水聲通信及網絡技術綜述

楊健敏 王佳惠 喬 鋼 劉凇佐 馬 璐 何 鵬

①(中山大學海洋工程與技術學院 珠海 519000)

②(哈爾濱工程大學水聲技術重點實驗室 哈爾濱 150001)

③(工業和信息化部海洋信息獲取與安全工信部重點實驗室(哈爾濱工程大學) 哈爾濱 150001)

④(哈爾濱工程大學水聲工程學院 哈爾濱 150001)

⑤(南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海) 珠海 519000)

⑥(極地環境立體觀測與應用教育部重點實驗室(中山大學) 珠海 519000)

1 引言

近年來，隨著海洋強國戰略的提出，國家大力發展海洋事業，作為水下無線通信的重要組成部分，水聲通信及網絡技術引起廣泛關注。水聲通信(Underwater Acoustic Communication, UAC)不僅在民用領域有極大應用，在商業領域與軍事領域等諸多方面也發揮著重要作用[1-4]。民用領域，水聲通信及網絡技術可用于監測水下環境和收集海洋數據。商業領域，該技術廣泛用于遙控、遙測、數據回傳、協同作業等。軍事上，水聲通信及網絡技術也發揮著巨大作用，可用于尋找水下水雷、保護港口和潛艇、監控和監視等[5-8]。隨著各個海洋大國科技水平的提高，構建空天地海潛一體化網絡的進程勢不可擋[9]。目前，空天地海的信息傳輸與集成技術已相對成熟，對海洋信息的需求也愈發強烈，要提高對海洋信息的獲取能力，就離不開水聲通信及網絡技術的發展。

水聲通信技術在發送端把信息加載到聲波中，通過聲波將信息傳輸到接收端，水聲通信是目前應用于水下環境中最成熟可靠的無線通信方式。陸地無線環境中電磁波通信和光通信占主導地位，但是在水下，這兩種通信方式的表現不盡如人意。電磁波在水下衰減嚴重，且頻率越高衰減越大，因此在水下，電磁波只能實現短距離的高速通信，不能滿足遠距離水下通信與組網的要求[10]。水下光通信通常使用藍綠激光，這是因為藍綠色激光(波長為470～570 nm)在水下傳輸時能量衰減很小，其衰減率約為0.155～0.5 dB/m[11]。水下激光通信工作頻率高，傳輸速率可達千兆，傳輸時延低。但是，水下光損耗大，對水介質有很高要求，具有極強的方向性，而且海洋生物會對水下光通信造成極大干擾，建立長距離通信難度極大。聲波在水下傳播的速度可達1 500 m/s, 1 Hz～50 kHz的聲衰減系數為10-4～10-2dB/m[12,13]，低頻率、高功率的聲波可在水下傳播數千公里，是實現水下遠程無線通信的唯一手段[14]，因此，水聲通信成為水下長距離通信的最佳和唯一選擇。各種水下通信方式的優缺點如表1所示。

表1 各種水下通信方式的優缺點

隨著點對點水聲通信技術發展日趨成熟，以及復雜應用場景對水下信息傳輸技術提出更高要求，水聲通信網絡(Underwater Acoustic Communication Network, UACN)技術得到了越來越多的關注與發展。水聲通信網絡與水聲通信一樣，在水下依靠聲波傳遞信息。從硬件角度可分為廣義和狹義兩種：廣義水聲通信網絡是由布放在水底、水中的通信節點(包括固定的通信節點和裝載在移動平臺的通信節點)、水面浮標節點、水面移動平臺、岸基通信平臺以及通信衛星等構成的，其結構如圖1所示；狹義水聲通信網絡由水下及水面部分組成，包括水底、水面以及水中的固定通信節點和自主水下潛器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)、水面浮標等搭載的水聲通信節點構成。無論廣義水聲通信網絡，還是狹義水聲通信網絡，相較于點對點水聲通信，都能夠增加通信覆蓋范圍，提升通信效率等，以適應更多、更復雜的任務場景[15]。本文中提到的水聲通信網絡都是指狹義水聲通信網絡。水聲通信網絡為確保能夠有效而可靠地傳輸數據，需按照一定的網絡協議運行。將網絡進行分層可降低網絡協議設計的復雜性，參考國際標準化組織提出的開放系統互聯(Open Systems Interconnection,OSI)模型和傳輸控制協議/因特網互聯協議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol,TCP/IP)[16]，實際應用中通常將水聲通信網絡層次劃分為物理層、數據鏈路層和網絡層，圖2為UACN, OSI以及TCP/IP 3種協議體系的對比。

圖1 廣義水聲通信網絡

圖2 3種協議體系對比

本文安排如下：第2節陳述了國內外水聲通信及網絡技術發展及研究現狀，第3節梳理了水聲信道的特點，第4節歸納與介紹了水聲通信技術，第5節討論水聲通信網絡技術，最后在第6節進行總結與展望。

2 水聲通信及網絡技術的發展及研究現狀

2.1 水聲通信技術的發展及研究現狀

2.1.1 水聲通信技術的發展

水聲通信技術的早期歷史可以追溯到20世紀50年代，經過幾十年的發展，已經有了顯著進步。當前，水聲通信主要向高有效性和高可靠性發展。如圖3所示，與無線電通信從1～5G的發展歷程相似，水聲通信技術的發展趨勢概括地說是從模擬通信到數字通信，從非相干通信到相干通信，從單載波通信到多載波通信，從點對點通信到網絡化通信。

圖3 水聲通信技術的發展歷程

如今，水聲通信已經發展到以全雙工通信為代表的“5G”技術[17]。水聲通信發展初期，使用的大多是幅度調制(Amplitude Modulation, AM)和單邊帶調制(Single-Side Band, SSB)水下電話傳遞模擬信號。20世紀80年代早期，水下數字頻移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)技術得到應用，80年代后期出現相干水聲通信[18]。90年代，由于數字信號處理(Digital Signal Processing, DSP)芯片技術和數字通信理論的發展，一系列復雜的信道均衡技術的實現進一步推動相干水聲通信技術的發展[19]。20世紀90年代，美國Scripps海洋研究所率先提出了單載波相干水聲通信技術[20]。從20世紀90年代中后期開始，以正交頻分復用技術為主的多載波相干通信技術逐漸廣泛應用于水聲通信[21]。進入21世紀，多入多出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)、全雙工等技術的使用進一步提升了水聲通信技術性能[22]。

2.1.2 國外研究現狀

在水下，聲波頻率越高，衰減越大，因此水聲通信可用帶寬和通信距離相關：遠距離帶寬小，速率低；近距離帶寬大，速率高。本節及下節介紹國內外水聲通信技術研究現狀，從近距離通信和中遠距離通信兩方面介紹，近程通信的通信距離為0～10 km，中遠程通信的距離大于10 km。

國外水聲通信技術開展較早，美國、日本、俄羅斯、新加坡、歐盟等國家和組織都投入了大量人員與經費進行水聲通信技術研究。近程水聲通信方面，文獻[23]使用時間反轉判決反饋均衡器和正交幅度調制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)技術，在海試中，以60 kbit/s的數據速率實現了3 km的可靠通信。文獻[24]使用128QAM在3.6 km距離實現70 kbit/s的最大數據速率，成功將數據從水下移動無人平臺傳輸到水面艦艇。

