李海雷，張洪剛，黃靖航

（海軍工程大學 兵器工程學院，湖北 武漢 430033）

0 引 言

通信作為信息的重要傳播技術，引領著行業(yè)的發(fā)展。其應用可涵蓋海、陸、空，就目前的發(fā)展來看，陸域的因特網(wǎng)和空域的無線電傳輸已經(jīng)取得成熟的應用。而在水下，只有聲信號可以遠距離傳輸，但由于水聲信道多變且復雜，存在著長時延、強多途、快起伏、大衰減、嚴帶限、高噪聲等固有特性，使得通信技術在水下的應用研究明顯滯后。當前各國都投入大量的人力、財力、物力著重發(fā)展水聲通信技術，充分體現(xiàn)了其在未來發(fā)展的重要性。

水聲通信網(wǎng)絡（Underwater Acoustic Communication Network, UACN）是以聲波為信息載體組成的水下無線傳感器網(wǎng)絡，UACN在海洋領域的開發(fā)研究中具有重要作用，可廣泛應用于海洋科學研究、氣象水文數(shù)據(jù)采集、環(huán)境污染監(jiān)測、海洋地質(zhì)勘探、洋流運動數(shù)據(jù)獲取、海洋災難預警救助等方面。在軍事領域，UACN可為水下作戰(zhàn)提供通信、探測、定位和導航所需的信息傳輸互聯(lián)功能，特別是對水下偵察和作戰(zhàn)群體的管理、指揮、調(diào)度具有重要作用，是未來水下信息化無人戰(zhàn)、智能戰(zhàn)的重要技術支撐。

海洋興則國興，我國當前及未來的安全挑戰(zhàn)主要來自海上，相對于陸空域無人化、智能化集群作戰(zhàn)的蓬勃發(fā)展，水下方向作戰(zhàn)的多平臺協(xié)同、集群作戰(zhàn)的研究進展明顯滯后，其根本原因是水聲通信網(wǎng)絡的關鍵技術沒有突破。例如在水下反潛作戰(zhàn)中，作戰(zhàn)平臺包括水面艦艇、潛艇、反潛飛機及UUV等，不同平臺發(fā)射的攻擊武器入水后無法有效協(xié)同，甚至會相互干擾。如果水下節(jié)點基于水聲通信技術形成移動網(wǎng)絡，實現(xiàn)信息互通，共享戰(zhàn)場態(tài)勢，必然會帶來作戰(zhàn)效能的跨越式提升。

國外在水聲通信領域的研究起步較早，主要成果有美國發(fā)展的Seaweb項目，以及在此基礎上發(fā)展的可部署分布自主系統(tǒng)（DADS）。歐洲在MAST計劃支持下發(fā)展了淺海聲通信網(wǎng)絡SWAN、淺海長距離穩(wěn)健聲鏈路等項目。國內(nèi)多所大學、研究所近年來加強了水聲通信領域的研究，研究成果覆蓋水聲通信與網(wǎng)絡技術的諸多層級，部分試驗結(jié)果已與國外水平相當。然而，綜合來看，我國水聲通信技術仍落后于西方主要國家。本文基于此背景展開研究，首先分析了目前水聲通信網(wǎng)絡體系結(jié)構與水聲信道特性，然后針對水下多平臺協(xié)同攻擊需求對比分析了典型水聲MAC協(xié)議特征及其在水下移動網(wǎng)絡中的適用性，并在此基礎上提出了可用于水下小規(guī)模移動通信網(wǎng)絡的MAC協(xié)議初步設計。

1 水聲通信網(wǎng)絡的體系結(jié)構

目前水聲通信主要解決兩個問題，一是點到點的2個信息源間的通信；二是在聲通信的基礎上進行組網(wǎng)，即解決多個通信節(jié)點共享水介質(zhì)信道時的信息交互問題。

基于國際化標準組織開放系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI）的網(wǎng)絡通信分層和結(jié)構劃分，可將水聲通信網(wǎng)絡UACN簡化為三層結(jié)構，如圖1所示。

