berkeley”进行编码，然后随着声波信号传输该信息，该声波信号往常只能携带更少的数据。其试验装置位于伯克利实验室，包含一个由64个换能器组成的数字控制电路。该电路产生螺旋状波前来形成不同的信道。信号通过相互独立的轨道角动量信道同时发出。研究人员使用的频率为16KHz，在声纳当前的使用频率范围之内。由32个传感器组成的接收器测量了声波，并使用算法进行了解码。

　　研究人员表示，他们调整了每个换能器的振幅和相位来形成不同的模式及不同的信道。实验使用了8个信道，可以同时传输8位数据。理论上，通过轨道角动量形成的信道数量可以更大。研究人员还表示，虽然试验在空气中进行，但是在这个频率范围内，声波在水中和空气中的物理学特征是非常相似的。

　　这项研究在高速声学通信方面具有巨大潜力。这项技术一旦应用，可成倍提高水声通信容量，在海洋表面以下原本只能发送文字信息，而扩充容量后甚至可以传输高清电影。该创新方案将惠及潜水员、海洋调查船、远程海洋监测器、深海机器人，为潜艇、无人潜航器等武器装备水下通信能力带来大幅跃升。

　　突破3：北约推出首个国际层面认可的水下通信协议

　　2017年5月2日北约研究人员制定了首个水下通信国际标准——JANUS。该标准为声信号创建了一种通用协议，水下系统可基于该协议利用11.5kHz的共同频率(所有系统都通过该频率宣布其存在)进行连接。两个系统一旦通过JANUS建立联系，就可决定是否切换到不同的频率或协议，以提高数据传输速率或传播距离。部署后，水中系统可利用JANUS直接相互传送数据，或向“网关浮标”发送数据，而后者可接着利用无线电波将数据中继到附近的控制中心。

　　JANUS的使用不受限制。北约海事研究与试验中心已在作战环境中，成功测试了将自主识别系统的数据通过使用JANUS-标准声学通信传输给水下装置，包括海上船只的识别、定位、航向和速度数据，以及气象和海洋学信息等。示意图示出了自主识别系统数据(图片右下侧上方的图)和气象海洋学信息(图片右下侧下方的图)正通过JANUS声通信传输给潜艇。

　　来源：整理自环球网、北方防务公众号、国防科技要闻公众号、水下无人系统学报公众号
　　作者：小楠