中遠程水聲通信方面，2013年，文獻[25]在北冰洋采用中心頻率為900 Hz的相移鍵控(Phase Shift Keying, PSK)信號，在560 km的距離上實現數據速率29.6 bit/s的通信導航。將直接序列擴頻與雙差分編碼技術進行結合，實現了550 km內的深海遠距離通信，通信速率為6.5 bit/s，誤碼率可達4%以下。文獻[26]使用大孔徑水平天線陣列來替代垂直陣列實現空間分集并且結合二進制相移鍵控調制(Binary Phase Shift Keying, BPSK)和正交相移鍵控調制(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)，提升角度分辨率和降低誤碼率，最大傳輸范圍為550 km2，通信速率可以達到50 bit/s。文獻[27]采用自適應時間反轉判決反饋均衡器(Adaptive Passive Time Reversal-Decision Feedback Equalizer, APTR-DFE)與MIMO技術，在13.5 km的距離實現了較低誤比特率的高速水聲通信，誤比特率0.1%時，通信速率可達30.21 kbit/s，誤比特率1%時，通信速率可達37.53 kbit/s。

2.1.3 國內研究現狀

我國水聲通信技術研究開展相對較晚。近些年，隨著對開發海洋的需求日益迫切，我國建設海洋強國的國策提出，越來越多的科研院所與公司投入到水聲通信技術研究當中，科研院所包括中科院聲學研究所、中船重工715所、北京長城電子裝備有限責任公司、哈爾濱工程大學、西北工業大學、浙江大學、廈門大學、中山大學等，公司包括嘉興中科、蘇州桑泰、深圳智慧海洋、哈船海信等。在國家的大力支持和科研工作者的努力攻關下，我國水聲通信技術取得諸多突破與進展。

近程水聲通信方面，針對傳統Pattern時延差(Pattern time Delay Shift, PDS)編碼水聲通信速率較低的問題，在傳統PDS水聲通信基礎上，提出基于分頻帶的高速PDS通信方案，實驗得出該方法可達到1 200 km·bit/s距離速率積。文獻[28]提出單陣元無源時間反轉鏡和虛擬時間反轉鏡的均衡算法，可有效減少符號間干擾。在收發相距1.5 km，相對速度0.84 m/s，有效通信速率5.03 kbit/s的條件下開展外場實驗，數據處理結果顯示所提均衡算法可有效降低誤碼率。文獻[29]針對復雜多變的淺海水聲信道提出一種自適應水聲通信調制方案，根據多徑數、多普勒頻偏等對信號進行評估自適應選擇合適的調制方式與參數，并在海深8 m，通信距離1 km的情況進行外場實驗，實驗結果表明在信道條件較差時，所提方案能降低誤碼率，提升等效通信速率。2022年，文獻[30]自主研發的全平臺適配水聲通信機能夠實現通信距離6.2 km、通信速率42.8 kbit/s的分布式多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)水聲通信數據傳輸，成功實現265.36 kbit/(s·km)的通信速率距離乘積。

中遠程水聲通信方面，文獻[31]提出了一種基于深海遠程通信的LT-Turbo均衡方法，實現傳播距離為69 km時，誤碼率低于10-5的深海遠距離通信。文獻[32]設計了一種全海深水聲通信機，采用單載波相干水聲通信技術，相干解調算法采用了時頻域雙向Turbo均衡器結構。2018年該通信機在馬里亞納海溝進行海試，實現了水下10 500 m到水面的高速水聲通信。中國科學院聲學研究所先后承擔了“蛟龍”號、“深海勇士”號、“奮斗者”號等深潛器的水聲通信系統研制任務，實現了超萬米的全海深水聲通信與海天對話等，性能指標達到世界先進[33]。2021年11月，哈爾濱工程大學喬鋼團隊[34]基于DSP的正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)與擴頻水聲通信技術，使全海深AUV “悟空號”在與母船直線距離超過15 km的馬里亞納海溝深處，實現與母船的遠程可靠水聲通信，上行峰值通信速率2 003 bit/s，數據包接收正確率超過93%。

水聲通信系統的能力與信道條件、發射功率、平臺環境、接收陣列等多個因素有關。通常采用通信距離與通信速率的乘積來表示有效性。20世紀90年代中期，文獻[33]淺海環境的水聲通信實現了40 km·kbit/s的速率和距離乘積，代表了當時水聲通信有效性的較高水平。經過近些年的發展，文獻[27]已經將這一指標提升到500 km·kbit/s的量級，相較于20世紀90年代提升了10余倍。水聲通信技術的快速發展，一方面可以滿足越來越多的應用需求，另一方面也極大促進了水聲通信網絡的發展。

2.2 水聲通信網絡的發展及研究現狀

如上節所述，近年來物理層水聲通信技術發展迅速，高性能水下聲學調制解調器相繼問世，為水聲通信網絡的發展奠定了堅實的基礎，水聲通信網絡的構建成為可能[19]。同時，人類對海洋探索與利用的腳步不斷加速，水聲通信網絡研究因此也越來越受到關注。自1990年以來，美國、歐洲和中國等國家、地區相繼開展了水聲通信網絡仿真與試驗研究，通過計算機仿真和外場實驗等方式驗證網絡協議和設備性能。這些水聲通信網絡的研究成果可廣泛應用于水下軍事和水下環境感知監測等領域。

2.2.1 水聲通信網絡的發展

水聲通信網絡總體上經歷了從集中式到分布式再到自組織，從單跳網絡到多跳網絡，從靜態網絡到移動節點參與的動態網絡的發展歷程。美國的Seaweb是目前世界上已知規模最大、最具代表性的水聲通信網絡之一，通過Seaweb網絡的發展能直觀看出水聲通信網絡的發展。1998年開始進行的美國Seaweb98，網絡節點數量為10，主要目的是判斷低成本、高覆蓋面積的水聲通信網絡的可行性。接下來兩年的實驗增加了節點數量，并優化數據鏈路層和路由層協議的控制。在Seaweb01中，反潛艇探測節點探測到潛艇的數據通過中繼節點發送到水面浮標節點，浮標節點再將信息轉發給陸地指揮中心。Seaweb03包括3個AUV, 6個中繼節點和2個浮標，Seaweb04的節點數量為40，測試了分布式拓撲結構和動態路由，以及路由重建。Seaweb08的節點數量較少，只有19，但實現了節點的集中式控制。Seaweb09實現中繼傳輸，建立了小規模的海洋監測試驗網絡[35]。Seaweb10中網絡由1個水面浮標節點，6個中繼節點和2個傳感器監測節點組成，驗證了水聲通信網絡通信鏈路中數據傳輸的可靠性。雖然在2010年以后，鮮有公開文獻報道Seaweb的最新進展，但該網絡是現代水聲通信網絡的雛形，為后續相關研究提供了經驗與基礎。Seaweb網絡的發展歷程如圖4所示。