圖1 OSI與簡化的UACN分層結(jié)構

（1）物理層：進行二進制數(shù)據(jù)流的發(fā)送與接收，處于通信最底層與信道直接相關，包括信號調(diào)制解調(diào)、信道編碼等；

（2）數(shù)據(jù)鏈路層：主要是通信協(xié)議的設計，包括為每個傳感器終端節(jié)點公平有效的分享帶寬資源，負責數(shù)據(jù)幀的傳送，并進行必要的同步控制、差錯控制與流量控制；

（3）網(wǎng)絡層：負責源節(jié)點到目的節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸路徑的建立，完成路由與傳輸功能。

本文針對水聲通信網(wǎng)絡UACN分層結(jié)構中的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議開展研究。由于水下信道復雜多變，水聲通信領域的研究成果大多是在特定條件下，基于無線電經(jīng)典協(xié)議的適應性改進，當前國際上并未建立適合水下各種條件的通用水聲通信標準。因此，對于水聲通信網(wǎng)絡的研究，應該突破陸空域無線通信網(wǎng)絡的系列標準，探尋一種不同于無線電傳輸?shù)亩x模式。尤其應該探討針對不同信道條件、不同應用需求等特定應用的個性化水聲通信網(wǎng)絡標準。

2 水聲通信的信道特性

水聲通信的信道特性包括時變、空變、頻變，隨季節(jié)、氣候等不確定性因素而致的隨機性，以及有限的信道帶寬等，而對于水下移動通信節(jié)點，強多普勒效應也是考慮的重點。

由于海水介質(zhì)本身的吸收、波陣面擴展、聲線彎曲以及海水介質(zhì)的不均勻性等導致聲傳播有著嚴重的衰減。水聲信號傳播衰減主要包括幾何擴展損失TL和水介質(zhì)的吸收損失TL，其中，TL隨工作頻率的提高迅速增大：

對于水聲通信信道帶寬受限情況，上、下邊頻的傳播衰減起伏對水聲通信的影響不容忽視。如果水聲通信頻帶選取2～4 kHz，對于通信距離=50 km，其上、下邊頻傳播損失相差5 dB，即使=100 km，傳播損失也僅相差10 dB，進行合理的電路或信號處理設計就可以適應。但如果信號頻率取2～8 kHz，在=50 km和=100 km條件下TL就分別變?yōu)?0 dB和39 dB，接收處理部分很難適應。由此可見，不僅聲傳播衰減隨頻率升高急劇增大，且由此帶來實際可利用的頻帶寬度非常有限。不同頻率（）和傳輸距離（）下的TL見表1所列。

表1 不同頻率（f）和傳輸距離（r）下的TL（dB/km）

強多途徑效應也是制約水聲通信應用的一個重要因素。由于海水介質(zhì)不均勻性、海面和海底的反射、水中折射等因素，聲線傳播有多條路徑，接收端的聲場可看做是到達聲線的疊加，造成了多途效應。圖2所示為節(jié)點發(fā)送信號沿著多條不同路徑到達目的節(jié)點的示意圖。多途效應對于接收信號的影響包括信號幅度的隨機起伏和衰落，在時域上表現(xiàn)為信號的時延擴散和碼間干擾，頻域上體現(xiàn)為頻率選擇性衰落。沿不同路徑傳播的信號到達目的節(jié)點的時間不同，使得信號的振幅與相位的相關性減弱，給信號解調(diào)帶來了極大困難。

圖2 水聲信道的多途效應

水聲通信發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的相互移動會產(chǎn)生多普勒頻移。此外，海洋介質(zhì)的不均勻性，即信道的時變、空變性質(zhì)也會產(chǎn)生多普勒頻散。由于水下聲速約為1 500 m/s，比電磁波傳播速度小5個數(shù)量級，水聲通信節(jié)點較小的移動速度就會造成明顯的多普勒頻移。水聲信道的載波頻率低，帶寬有限，再疊加較強的多普勒頻移，導致水聲信道的通信性能降低，高速率傳輸易引起接收端相鄰碼元的干涉。

