水下无人系统学报
Journal of Unmanned Undersea Systems
2024年第4期
空海跨域通信专栏
基于云端软件定义水声的跨域通信系统
署名作者：
姚可星1, 官权升1, 谢佳轩2, 赵昊3, 王焱1
作者单位：
1. 华南理工大学 电子与信息学院, 广东 广州, 510610
2. 清华大学 信息科学技术学院, 北京, 100084
3. 广州航海学院 信息与通信工程学院, 广东 广州, 510725
基金项目:
国家自然科学基金(U23A20281); 广东省科技计划项目资助(2023A0505050097).
摘要
由于水声通信性能的制约, 跨水-空界面的数据传输性能难以进一步提升。针对该问题, 文中提出了一种基于云端软件定义水声(C-SDA)的跨域通信系统架构。C-SDA将水声接收机从水面中继节点移动到云端(即监测中心), 并利用无线电通信带宽交换云端计算资源进行水声信号解调和解码。中继网关的水声-无线电双栈网络协议被简化为单栈结构, 避免了数据包的封装和再封装, 节省了硬件成本。C-SDA不仅能实现先进的通信信号处理, 而且能促进水声通信技术的更新和迭代。现场测试实验结果表明, 与自研的嵌入式水声接收机相比, C-SDA能够适用更高性能的均衡器, 使误码率得到显著改善。
引言
水下数据获取和传输是诸如资源勘探、灾害预防、生物和环境监测等众多海洋应用的基础。数据通常通过部署在水中的传感器获得, 然后回传至陆地监测中心。在此过程中, 数据传输必须跨越水-空介质。
近年来, 跨水-空介质直接通信方面的研究受到关注。Zhao等[1]提出一种用于下行通信的激光致声跨介质通信方法, 该方法基于热膨胀效应将空气中的光波转换为水中的声波。上行数据传输方面, Qian等[2]提出了一种平移声学-射频(translational acoustic-radio frequency, TARF)通信系统。TARF使用超高频雷达解码由声波引起的水面微小振动, 从而将信息从水下传输到空中, 其性能取决于水面平静程度和雷达探测能力。为测试TARF性能, 在水箱和泳池中进行实验, 将雷达设置在水面上方40 cm, 声呐发射机在水面以下3.5 m处时, 结果显示当水面上的波峰低于16 cm时, 数据速率达到数百比特每秒, TARF仍处于实际应用的早期阶段。
利用水面网关进行信号传输是水-空跨介质通信常用解决方案。电磁波和声波等在穿越水-空介质时, 会经历严重的能量衰减和信号反弹, 如声波跨越水-空介质时, 能量将损失99.9%[3]; 而电磁波在空气中传播性能优良, 但在水中传播会被吸收迅速衰减。因此, 单一的通信载波不能同时适用于水域和空中通信, 跨水-空介质数据传输需要空中和水中不同的通信媒介。射频波和声波分别因其在空气和水下的良好传播性能而被广泛应用于远程通信。浮标、自主水下航行器等网关通常部分淹没在水中, 并分别通过声波和射频波连接水下网络和空中网络。上行传输过程中, 网关首先对接收到的水声信号进行解码以解封装水声数据包, 然后重新封装成无线电数据包转发到信宿。
水面网关方案的性能提升面临以下挑战。一是水声通信性能较差, 是跨介质传输的瓶颈。水声信道带宽有限, 具有严重的多径衰落、广泛的多普勒扩展等特点[4], 难以实现高速、可靠的水声通信。与空中无线电链路相比, 水声链路的数据速率低, 误码率(bit error rate, BER)更高, 时延更长, 其比特率(高达10 kbit/s)和传播速度(约1500 m/s)比无线电链路的相应指标低约4个数量级[5]。然而在上行传输过程中, 水声和无线电链路共同传输相同的海洋数据, 因此水声链路往往较为拥堵, 而无线电链路则较为空闲。二是水面网关计算能力有限, 阻碍了水声通信的进一步提升。水声信道的高阶调制和可靠接收需要大量计算。例如, 基于最大后验(maximum a posteriori, MAP)准则的最优Turbo均衡器的计算量会随着调制阶数和信道长度呈指数增长[6], 而基于嵌入式开发的水面网关系统并不具备强大的计算资源。作为一种替代方案, Cipriano等[7]开发了一些次优均衡器来折中实际应用中的复杂度和性能。三是网关中使用双栈协议进行信号转换效率低下。声学机械波和电磁波信号之间无法直接转换, 网关中继通常通过应用层连接水声网络和无线电网络。声波信号需要解调解码, 并经过协议栈逐层地解封装和重封装后转换为无线电信号。在此过程中, 数据处理从物理层到应用层需经过水声和无线电2个完整的网络协议栈, 从而导致水声-无线电信号转换效率较低。
为解决上述问题, 文中提出了一种面向水-空跨域中继的云端软件定义水声(cloud-based software defined acoustic, C-SDA)通信系统架构。C-SDA对水声通带信号进行采样, 并使用无线电协议栈直接封装采样数据。水声通带数据最终在远程云端进行解调和解码, 其特点如下:
1) 跨介质协同。C-SDA实现了水声和无线电媒介的物理层协作。水面中继通过无线电链路直接转发水声通带信号, 协助云端水声接收机中的解调和解码。中继系统的软硬件结构得到简化;
2) 通信和计算的置换。水声链路信号的处理计算与无线电链路的通信带宽之间进行了资源置换, 即利用无线电链路带宽资源省去了中继节点通信的计算, 而水声链路的通信性能则通过云端的计算资源得到改善。通过这种方式, 解决了水声链路带宽有限、中继节点计算能力弱以及无线电链路空闲的问题;
3) 基于云端软件定义的接收。水声接收机从水下移至云端, 而云端强大的计算能力可以适应先进的调制、编码策略和信道均衡, 以实现高数据速率和可靠的接收。此外, C-SDA架构适应了水声通信技术的进步, 可以检测水下节点的不同调制, 更新和迭代云端相应的接收机软件。
结束语
针对水声链路成为跨水-空介质传输的瓶颈, 而空中无线电链路经常空闲的现象, 文中提出了一种面向跨水-空界面中继的C-SDA通信系统架构。C-SDA在水面中继节点中实现水声和无线电媒介的协同工作, 通过交换云端的计算能力和无线电链路的带宽在云端实现水声接收机的功能。云端接收机可以灵活地运用先进的复杂算法, 以提高水声通信的性能。使用现场测试实验结果验证了C-SDA的可行性及其对水声链路性能的改善能力。此外, 文中指出了C-SDA系统在性能优化、FTN、AI以及通感算一体化等方面的进一步研究和应用方向。
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参考文献略
文章有删减，原文刊登于《水下无人系统学报》2024年第32卷第4期，点击阅读原文可查看。