圖4 Seaweb網絡的發展歷程

2.2.2 國外研究現狀

繼Seaweb網絡后，歐美等國家相繼開展水聲通信網絡仿真與實驗研究。近海水下持續監視網(Persistent Littoral Undersea Surveillance Network, PLUSNet)[36]是美軍研究的典型水下無人作戰網絡系統之一，由攜帶水聲通信機的多個無人潛航器(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)組成，網絡內UUV基于水聲通信可自主做出基本決策。2013年，由美國康涅狄格等大學聯合開展的水下網絡試驗臺(Ocean Testbed for Underwater Networks Experiments, Ocean-TUNE)，旨在解決水聲通信網絡仿真受限、沒有共同實驗驗證平臺等問題，該網絡由部署在4個不同海域的實驗平臺組成。歐盟方面，在海洋科學與技術計劃 III(MArine Science and Technology program III, MAST III)等項目支持下開展了一系列研究：其中包括遠程淺海水聲通信鏈路(long range shallow water ROBust acoustic communication LINKSS, ROBLINKS)的設計，以及適用于淺海中長距離高速率和高魯棒性的通信協議研究；Sunrise是由歐美研究院校和機構共同合作建立開展的水聲通信網絡項目[16]，經過對水下進行感知、監測和開發，設計了名為SUNSET的新網絡協議系統以及專為水下環境設計的航行器平臺。日本方面，2016年，國家地球科學和抗災能力研究所開始運營日本海溝沿岸地震和海嘯海底觀測網絡(S-net)，該網絡由海底電纜、海底水聲通信網絡節點以及地震儀等觀測裝置組建而成[37]。

2.2.3 國內研究現狀

國內水聲通信網絡相關研究起步較晚，早期研究人員主要利用NS2, OPNET, MATLAB等仿真工具模擬對水聲通信網絡進行仿真分析，近年來發展迅速，已有多家單位開展外場試驗。中國科學院聲學研究所于2008年和2009年在浙江千島湖完成4～7個節點的自組織水聲通信網絡，使用自研小型化、低功耗通用水聲通信節點，傳輸實時語音、圖像和傳感器監測數據，通信速率達8 kbit/s，誤碼率低于10-5，端到端最長4.1 km[16]。中船重工715研究所進行了基于集中式拓撲結構的3節點組網測試，驗證節點值、鏈路層協議等[38]。西北工業大學開發了?？仗炜缃橘|通信網絡，5節點構成的水聲通信網絡具有網絡自定位功能[39]。2014年，在863項目水聲通信網絡節點及組網關鍵技術支持下，由中科院聲學所牽頭，中船重工715研究所、哈爾濱工程大學、浙江大學等單位共同參與，搭建了13個水聲通信節點的水聲通信網絡，開展為期45天的規范化海上實驗，為我國水聲通信網絡設備研制規范化、標準化奠定基礎[16]。此后，國內有多家單位開展大規模水聲通信網絡實驗，如深圳智慧海洋公司于2020年實現20節點固移結合的水聲異構網絡；哈爾濱工程大學于2022年6月成功開展包括25套潛標水聲通信系統，3套浮標水聲通信系統，2套船載甲板單元及多套搭載于水下平臺的水聲通信終端的大規模、面向應用水聲的通信網絡，在惡劣海況、部分終端高移動性的條件下，實現千平方公里級面積覆蓋，網絡單跳最長距離超過20 km，最高跳數5跳。

由上文可以看到，無論國內國外，水聲通信網絡技術研究初期，大多以軟件仿真為主，仿真內容包括數據鏈路層協議、路由協議、網絡安全等。隨著水聲通信技術大幅發展，水聲通信網絡技術理論逐步積淀，以及人們對水聲通信網絡應用場景與方式認知理解愈發深刻，水聲通信網絡領域逐步由理論仿真走向外場實驗。這些實驗中，網絡節點數量由少到多，網絡拓撲由簡單到復雜，網絡內協議由單一到復合，網絡內節點類型由同構到異構，網絡應用范圍從單純水下到跨域組網。如今，水聲通信網絡雖然還有諸多不完善尚待研究之處，但已能在實際場景中得到應用，解決問題，顯示出巨大的研究價值和應用前景。

3 水聲信道的特點

水聲通信本質上是無線通信的一種，通信系統中，信息在發送端與接收端傳輸的過程中必然要經過信道，而在水聲通信與網絡中，聲波從發射端到接收端經歷的環境稱之為水聲信道。水聲信道通信帶寬受限、水下聲速慢、傳輸衰減大等自身局限性和海洋環境復雜的時變空變影響、多普勒效應顯著、多徑傳播復雜等因素共同影響，是無線通信領域中最為復雜多變、難度最大的信道之一，是影響水聲通信和組網性能的重要因素[40]。具體來說，水聲信道具有以下特點。

3.1 傳輸時延大且時變

與無線電在空氣中的傳播速度相比，聲波在水下的傳播速度比無線電傳播速度低5個數量級，大約是1 500 m/s[41]，這就導致聲波的傳輸時延很大。聲速是影響聲波在海洋中傳播的最基本的物理參數，與溫度、鹽度和靜壓力等多個因素有關。通常，溫度越高，鹽度越大，壓力越大，聲速增大；同時，以上參數的變化使聲信號在水中的傳播延遲是動態的，造成水下聲信號傳輸時延大且時變。

3.2 通信帶寬受限

受水下聲波傳輸衰減吸收等特性影響，相比于射頻無線電通信的通信帶寬，水聲通信帶寬受到了非常大的限制，典型的聲學調制解調器工作帶寬只有幾千赫茲到幾萬赫茲。在1～10 km的短距離水聲通信中，系統工作帶寬大概在幾十千赫茲的數量級，在10～100 km的遠距離水聲通信中，可用系統工作帶寬只有幾千赫茲以下[40]。

3.3 傳播損失大

傳播損失是指聲波在傳輸過程中出現的衰減損失和擴散損失。衰減損失是因聲波被吸收、散射和泄漏等因素導致的損失。其中，吸收損失是主要因素，它隨著聲波頻率和傳輸距離的增加而增加。擴散損失則是由于聲波波面擴散而導致聲能擴散的損失。常見的擴散損失包括在深海環境下點聲源的球形擴散(全向擴散)以及在淺海環境下的柱狀擴散(僅在水平面上擴散)。隨著傳輸距離的增加，聲波傳播損失也會增加[42]。

3.4 噪聲干擾嚴重

水下噪聲可分為人為噪聲和環境噪聲。人為噪聲在靠近人類活動附近區域較為明顯。而環境噪聲是水聲信道中的一種干擾背景場[43]，主要包括潮汐、海面波浪、地震活動、生物群體等海洋中的噪聲源，在不同時間和地點存在明顯的變化，它們對系統接收信噪比的限制影響嚴重。由于受到人為噪聲和環境噪聲的同時作用，水聲通信系統的接收信噪比一般較低，嚴重的噪聲干擾極大地影響著水聲通信及組網系統的性能。

3.5 多徑效應

聲波在傳播過程中受到海水分層介質的折射和海面、海底的反射等影響，因此在聲源與接收點之間存在多條先后到達接收機的不同路徑[44]，這種現象稱為“多徑效應”。多徑效應是導致信號快速衰落的一個重要因素，幾乎存在于所有陸基和水下通信技術中。在時域上，多徑效應引起信號的時間擴展，在頻域上，則會造成頻率選擇性衰落[45]。水聲多徑信道不僅使信號時域波形和頻譜產生畸變，而且致使時延可達到秒量級，引入了很大的碼間干擾。