綜上，關于水聲通信信道高多普勒、強起伏、快時變等典型特性，對于水下移動節(jié)點的水聲通信必然導致高誤碼率、不穩(wěn)定、作用距離近等問題。在復雜的海洋環(huán)境下如何提高通信速率，降低誤碼率具有空前的挑戰(zhàn)性。

3 水聲移動網(wǎng)絡MAC協(xié)議

在水聲網(wǎng)絡通信分層體系結(jié)構中，MAC協(xié)議是數(shù)據(jù)鏈路層的重要組成部分，也是受水聲信道影響在網(wǎng)絡體系構建中最具特色的內(nèi)容。MAC協(xié)議將信道資源分配給用戶，實現(xiàn)多用戶公平、高效共享帶寬資源，避免碰撞和沖突。水聲通信中，MAC協(xié)議通常分為2類，分別是固定分配類MAC協(xié)議和隨機競爭類MAC協(xié)議。固定分配多址方式就是在頻域、時域或碼域先將信道劃分成子信道，再將這些子信道分配給用戶；隨機競爭多址方式則是競爭訪問信道，用戶按自身意愿隨機發(fā)送信息，當發(fā)生碰撞時按協(xié)議處理。

3.1 固定多址接入?yún)f(xié)議

固定多址接入?yún)f(xié)議又稱靜態(tài)分配多址接入?yún)f(xié)議，典型的固定多址接入?yún)f(xié)議有頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）等。

FDMA協(xié)議將通信系統(tǒng)的有限可用頻帶劃分為若干等間隔頻段，每個用戶指定唯一的頻段或信道。分配好信道后，收發(fā)雙方可連續(xù)不斷地發(fā)射且不受干擾。FDMA技術存在信道帶寬利用率低、不同頻段頻率選擇性衰落等問題。綜合來看，頻分多址技術對于節(jié)點數(shù)較多且數(shù)量變化快，突發(fā)性強的水下移動節(jié)點并不適合。FDMA協(xié)議原理如圖3所示。

圖3 FDMA協(xié)議原理

CDMA協(xié)議利用擴頻編碼調(diào)制信息流，比如用帶寬遠大于信號帶寬的偽隨機序列碼進行調(diào)制，不同的用戶使用相關性較低的偽隨機序列碼，從而擴展原數(shù)據(jù)帶寬。CDMA的優(yōu)勢是在抗頻率選擇性衰落方面魯棒性更高，具有更強的抗多途干擾能力和保密性，這對于軍用水聲通信網(wǎng)絡尤為重要。但CDMA系統(tǒng)容量會受多址干擾的限制，同時其存在遠近效應。對于活動范圍變化較大的移動節(jié)點，由于距離變化和信道空變特性會影響接收端的聲壓值，必須調(diào)整發(fā)射功率和碼長度來適應，并不斷更新設置值，此舉增加了水聲網(wǎng)絡的復雜度。CDMA協(xié)議原理如圖4所示。

圖4 CDMA協(xié)議原理

TDMA協(xié)議將時間分成周期性的幀，每幀再分成若干個時隙，然后按照一定的時隙分配原則使用戶在指定的時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。TDMA的優(yōu)點是靈活性強，即一幀中分配給不同用戶的時隙數(shù)目可改變，因此可以利用優(yōu)先級重新分配時隙。但如果用戶在已分配的時隙上無數(shù)據(jù)傳輸，這段時間將被浪費。由于水聲信號的傳播時延大，時隙間的保護間隔取決于最大傳播時延和同步精度，實際應用中應設置得足夠大，以免由于傳播時延的不同而引起碰撞，此舉導致網(wǎng)絡吞吐量較低，因而不適合用于長距離、大范圍、高吞吐率的水下通信組網(wǎng)。CDMA協(xié)議原理如圖5所示。

圖5 TDMA協(xié)議原理

3.2 隨機競爭多址接入?yún)f(xié)議

隨機競爭多址接入?yún)f(xié)議中，網(wǎng)絡節(jié)點通過公平競爭獲得信道使用權，無需提前分配。典型的隨機競爭類MAC協(xié)議有ALOHA協(xié)議、載波偵聽多址接入（CSMA）、IEEE802.11協(xié)議（CSMA/CA）等。

