带内全双工水声通信技术研究现状与展望

近年来,水声通信技术已经被广泛应用于海洋环境观测等方面,但可预见的,在未来发展趋势下,以半双工体制为主的水声通信网络,将会无法满足日益增长的水下信息交互需求。带内全双工水声通信技术可以在相同的通频带内,同时发射和接收通信信号,理论上可将现有的频谱效率提高 1 倍,在水声信道可用频谱资源严重受限、水下信息交互需求激增的背景下具有极高的研究意义与应用价值。因此,带内全双工水声通信技术已逐渐成为了目前水声通信领域的研究热点之一。简要介绍了目前无线电及水声通信背景下的带内全双工技术研究现状,对带内全双工水声通信面临的主要挑战进行了论述,并结合目前现有研究成果与实际工程应用中的难点问题,提出了几种可行的研究方向。     

水声通信及组网的现状和展望

水声通信是海洋中无线信息传输的主要技术手段。水声通信技术在海洋环境监测、水下航行器/载人潜水器作业等方面有着广泛应用。同时,水声信道传输状态多变、海洋作业环境恶劣,对通信算法和设备可靠性有较高要求,水声通信及组网成为目前的研究热点。文中面向海洋环境监测领域,从水声通信物理层技术、网络技术及组网应用等方面进行介绍,并对未来技术趋势进行展望。     

海洋多平台多传感器协同监测任务 智能规划技术

海洋多平台多传感器协同监测任务智能规划技术面向大型复杂海洋传感网络,能够在海洋信息平台及传感设备大规模海上部署的情况下进行大批量的任务规划和观测资源分配,形成海洋情报分析-系统行动规划-行动规划实施-精确情报再收集的良性闭环监测模式。针对重要海上态势,能够通过多平台、多传感器协同行动规划手段,对情报进行持续的、多手段协同的精确观测,有效提升海洋传感网络的监测效率和精确度,显著降低系统对指挥调度人员的素质经验要求,极大提升了海洋传感网络系统的指挥调度智能化自动化水平。该技术全面分析了海洋传感网络的共性特点和特性差异,充分考虑了海上环境、能源、通信等多方面制约因素,建立具有广泛适应性的海洋多平台多传感器协同监测任务智能规划问题模型,能够快速移植到不同的海洋传感网络,采用差分进化、蚁群、贪心等多种群体人工智能算法和状态空间启发式搜索算法,满足不同业务场景规划的需求,同时具备智能约束匹配和规划冲突消解的能力,实现运行规划动态调整、系统资源实时匹配和协同保障。     

异构滑翔器水声通信技术研究现状和发展趋势

水下滑翔器和波浪能滑翔器由于其低能耗、长航时、灵活机动的特点,被广泛应用于海洋观探测任务中。单一滑翔器无法满足海洋任务多样性、复杂性的需求,借助水声通信技术可将水下滑翔器和水面波浪能滑翔器的优势相结合,构成异构体滑翔器编队体系结构,建立跨介质信息传输链路,扩展滑翔器的作用范围和监测能力。简要介绍了水声通信技术的研究现状、常用算法及其优劣,综述了异构体滑翔器水声通信技术研究与应用国内外现状,探讨了异构体滑翔器水声通信技术难点和未来研究趋势。对异构体滑翔器水声通信和组网的研究与应用具有重要价值。     

一种水声组网定位一体化系统设计与实现

水声网络已在海洋信息立体化获取、传输、感知领域中得到广泛研究和应用,水声网络节点的位置是水声网络协议设计、多样化应用中常常需要的重要信息。依托全球定位系统定位、采用常规水声定位技术获取水声网络节点位置等解决方案存在着无法直接水下应用、多节点需多次定位效率低、需要精确时间同步等问题。提出一种水声组网定位一体化方案,该方案利用水声网络运行过程中网络节点互联互通进行的交互可以直接通过应答测距方式进行节点位置解算,从而实现在不影响网络通信的情况下,无需精确同步的通信定位一体化功能。给出了系统组网通信、测距、定位、误差校正等核心环节的设计过程,设计了一套小规模水声网络通信定位试验系统,并开展湖试试验。湖试试验结果初步表明了该系统组网、定位一体化的有效性。     