3.6 多普勒效應

發射端、接收端二者之間發生相對移動，便會產生多普勒效應[46]。多普勒效應對水聲通信造成的干擾要遠遠超過對無線電通信的干擾，其主要原因在于水下聲波傳播的速率遠低于空氣中電磁波傳播的速率，即使很小的相對速度也會導致嚴重的多普勒頻偏[4]。除通信節點之間的相互影響外，波浪起伏的海洋反射的聲波和湍流的聲波折射的聲波都會引起不可忽視的多普勒頻移，對水聲通信與組網造成一定影響。

3.7 能量受限

由于水下聲波衰減比空氣中無線電信號衰減大得多，因此水聲通信節點的發射功率通常需要比陸地無線電通信設備高一個數量級[47]。除此之外，水聲通信網絡節點能量十分有限，尺寸相對較大，加之水下環境復雜惡劣，水聲通信節點很難更換電池或對電池充電，雖然有些位于淺海的水聲通信網絡節點可以利用太陽能充電，但是獲取的能量也十分有限，一旦能量耗盡，節點將失效。

水聲通信與組網究其本質是無線通信和組網的一種，信道是整個通信和組網鏈路中非常重要的組成部分，通信的核心工作之一就是要使整個通信系統與信道相匹配，信道質量的好壞會極大地影響通信組網實現的難易和質量。我們看到，相比于空氣中的無線電信道或者各類有線信道，水下聲信道都復雜惡劣得多，很多在無線電通信中成熟的理論和算法，并不能直接應用于水聲通信與組網中。無論是聲波在水下傳播的物理特性，還是水下的環境噪聲與人為噪聲等，都是人們在水聲通信與組網過程中需要攻克的難關，即便水聲通信與組網技術經過了幾十年發展，克服信道對水聲通信與組網帶來的影響仍然是擺在我們面前最需要解決的問題。

4 水聲通信技術

引言中提到，水聲通信技術在發送端把信息加載在聲波上，通過聲波將信息傳輸到接收端。而將信息加載到聲波中以及將信息從聲波分解出來離不開物理層的調制與解調。物理層定義了通過連接水聲通信節點的物理鏈路信道傳輸比特的機制，發送端將比特流調制為聲信號以在水聲信道中傳播；接收端將收到的聲信號解調，恢復成原始的比特流，并向協議棧上層提供信息。水聲通信中，可以根據解調時是否還原同頻同相的載波來定義為水聲相干通信和非相干通信，本節將以此分類介紹水聲通信技術；同時，隨著對水聲通信技術需求逐漸增加，以應用為導向的新型調制技術也逐漸發展，這也是本節將要介紹的另一部分內容。

4.1 非相干水聲技術

水聲通信技術誕生于20世紀中葉，最開始采用模擬調制方式，隨后逐步向數字調制過渡，到20世紀70年代，數字調制成為水聲通信的主流通信方式。在數字調制技術中，頻移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)、幅移鍵控(Amplitude Shift Keying,ASK)和相移鍵控(Phase Shift Keying, PSK)3種調制技術是3種重要的調制方式，其衍生出的相關技術也驅動水聲通信技術的全方位發展[20]。早期的數字水聲通信系統大都采用FSK調制方式，并且采用非相干調制技術，非相干水聲通信解調不需要還原或生成同頻同相的載波。

2FSK調制系統中，每個碼元只傳輸1個比特信息，多進制頻移鍵控調制(Multiple Frequency Shift Keying, MFSK)是對2FSK的改進，MFSK中1個碼元傳輸多個比特的信息，采用多個不同頻率的載波來傳輸信息，能夠有效減少遠程淺海信道由于緩慢時變引起的信號相位信息損失，同時在帶寬資源受限的水聲通信中，可提高頻帶利用率。由于水聲信道帶寬資源十分有限而期望傳輸量較大，且單載波無法改善MFSK調制對頻帶的利用率不足的缺點，多載波MFSK調制被提出。多載波MFSK將MFSK調制與多載波技術相結合，兼顧MFSK穩健性的同時，能夠有效提高系統通信速率以及抗多途能力。文獻[48]基于OFDM-MFSK水聲通信系統，提出了一種差錯控制編碼方法，可以減少水聲通信系統的實現成本，并且確保通信可靠性和實時性。

4.2 相干水聲通信技術

水聲通信技術發展初期，非相干調制技術長期被認為是克服水聲信道多途擴展的最佳選擇，但它在帶寬嚴重受限的水聲信道中很難實現高速率數據傳輸。從20世紀80年代開始，為滿足水下數據高速傳輸的需求，如何提高水聲通信信道利用率成為人們研究和關注的熱點問題，相干調制技術被引入水聲通信領域并得到迅速發展，其帶寬利用率比非相干技術有了顯著提升[49]。接下來從單載波相干水聲通信技術、多載波相干水聲通信技術、擴頻水聲通信技術3方面展開介紹相干水聲通信技術。

4.2.1 單載波相干水聲通信技術

相干水聲通信發展的初期階段一般采用諸如PSK, QAM等單載波調制方式。具有里程碑意義的是，1993年，美國東北大學的Stojanovic等人[50]提出了基于判決反饋均衡(Decision Feedback Equalization, DFE)和2階數字鎖相環(Digital Phase Lock Loop, DPLL)的相干水聲通信接收機結構，能夠一定程度上解決時變水聲信道匹配和碼間干擾問題。為應對復雜的信道，提升系統的通信性能，單載波通信系統設計高效可靠的信道均衡器。但對于時延擴展較長的水聲信道，需要更高階數和更為復雜的信道均衡器，但這也增加了整個通信系統實現的復雜度，這是信道均衡技術面臨的主要問題[51]。單載波通信系統通常根據接收機采用的均衡方式，可以分為常規接收系統和迭代接收系統。常規均衡與迭代均衡的實現方式又可以分為自適應信道均衡和基于信道估計的均衡[52]。

文獻[31]提出了一種基于Ludy Transform編碼(LT編碼)的聯合迭代均衡譯碼方法，能夠在深遠海水聲通信中靈活控制編碼速率，并通過聯合迭代均衡譯碼進一步提高通信效率。針對單一均衡算法和單一方向Turbo均衡器存在的誤差傳遞現象，文獻[53]設計了基于迭代Kalman均衡器與改進成比例歸一化自適應均衡器相結合的混合雙向Turbo均衡器。文獻[54]提出一種結合信道短化技術和基于L1范數寬線性變遺忘因子RLS自適應均衡技術判決反饋接收機算法，該算法能有效降低算法的復雜度。陳芳炯等人[55]提出一種零值吸引稀疏控制成比例最小誤碼率判決反饋均衡算法，相較于基于最小均方誤差準則的鎖相環相位追蹤算法，收斂速度更快，誤碼率性能更優。