ALOHA協(xié)議引入了數(shù)據(jù)包廣播結(jié)構，每個節(jié)點可自由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。若不同節(jié)點的數(shù)據(jù)幀出現(xiàn)重合則沖突發(fā)生，這時需要按照重傳機制及時處理，直到通信成功。為檢測沖突，后續(xù)提出的ALOHA-CA和ALOHA-AN協(xié)議中，節(jié)點根據(jù)偵聽到的數(shù)據(jù)包信息與節(jié)點間的傳播時延進行沖突避免。ALOHA協(xié)議適用于網(wǎng)絡負載不太高的稀疏網(wǎng)絡，特別是傳輸時間較短的突發(fā)性傳輸場景。

CSMA協(xié)議中如果一個節(jié)點的數(shù)據(jù)要發(fā)送，首先需檢測信道是否空閑，若信道忙則等到空閑時再傳輸，這樣可以降低數(shù)據(jù)碰撞概率，提高系統(tǒng)利用率。如果多個節(jié)點檢測到信道空閑后立即同時接入信道，將導致沖突。為避免這類沖突的發(fā)生，可以增加隨機退避時間或增加載波偵聽，即CSMA/CA協(xié)議。由于水聲信道中的傳播時延大大高于陸空域無線網(wǎng)絡，因此在水下移動網(wǎng)絡中CSMA協(xié)議的性能無法保證。

3.3 水聲移動網(wǎng)絡MAC協(xié)議設計需解決的問題

相對于陸空域無線網(wǎng)絡，水聲無線網(wǎng)絡MAC協(xié)議設計應重點考慮時延、隱藏與暴露終端問題。

水下聲信號傳播速度約1 500 m/s，相比空氣中的無線電波相差5個數(shù)量級，因此具有嚴重的長時延問題。增加控制報文可以確保有效信息的無干擾轉(zhuǎn)發(fā)，但同時非有效信息占有一定時間，增加了傳輸過程的時延。如果減少類似RTS/CTS的握手次數(shù)，則會產(chǎn)生隱蔽終端或者暴露終端的問題，影響傳輸效率。同時，由于水聲信道的高傳播延遲，2個站點是否沖突不僅取決于他們的發(fā)送時刻，還取決于他們的地理位置。對于水下移動通信節(jié)點，其間的相對運動與動態(tài)調(diào)整均會影響通信特性。

隱藏終端指一個節(jié)點傳輸對于另一個節(jié)點傳輸是隱藏的，在接收端造成沖突。暴露終端指節(jié)點不必要的推遲發(fā)送信息。隱藏終端與暴露終端降低了傳輸效率，浪費有效時間。目前解決這類問題的方法主要通過握手機制，但會導致控制信息占用較多的信道資源。尤其對于水下移動無線網(wǎng)絡，握手機制大多數(shù)情況下會降低網(wǎng)絡通信效率并增加時延。

從以上分析可以看出，時延問題和終端問題在解決方案上背道而馳，時延問題的解決是通過減少節(jié)點間的握手次數(shù)，控制非有效信息的占用；而終端問題的解決是增加控制報文來明確節(jié)點間的互通關系，進而減少信息間的碰撞和沖突，提高信息的有效、有序傳輸。所以我們在設計協(xié)議時必須綜合考量，根據(jù)設計需求和所處的水聲環(huán)境權衡設計。

4 水聲移動網(wǎng)絡MAC協(xié)議方案設計

由于水聲通信信道的復雜性以及通信需求的多樣性，由前述分析可見，MAC協(xié)議設計的通用化、標準化目前難以實現(xiàn)。針對水聲移動網(wǎng)絡通信這一特定需求，給出以下幾種MAC協(xié)議方案設計。

