海洋里的“千里传音”联通网络——水声通信系统

武侠小说里有一种绝技叫“千里传音”，说的是有些内力深厚，武功臻于化境的高手暗运内息，可以使自己的声音传出很远，令数里之外的人听到。而且功夫高妙的人还可以选择特定的接收对象，使自己发出的信息，只有这个被选定的人才能了解。《神雕侠侣》里，一灯大师想求见隐身于沼泽中的故人瑛姑时，使用的就是本门派的上乘武功“千里传音”，其性能类似于水下的自治通信网络。

在深海，伸手不见五指，电磁波受海水的吸收影响，衰减特别大；光波成了“近视眼”，一般是几十米开外就难以看清了。不要担心，我们还有声波，其在覆盖着地球三分之二表面积的海洋中，能够实现“千里传音”！以声波作为信息传送的载体是目前海洋中实现中、远距离无线通信的唯一手段。那么声波何以能够在海洋中远距离传播，水声通信系统的工作原理又是什么呢？

水声通信系统的工作原理是什么？

声波在水中传播时衰减远小于电磁波，非常低的频率（200Hz以下），在海洋中能传播几百公里，声波在水中（包括海水）的衰减与频率的平方成正比，但即使20kHz的声波在水中的衰减也只有2—3dB／km，这正是声波能够在海洋中实现“千里传音”的“秘技”所在。

声音的传播需要嘴巴发声，耳朵接收声音信息，大脑解析处理到的声信号。类似地，在水声通信系统中，水声换能器充当了嘴巴和耳朵的角色，通过它，声能和电能相互转换，在介质中任意发射和接收不同频率、不同强度的声信号。水声通信系统的工作原理是首先将文字、语音、图像等信息转换成电信号，并由编码器将信息数字化处理后，充当“嘴巴”角色的发射换能器将电信号转换为声信号。声信号通过水这一介质，将信息传递到接收换能器，接收换能器就起到了“耳朵”的作用，声信号又被转换为电信号，电接收机中的解码器像人类的大脑一样将数字信息破译后，信息才又变成声音、文字及图片。

水声通信要重点解决的问题是什么？

水声通信与无线通信的最大差异就是信道不同，水声信道具有多途干扰和强衰弱的特点。浩瀚的海洋被海面和海底两个无限大界面包裹，海水中声信号辐射到两个界面上不可避免地会使它们的传播方向发生改变，下图是浅海信道上的声传播示意图。

从图中可以看出，水声信道多途干扰明显，海水中弯曲的声线，在传播中受到海面、海底的界面反射和随机散射，使得不同时刻不同强度的信号在接收端混叠，产生类似混响的效果，导致接收端无法恢复原始信息。水声信道随着表面海浪波动、海洋内波等变化也随之快速变化，是一个极其复杂的随机时－空－频变参信道。另外，水下声速1500m／s远远小于电磁波传播速度3×108m／s，因此水下平台间相对移动所带来的多普勒效应对系统的影响远远大于电磁波通信。同时，频率越高的声波信号衰减也越严重，导致水下可用的信号带宽十分有限。因此如何克服多途干扰、时变衰落、时域和多普勒扩展、信道带宽窄是水声通信中需要重点解决的问题。

如何衡量水声通信系统的质量？

衡量水声通信系统的质量好坏无非就是信息传得快不快，传递信息的正确率高不高，也就是数据率和误码率这两个指标。无论是海上作业或作战，都要求通信最好是实时的，所以要求通信必须采用高数据率；另外，指令通信对误码率的要求是非常高的，在现如今高科技的快速作战中，一个误码很可能导致一个指令的接收错误，从而贻误整个战机。然而要求高数据率和低误码率，这本身就是一对矛盾，我们通常所说的保证水声通信的质量，是指在保持高数据率的前提下，尽量降低传输的误码率。在满足误码率要求条件下，我们通常用作用距离与通信速率的乘积来衡量水声通信系统的性能，这个乘积值越大，说明系统的通信性能越强。例如，1999年国际上发表的各种水声通信机的指标一般以传输速率×作用距离＝40kbps·km为上限（见下图）。

（传输速率×作用距离）及上限，上限由图中的曲线表示，曲线上的＊号是我国当时达到的指标（纵坐标中baud是通信速率的单位，其中文译名为波特）。

水声通信有何新兴技术？

随着水声通信的发展，对水下高速通信（一般指速率大于2kbit／s）的需求越来越大，借鉴移动通信中的先进和复杂技术成为趋势，如正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）技术、多天线（multiple input multiple Output，MIMO）技术等。其中OFDM技术是近年来国内外学者研究的热点，并取得了一定的试验结果，其核心思想是将整个可用频带分割成多个正交子信道，将待传输的高速串行码流并行地调制在这些子信道载波上，再加上循环前缀以后，使其具有抗多径、频谱利用率高的特点，通俗理解就是一条公路（信道）分配多个车道，这样这条路上就能跑更多的车。MIMO技术是水声通信中刚刚兴起的技术，MIMO也是第四代移动通信（4G）的核心技术，可以看作是一条公路上有多个车道，每个车道就相当于空间复用的一个“空间信道”。只是这些车道不像公路的车道那样是“平行”的，而是由复杂的多径环境构成的、可以通过信号处理手段使其成为互不影响的“多条空间传播信道”。由于MIMO具有提高信道容量、抗衰落、降低误码率等特点，使其成为水下通信极有发展潜力的一项技术，也可以将其与OFDM技术结合使用，以充分发挥两者的优点。