4.2.2 多載波相干水聲通信技術

單載波相干水聲通信能夠提升非相干水聲通信的通信質量，但是其均衡器的復雜度隨通信速率的提高大幅上升，限制了其應用。多載波技術將高速串行傳輸數據轉化為低速并行傳輸數據，均衡算法復雜度較低，能夠有效增加碼元持續時間，顯著降低碼間干擾，具有一定抗多徑的能力，適用于水聲通信中信道比較穩定且對數據傳輸速率要求較高的中短距離通信場景[56]。本文以當前研究較多的多載波相干水聲通信技術-OFDM技術以及結合MIMO的新型多載波調制技術進行介紹。

OFDM技術利用相互正交的子載波，把通信帶寬分成子通道，對數字信號進行串并轉換之后，將其映射到子載波振幅與相位。該技術中，每一個子信道雖然在頻率上是互相疊加的，但是它可以利用每個子載波間的正交性來避開載波干擾，所以頻率利用率得到極大提升。此外，由于在串并轉換之后，每一個字符的周期都比較長，通過預先添加的保護區間，OFDM技術可以很好地抑制多徑延遲所造成的時間彌散。所以，基于OFDM的水聲通信技術能夠達到提升通信速率的效果，并能一定程度上抑制多徑干擾。但OFDM技術對頻率偏移十分敏感，受多普勒效應影響嚴重，容易導致比特錯誤甚至傳輸中斷[57]。2017年，馬璐等人[58]針對水聲正交頻分復用異步多用戶系統提出一種基于滑動迭代的異步多用戶接入方法，實驗表明滑動迭代異步接收算法在多徑擴展18 ms、異步到達時延大于或等于循環前綴1.5倍時實現了兩用戶異步接入的可靠通信。文獻[59]提出一種采用全雙工聲通信和OFDM技術實現多跳水聲通信網絡數據的同時傳輸和接收數據傳輸方法，在多跳水聲通信網絡中實現無碰撞高速全雙工通信。

MIMO是一種利用多個天線實現在發送端和接收端之間進行信號傳輸的調制技術，該技術利用子信道間的相互獨立性獲得額外的自由度，從而實現并行傳輸獨立數據流，提高數據傳輸速率。MIMO和OFDM的結合是解決水聲信道頻率選擇有限和帶寬資源緊張的低復雜度方案，MIMO-OFDM系統與動態變化快且帶限非常大的水聲信道較為適配[60]。但是在MIMO-OFDM水聲通信系統中，由于信道間的相互干擾和水聲信道嚴重時延擴展產生的頻率選擇性衰落，系統的通信誤碼率仍然較高。針對這一問題，文獻[61]研究了空頻編碼的MIMO-OFDM通信，提出空頻迭代信道估計與均衡(Spatial Frequency Iterative Channel Estimation and Equalization, SFICEE)方法，該方法能夠較好降低誤碼率。

4.3 新型水聲通信技術

近年來，隨著人們對海洋開發探索愈發深入迫切，以面向應用需求為導向的研究趨勢也愈發明顯，因此也催生出多種新型水聲通信技術。目前受到廣泛關注的有擴頻水聲通信、帶內全雙工水聲通信、仿生水聲通信、正交時空頻水聲通信等技術。

4.3.1 擴頻水聲通信技術

擴頻技術是指在“偽隨機”(Pseudo-Random,PR)或“偽噪聲”(Pseudo-Noise, PN)序列的擴頻序列控制下，將信號能量擴展分布到比原始信號帶寬寬很多的頻帶的一種通信體制，擴頻技術具有較好的通信隱蔽性與抗干擾性能[62]，常用于水下穩健可靠通信。傳統擴頻技術可劃分為4種類型：時域直接序列擴頻、頻域直接序列擴頻、跳頻擴頻以及跳時擴頻[63]。周鋒等人[64]提出了一種猝發混合擴頻水聲隱蔽通信方法，該方法通過在時間上隨機地發送脈沖混合調制擴頻信號降低被截獲概率，可以比較靈活地通過調整平均占空比來滿足不同隱蔽性要求。

擴頻通信雖然可靠性高，但通信速率和頻譜利用率較低，多載波技術在多徑干擾及符號間串擾有很好表現，并且頻譜利用率高，可以將多載波技術和擴頻結合在一起，即多載波擴頻技術，充分發揮二者的優點，提高通信效果[63]。OFDM技術與CDMA技術的結合被稱為MC-CDMA(多載波碼分多址)，還有上文中提到的MIMO技術與CDMA結合組成MIMO-CDMA系統，也是擴頻技術的創新性發展。文獻[65]針對現有直接序列擴頻碼分多址址(DS-CDMA)水聲通信數據率低且接收復雜度高的問題，提出循環移位擴頻多用戶通信方法。通過基于M元調制的循環移位擴頻技術來有效提高每個用戶的數據率，相對DS-CDMA有著更高的帶寬效率。

4.3.2 全雙工水聲通信技術

傳統水聲通信基本采用半雙工的方式傳輸信息，通信兩端的節點可以雙向收發信息，但是不能同時，通信效率較低。為了滿足日益增長的水下信息交互需求，能夠同時、雙向傳輸信息，大幅提升信息交互效率，并且不占用額外頻帶資源的帶內全雙工水聲通信技術(In-Band Full-Duplex, IBFD)正逐步成為當前水聲通信領域的一個熱門課題[17]。目前，帶內全雙工水聲通信技術尚不成熟，公開的報道以及文獻中尚未出現產品級帶內全雙工水聲通信的工程樣機。但是傳統全雙工水聲通信已經取得一些進展，喬鋼教授團隊[66]提出了基于矢量傳感器零點抑制和收發串漏干擾同步抵消方法的全雙工水聲通信技術，研制出國際上首款具有全雙工通信能力的單矢量水聲通信機，首次從理論和實踐兩方面證實了該方法的有效性，解決了傳統水聲通信收發不能同時進行的問題，提高了通信的即時性和網絡吞吐率，如圖5所示，該設備采用擴頻調制技術和OFDM調制技術，分別在不同頻率上發送控制包和數據包，驗證了全雙工水聲通信的可行性，該團隊正進行同時同頻全雙工水聲通信技術研究，進一步提高通信效率。

圖5 全雙工水聲通信

4.3.3 仿生水聲通信技術

水聲信道的特性導致水聲通信容易受到非合作方的干擾和攻擊，使得保障通信的機密性和安全性成為水聲通信需要考慮的重要問題。目前隱蔽水聲通信的研究大致可以分為3類：低檢測概率(Low Probability of Detection, LPD)通信、低識別概率(Low Probability of Recognition, LPR)通信和低截獲概率(Low Probability of Interception, LPI)通信[67]。為了實現隱蔽水聲通信，傳統方法大多采用低檢測概率技術。這種技術采用擴頻等方法將信號隱藏在海洋環境的復雜噪聲中，使其難以被檢測到，但此類方法在近聲源處信號強度依然較大[68]。與低檢測技術不同，仿生水聲通信是一種低識別概率通信技術，該技術利用海洋生物固有聲音或人工合成的模擬聲音作為通信信號，這些信號即便被探測到，非合作方也會將其判斷成海洋生物聲音而排除，以達到隱蔽通信[69]，仿生通信的應用場景與方式如圖6所示。文獻[70]提出一種基于FSK的仿海豚哨聲水聲通信方法，為了實現水下隱蔽的通信，將通信信號偽裝成海豚的哨聲傳遞信息。宋忠長等人[71]研究了齒鯨生物聲吶工作原理，為水下仿生聲通信、探測和感知技術的發展提供新思路。文獻[72]提出一種仿鯨叫聲的偽裝聲吶通信波形的設計方法，成功實現仿生隱蔽通信。文獻[73]通過分析白鯨回聲定位脈沖串數據，建立參數可動態調整的仿生回聲定位信號模型。