4.1 混合MAC協(xié)議

混合模式的MAC協(xié)議主要針對水聲移動網(wǎng)絡組網(wǎng)不同環(huán)節(jié)的特點，使用不同的接入模式，從而提升整體接入性能。為減小水聲信道多徑效應引起的頻率選擇性衰落影響，采用適用于淺海水聲通信網(wǎng)的跳頻碼分多址（FHCDMA）方案，并將TDMA與CDMA技術相結(jié)合，作為水聲移動通信網(wǎng)的多址接入方法。分布式拓撲是將相鄰節(jié)點歸入一個簇中，在簇內(nèi)使用TDMA，簇間使用CDMA接入，通過重用CDMA碼字實現(xiàn)網(wǎng)絡大小的改變。大量實驗數(shù)據(jù)表明，混合模式的MAC協(xié)議比較適合特定條件下的水聲通信。

4.2 合成包協(xié)議

由于信道的長時延特征，若采用多次握手方式避免沖突，水下移動節(jié)點在忙碌的信道傳輸中吞吐率明顯下降。因此在水下移動網(wǎng)絡MAC協(xié)議設計中應著重考慮減少握手次數(shù)，可以基于一種合成包協(xié)議的思想進行MAC協(xié)議設計。基本思想是將確認幀和數(shù)據(jù)幀合成為一個包，節(jié)點同時將這個包發(fā)送給臨節(jié)點，每個接收節(jié)點對包中感興趣的部分進行提取。同時利用傳輸過程的長時延特征允許節(jié)點進行其他處理，比如可以從信道隊列中接收下一個數(shù)據(jù)包。利用傳輸間隙進行與多個節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，不僅節(jié)省了單獨分開處理的時間，也改善了ALOHA協(xié)議在等待ACK幀期間新數(shù)據(jù)不能及時傳遞的情況，在克服長時延的同時又能較好地避免沖突。

4.3 定向訪問MAC協(xié)議

當前MAC協(xié)議設計大都基于全向通信模式，如果采用定向訪問MAC協(xié)議，就能利用節(jié)點的位置信息，采用定向模式傳輸數(shù)據(jù)。發(fā)送節(jié)點通過指向性換能器依序連續(xù)發(fā)送傳輸請求信號，并通過相對位置信息表來判別自己是否影響正在進行的信息傳輸，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡的高效無碰撞運行。節(jié)點A、B間預約通信如圖6所示，將通信節(jié)點分為3部分，依順序由1至3不斷發(fā)送信號，若收到回波信號，則在該方向進行協(xié)議約定，進而進行數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點自身存儲鄰節(jié)點的相對位置信息，多個節(jié)點接入時可以查閱相對位置表，檢查傳輸過程是否會受到影響。圖中節(jié)點A和B進行有效傳輸，節(jié)點C和D均在A的傳輸范圍內(nèi)，此時C節(jié)點通過查看位置信息表發(fā)現(xiàn)自己影響了A、B節(jié)點間的傳輸，進而采取退避或等待措施，而節(jié)點B、D間未受影響，可以繼續(xù)進行原有通信。這種模式無需節(jié)點間先驗位置信息，通過檢索相對位置信息表就能較好地避免沖突。

圖6 節(jié)點A、B間預約通信

5 結(jié) 語

論文分析了水聲通信網(wǎng)絡的體系結(jié)構及水聲通信的信道特性，將其作為數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議研究的基礎。在對當前典型MAC協(xié)議充分研究的基礎上對比分析了各種協(xié)議的優(yōu)缺點，及其在水下移動網(wǎng)絡中的適用性。最后，在綜合前人研究成果的基礎上提出了對于水下小規(guī)模移動通信網(wǎng)絡MAC協(xié)議的設計方案。水下移動通信網(wǎng)絡技術對于我國的海洋開發(fā)與軍事應用具有重要價值。但當前對于水下移動網(wǎng)絡的研究還處于起步階段，尤其是對高速移動的水下節(jié)點間通信及組網(wǎng)問題，還有諸多技術問題需要解決。論文通過綜述形式給出本領域的需求與研究現(xiàn)狀，寄望于引起更多專家聚焦該領域，更好地服務于我國的海洋強國戰(zhàn)略。