水声通信网及其多址接入技术

随着世界各国海洋开发步伐的加快,对水下传感器网络、水下监视系统、水声预警网络的需求愈来愈迫切,海洋水声通信网络的研究成了世界范围内的研究热点.水声通信网研究面临的主要困难是:海洋声信道的长延时、可用频带有限、严重的时变多途影响、功耗限制、网络安全性等.在分析水下无线通信的特殊环境后,针对水声通信网的多址接入技术进行了研究,选择适合的传输方式及相关协议构建基于OFDM与CDMA技术结合的水下通信网多载波CDMA系统;在matlab上实现多载波CDMA技术的水声通信网络节点对节点的数据传送,并得出了该系统的仿真结果:在帧长一定的情况下,随着信噪比的增大,系统的误码率会减小.在信噪比一定的情况下,子载波数目的进一步增大不会带来系统误码率的改善反而会使系统复杂性增加,降低系统的平均吞吐量,因此子载波数的选择应该在系统复杂性和效率之间折衷考虑.当水声信道上的信噪比一定时,可以通过控制数据帧的长度和子载波的个数来实现较高的网络平均吞吐量.     

智能水下应急通信一体化探讨

目前海洋应急通信主要关注海面部分,较少涉及水下部分,不能满足水下应急需求。为此,对水下应急通信进行探讨。首先,分析了可能的多种应用场景,讨论了基本的需求和性能指标。其次,从网络拓扑、工作机制和节点类型几方面探讨了系统的体系结构。然后,对关键技术进行了阐述,包括：节点多模通信及功能一体化、网络快速机动部署、网络模式快速切换、水上水下联合一体化等。最后,介绍了智能化可以采用的机器学习和元学习方法,探讨了水下应急通信智能化的思路。     

我国海上试验场建设总体设想

海上试验场的建成可为海洋科学研究、海上技术装备的研发、测试、评价等提供科学有效的试验环境,并可获取长期连续、要素完备的数据资料。可为海洋调查观测技术装备的现场试验和定标检验、海洋观测监测方法研究、海洋学数学模型检验、水下通讯和组网试验、水下传感器网络试验、卫星遥感器在轨现场定标和检验以及军事海洋学研究等科学活动提供技术服务平台。对于快速提升我国海洋技术装备和海洋科学研究水平,实现科技兴海战略具有重要意义。     

面向智慧海洋的MIMO探测通信一体化波束成形设计

随着智慧海洋的不断发展,海洋研究中海洋信息的可靠获取、高速传输和高效处理越来越重要。为此,考虑一个面向智慧海洋的多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）探测通信一体化系统,在同一平台上共享相同的频谱资源来同时实现水下目标探测与通信。首先,对基于通信信号以及基于通信和探测信号叠加的2种一体化波形构成方法进行研究,在满足总功率及通信用户信干噪比需求的约束下,最小化MIMO探测发射波束图匹配误差和互相关图。然后,针对建立的2种波束成形设计问题,将其转化为二次半定规划问题并采用半正定松弛算法进行求解,得到探测通信一体化波束成形矩阵。最后,仿真结果验证了MIMO探测通信一体化波束成形设计的可行性。     

基于水下三维传感器网络的海洋环境立体监测系统关键技术研究

深入分析了我国海洋环境监测技术的不足与现实需求,提出一种基于水下三维传感器网络的海洋环境立体监测系统,探讨了系统的组成、架构及其涉及的关键技术。设计了可自主沉浮的水下传感器节点,探讨了水下传感器节点间、系统与控制中心间的通信方式,对网络拓扑结构进行了三维仿真,最后对水下三维传感器网络的应用前景进行了展望。