圖6 仿生水聲通信

4.3.4 正交時空頻水聲通信技術

雖然OFDM技術具有頻帶利用率高、抗多徑傳播等優點，且已經在水聲通信中得到廣泛應用，但仍存在著峰均功率比高、受多普勒效應影響嚴重、頻譜泄漏等問題，在高速移動等場景中使用受限。正交時空頻(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)調制技術是由文獻[74]提出的新型調制技術，旨在解決高速移動通信系統中多普勒效應和信道干擾對OFDM的時頻域造成嚴重影響的問題。與OFDM技術不同，OTFS通過將時變多徑信道轉換到時延-多普勒域調制信息。與OFDM系統相比，OTFS具有較低的峰均功率比，且能夠有效抵抗多普勒效應，在高時延、高多普勒的信道條件下具備性能優勢，在水下通信領域具有較大的應用潛力。文獻[75]提出一種基于OTFS技術的水聲通信方案，在不同多普勒因子和不同通信距離的信道條件下進行仿真，比較OTFS系統和OFDM系統的誤碼性能，仿真結果表明在該場景下，基于OTFS的水聲通信系統誤碼性能優于OFDM系統。目前，針對OTFS水聲通信的研究主要集中在波形設計、信道估計與均衡、接收機3方面，如何在性能和復雜度間取得平衡、如何降低水下通信環境中OTFS接收機復雜度、面向復雜水聲信道OTFS系統信道估計與信號檢測方法等都是十分值得關注和研究的問題，也是OTFS技術未來能夠廣泛應用于水聲通信的關鍵。

5 水聲通信網絡技術

水聲通信網絡(Underwater Acoustic Communication Network, UACN)是可以對信息進行采集、處理、分類和壓縮，并可以通過網絡節點以中繼方式回傳到陸基或船基等信息控制中心的綜合系統，具有大規模、自組織、動態性等特點。大規模體現在網絡節點分布在比較大的海洋區域內；自組織體現在水聲通信網絡能夠通過網絡協議自主進行配置和管理，形成自動轉發信息的水聲通信網絡系統；動態性體現在水聲通信網絡能夠適應網絡節點的動態變化。水聲通信網絡技術的研究主要集中在物理層、數據鏈路層、網絡層與跨層設計等，上節介紹的水聲通信技術是物理層有關技術，這節主要介紹數據鏈路層、網絡層與跨層設計。

5.1 數據鏈路層

數據鏈路層是UACN的中間層，其工作目標是使網絡中的每個節點能夠公平有效地共享有限的帶寬資源，從而在提高網絡吞吐量的同時，降低數據包傳輸時延、碰撞概率和節點的功耗等。水聲通信網絡中數據鏈路層主要研究方向是媒介接入控制(Media Access Control, MAC)協議[16]。MAC協議管理對通信介質的訪問，如果不對傳輸介質進行適當的管理，當兩個或多個數據包同時到達目標接收節點時，就會發生碰撞，數據包碰撞造成的沖突會降低整體網絡性能。因此，MAC協議的基本目的是避免沖突，同時考慮網絡吞吐量、能效、可擴展性和延遲等其他性能。

根據MAC協議設計的不同沖突避免策略，可以將MAC協議分為3類：固定分配類MAC協議、隨機競爭類MAC協議，及混合MAC協議，圖7給出了MAC協議分類及各分類中的典型協議。固定分配類MAC協議基本思路是對網絡節點先進行信道資源分配，節點只能在自己被分配的信道資源內進行數據傳輸。隨機競爭類MAC協議則是當節點有數據發送時，需要通過競爭獲得信道資源使用權，如遇到自身傳輸的數據包與其他數據包發生碰撞，則需要按照一定規定重新傳輸數據包，直到數據包發送成功或者放棄發送?；旌辖尤胄蚆AC協議是對不同類型MAC協議的結合。

圖7 MAC協議分類

5.1.1 固定分配類MAC協議

固定分配類MAC協議將不同的頻帶、時隙或碼型等分配給網絡節點，其3種基本類型為時分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)、頻分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)、碼分多址(CDMA)協議。

TDMA從時間的角度劃分水聲信道資源，將時間劃分為若干時隙，網絡節點在指定的時隙內發送或者接收數據，可避免來自相鄰時隙的沖突。TDMA的保護時間與傳播延遲成比例，水聲信號傳輸時延的動態變化使TDMA的保護時隙要更長，從而導致吞吐量較低。TDMA協議可以進一步分為2個子類別：集中式和分布式，關于集中式和分布式的分類如圖8所示。周鋒等人[76]設計了一種能夠將時隙進行動態分配的改進的分布式TDMA協議，并在仿真平臺下對其吞吐量、丟包率和端到端時延3個性能指標進行了仿真，仿真結果表明該協議能夠提高網絡的工作效率。文獻[74]以Super-TDMA協議框架為基礎，提出了一種利用時延與調度信息的改進分布式算法。

圖8 TDMA協議分類

FDMA將頻帶劃分為若干個子帶，并為不同通信節點提供不同子帶。由于子帶帶寬可能小于傳輸信道的相干帶寬，FDMA容易受到衰落的影響；并且，因為水聲通信信道資源十分有限，FDMA類協議占用大量的信道資源，所以不能單獨較好地應用于大規模水聲通信網絡。

CDMA基于擴頻技術允許多節點在整個頻帶上進行傳輸，具有較大的傳輸帶寬，并且能夠同時區分在相同頻帶上傳輸的信號[77]，可以有效地克服由水下多徑造成的頻率選擇性衰落問題。文獻[78]提出了M元能量檢測器算法和了混沌正交組合序列極大優化了M元碼分多址系統接收機結構和解碼運算量。

5.1.2 隨機競爭類MAC協議

隨機競爭類MAC協議通過節點之間相互競爭獲取信道資源使用權，進行介質訪問，不需要資源的預分配。隨機競爭類MAC協議根據競爭方式不同可分為2大類：隨機接入協議和握手協議。隨機接入協議的主要代表協議有ALOHA協議、載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)等。握手機制是網絡節點間通過握手協調方法解決信道共享問題，典型的協議有：多路訪問(Multiple Access with Collision Avoidance, MACA)、利用保護時間的沖突避免協議(Slotted Floor Acquisition Multiple Access, Slotted FAMA)等。

ALOHA協議是隨機接入協議的典型代表，節點不必考慮信道是否被占用，只要有數據就進行發送。如果接收端同時收到多個節點發送的數據，則會發生沖突，需要重傳。水下高時延和時延的動態變化，導致ALOHA不如在陸地上效率高[79]。文獻[80]提出了沖突容忍的CT-ALOHA協議無需握手和同步，不受水聲環境中傳播延遲的影響，通過對發送數據包進行優化編碼，使沖突數據包得以高效解析，從而提高網絡吞吐量，減小丟包率。

CSMA是另一種代表性隨機接入協議，當偵聽到信道空閑時才發送數據，可以更好地利用信道資源[81]。實驗結果表明，水下通信中較高的時延會加劇隱藏終端和暴露終端的問題。時延增加會使得CSMA需要更長的時間來檢測沖突，因此在水下環境中，CSMA不是非常理想。文獻[82]提出一種基于CSMA的傳播延遲感知協議(Propagation Delay Aware Protocol, PDAP)，該協議旨在最大限度地利用帶寬，實現不同節點對之間的交錯但可靠的通信。

MACA[83]是一種不使用載波偵聽感知的握手協議，信道協商通過3次握手直接完成。雖然握手機制能夠解決終端隱藏和暴露終端的問題，但是同時會使時延增加，帶寬利用率降低。文獻[84]在MACA-U協議的基礎上提出了一種RS-MACA協議，該協議在負載較低時與MACA-U協議兼容；在負載較高時，鄰近節點可采用“并行發送”的方式發送，顯著提高了吞吐量性能。發射節點在信道預約等待時間內，同時接受符合條件的鄰節點的發送預約，鄰節點不需要消耗額外時間進行信道預約。完成預約的節點按照時隙進行數據發射，避免了數據包的碰撞。

5.1.3 混合MAC協議

混合MAC協議結合了固定分配類和隨機競爭類等多類MAC協議進行信道資源分配，旨在更好地發揮不同類型MAC協議的優勢?；旌螹AC協議為了滿足通信性能要求，會一定程度上提高算法的復雜度，增加通信開銷。

HSR-TDMA是一種經典的混合MAC協議，針對集群水下通信網絡提出了一種分簇的多通道MAC協議，其中簇內通信采用TDMA技術，簇間通信采用CDMA技術。通信節點的分簇可以實現信道資源的空間復用，使網絡的可用性顯著提高，但是所有節點之間需要嚴格同步。為了兼顧固定分配和隨機競爭MAC協議的優點，H-MAC協議，將單個時間幀劃分為2個時隙，節點在一個時隙通過固定分配方案傳輸數據，為使協議適應流量變化，在另一個時隙通過競爭接入信道。H-MAC具有避免沖突和適應通信條件變化的能力，功耗較低，但也導致信道的浪費。UW-MAC協議，該協議結合CDMA和ALOHA的思想，可達到較高吞吐量與較低延遲和能量消耗。

5.2 網絡層

網絡層主要作用是解決數據包從發送端到達接收端的路徑規劃、流量控制和擁塞控制等問題，即路由問題，路由協議對于實現數據包經過中繼節點順利到達目的節點至關重要。根據數據包轉發路徑數量，路由協議可被分為單路徑路由協議和多路徑路由協議。單路徑路由協議在傳輸數據包前選擇一條能夠通往目的節點的路徑，但如果路徑中間任一節點中斷，該路徑將失效，造成數據包轉發失敗。由于單路徑路由協議在水下復雜環境適應度較差，故使用率較低。多路徑路由協議到達目的節點的路徑不止一條，更適配水下環境。根據數據包的傳輸路徑是否固定，可將路由轉發策略分為傳統路由和機會路由。傳統路由轉發在開始數據傳輸前建立一個傳輸路徑，然后沿該路徑逐跳轉發數據，然而水下通信網絡拓撲結構通常是時變的，傳統路由具有路由建立時間長、維護困難并且轉發效率較低等問題[85]。機會路由是指在轉發候補節點集合中選取節點進行數據傳輸，在信道中廣播轉發節點選取信息，所有成功接收到數據包的節點均有機會繼續進行數據包轉發，該特性能夠提高水聲通信網絡的可靠性與轉發效率。根據是否需要完成的定位信息，路由協議還可被分為基于定位信息的路由協議和不需完整定位信息的路由協議。在水下，目前尚不存在北斗、GPS這樣的全球定位系統，通常，水聲通信網絡節點的位置信息并不容易獲得，在不具備水下定位系統的場景下，不需完整定位信息的路由協議更適用。本節根據實際應用情況介紹一些經典的基于定位信息的路由協議與不需完整定位信息的路由協議。

5.2.1 基于定位信息的路由協議

在通過網絡發送任何數據之前需要網絡中所有節點的定位信息以及有關目的節點位置信息的路由協議稱為基于定位位置的路由協議[86]，因為需要大部分能量用于收集位置信息，這類協議通常能效較低。本節介紹幾種經典的基于定位位置的路由協議用以說明本類路由協議的工作原理，分別是基于矢量的轉發協議(Vector Based Forwarding, VBF)，逐跳矢量轉發協議(Hop-by-Hop VBF, HH-VBF)，聚焦波束路由協議(Focused Beam Routing, FBR)、基于定向泛洪的路由協議(Directional Floodingbased Routing, DFR)。

VBF是一種基于定位的路由協議[87]，它假設每個網絡節點攜帶其自身、目的節點和所有轉發節點的位置信息。利用源節點和目的節點的位置信息創建虛擬路由管道，如圖9所示，該節點發送的數據包的每個頭字段中包括源節點、轉發節點和目的節點的位置信息以及路由管道的范圍和半徑。VBF協議的主要優點是通過允許特定轉發節點參與虛擬路由管道附近的數據包轉發來減少網絡流量；主要缺點是，如果路由路徑中存在空白區域，該協議無法找到將數據包發送到目的節點的路徑，數據包將被丟棄[88]。文獻[89]中提出的HH-VBF協議是VBF的擴展，其中每個轉發節點都計算其朝向接收節點的矢量，以便使用多個虛擬管道將數據轉發到目的節點。與VBF協議相比，HH-VBF可能會由于單跳計算量較大，增加端到端時延。

圖9 VBF協議轉發原理

聚焦波束路由(FBR)[90]是一種無需定位的路由協議，發送節點需要自身和目的節點的位置信息，協議中的數據傳輸使用多個功率傳輸級別，提高了路由魯棒性。該協議的特點是以特定的角度錐體對請求發送(Ready-To-Send, RTS)數據包進行多播，如果發送節點未收到允許發送(Clear-To-Send,CTS)的消息，則會將發送功率級別增加，在達到最大功率水平且未找到鄰居后，角度向左或向右移動以覆蓋整個區域轉發原理如圖10所示。

圖10 FBR協議轉發原理

DFR[91]是基于位置的路由協議，協議中數據包使用泛洪機制到達目的節點。在該協議中，假設每個節點都知道其自身、單跳節點和最終目的節點的位置，如圖11所示，當一個節點有數據包要發送時，它會將數據包泛洪到接收節點。然而，為防止分組泛洪到整個網絡中，潛在的轉發節點必須處于泛洪區域內。泛洪區由FS和FD之間的角度決定，其中S是源節點，D是目的節點，F是接收節點，通常是匯節點。DFR協議的主要優點是，它通過允許最少1個節點參與數據包轉發來解決無效問題，主要缺點是轉發角度不易確定且能耗較高。

圖11 DFR協議轉發原理

5.2.2 不需完整定位信息的路由協議

與基于定位信息的路由協議不同，基于深度信息的路由協議中網絡節點不需要其他網絡節點的完整位置信息，只考慮節點的深度。本節介紹幾種較為典型的基于深度信息的路由協議，分別是：基于深度路由協議(Depth Based Routing, DBR)、節能的深度路由協議(Energy Efficient Depth-Based Routing, EEDBR)以及定向深度路由協議(Directional Depth Based Routing, D-DBR)。

DBR協議在文獻[92]中被提出，該協議不需要獲得完整的位置信息，路由決策依賴于網絡節點的深度值，深度較高的節點將數據包傳輸到深度較低的節點，以此完成從深到淺的數據包傳輸。該協議存在一些不足，首先，在稀疏網絡中，它的性能不佳，可能會出現轉發空洞區域的問題；其次，靠近接收節點或者說深度較淺的網絡節點因過度轉發數據包，導致能量消耗殆盡等原因失效。

為解決DBR協議中深度較淺節點能量消耗過多的問題，提出了EEDBR協議，該協議綜合考慮剩余能量和深度來選擇最佳轉發節點，在相鄰節點中深度值最小且剩余能量最大的節點成為下一跳目的節點。EEDBR的主要缺點是沒有為多路徑通信定義機制。

D-DBR協議是文獻[93]中提出的一種基于無定位接收節點的路由協議，它也是DBR的擴展，其中數據包轉發使用對角線距離的方法。該算法在數據轉發機制中使用到達時間(Time of Arrival, ToA)測距技術，而在路由指令中使用帶有角度保持時間的保持時間函數。該協議的主要缺點是數據包轉發到空洞區域節點沒有設置后退機制，當網絡密度較低時數據包送達率不佳。

本節中提到的所有路由協議的特點與主要缺點歸納如下，如表2所示。

表2 路由協議的特點與主要缺點

5.3 跨層設計

傳統網絡協議棧采用層次化的架構，每一層擁有相對獨立的功能，每層協議都聚焦解決某些特定的問題，并向更高層提供服務。這種層次化的網絡協議架構方便了系統的實現、維護和擴展。然而，隨著網絡業務量的增長與網絡運行環境復雜度提升，分層網絡結構就需要處理更多甚至過量的工作。此時，傳統分層協議設計的局限性就顯露出來，因為無法直接調度其他層的信息參數，只能通過相鄰兩層之間的通信傳遞需要的信息，這會導致時延增加，從而降低系統效率，并使得協議棧無法充分利用有限的頻譜資源和功率資源[94]。隨著傳統分層結構的弊端逐漸暴露，跨層設計的優點逐漸體現。

在水聲通信網絡中，跨層設計的重點是在物理層、數據鏈路層和網絡層之間。物理層可為其他層提供發送功率、誤比特率和調制編碼方式等參數，數據鏈路層的共享參數有目前傳輸的數據幀長度、數據傳輸開始和結束的時間等。因此，通過利用這些物理層的信息參數，可實現自適應調整數據鏈路層的介質接入控制機制，能夠改善整個網絡系統在網絡吞吐量和端到端時延方面的性能。在網絡層與物理層之間進行跨層設計時，物理層提供的諸如信道時延、能量衰減、丟包率等信道狀態信息，可以作為網絡層路由選擇的基礎，進而對路徑進行最優選擇，達到節省功率、最小化傳播時延、最大化吞吐量等目標[95]。通過跨層設計，能夠使網絡中不同層之間進行信息交換、聯調優化，從而達到網絡資源高效均衡的分配，提高網絡整體的工作性能。

文獻[96]中提出了一種水聲通信網絡的模塊化跨層協議，該協議建立在水下路由協議和MAC協議[84]的基礎上，并且優于按照經典分層方法單獨開發的協議。該方案依賴于分布式優化問題來聯合控制路由、MAC和物理功能，以便在水下環境中實現高效通信，同時結合了3D地理路由算法(路由功能)、用于接入帶寬受限的高延遲共享聲學介質(MAC功能)的基于混合分布式CDMA/ALOHA的方案，以及用于聯合選擇調制、FEC和發射功率(物理層功能)的優化解決方案。文獻[97]研究了雙通道水聲通信系統的跨層結構，采用雙通道結構，使得控制與數據的傳輸模式相互分離，并針對不同的傳輸特性與需求，實現信道的最優配置。在此基礎上，提出了物理層與LLC層的聯合設計，以及網絡層與MAC層的聯合設計。這種模式對層次的結構進行了重新規劃，采用了降低系統層次、聯合設計和跨層次交互的方法，對系統內存的使用進行再優化。

6 總結與展望

水聲通信與組網一直是水下信息無線傳輸的研究熱點。雖然受信道非理想特性影響，水聲通信與組網技術需要克服諸多問題，經過幾十年的發展，水聲通信在可靠性和有效性方面已經獲得長足進步，目前網絡化發展也如火如荼。針對水聲信道的特點，國內外學者提出了一系列水聲通信網絡技術和方案，致力于構建穩健、可靠、高效的水下通信網絡。國內的水聲通信及網絡研究工作雖然開展較晚，目前正逐漸縮小與其他國家地區的差距，部分成果性能已達到國際領先水平。但需要認識到，水聲通信及網絡技術仍存在不少問題需要解決，不少難關需要攻克。

前文已經講過，水聲通信與組網從本質上來說是無線通信與組網的一種，而水聲通信組網與有線通信組網或者其他無線通信組網，最大的差異之一，同時也是最大的難點之一，就是時空頻變的水下復雜的聲信道環境。深水淺水、水平垂直、固定移動等因素都會使信道對水聲通信組網造成不同的影響。盡管現在看來還很難做到在任一條件都預測或計算出精準的信道，但如果能將信道歸納成一套由若干典型模型組成的標準信道庫，可以大力推動水聲通信及網絡技術的發展。

評價通信系統通常采用有效性和可靠性作為質保，這兩者相互聯系且矛盾，人們希望在獲得高有效性的同時也獲得高可靠性，但現實中往往要在二者中做出平衡，這就體現了自適應的重要性。同樣，水聲通信及組網在面向應用時呈現出的一大特點是沒有哪種物理層通信方式、網絡拓撲或協議等能夠滿足所有應用場景，物理層水聲通信實驗通常采用前文寫到的通信距離與通信速率乘積來衡量有效性，這個指標還有一個隱含條件，即誤碼率應在較低水平，這用來衡量的是可靠性。雖然通信距離與通信速率乘積在近二三十年已提升十余倍，水聲通信網絡規模與性能也有了大幅發展，但與能滿足全部場景或多個場景的自適應水聲通信組網尚存較大距離。這就需要我們在加深對應用需求和通信組網認知的基礎上，開展基于人工智能等技術的自適應水聲通信及網絡技術研究。

此外，研制小型化、低功耗、通用性強的水聲通信機；制定標準化的水聲通信網絡協議或協議棧；開發高保真的水聲通信及網絡仿真環境或軟件；實現可用于UUV等水下移動平臺的水聲通信及組網；實現水聲通信、探測、定位、導航一體化等工作，都是非常具有研究意義和應用價值的。