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水下无线通信系统方案Version1.00成都信息工程学院科技处2014年3月20日一、几种水下通信方式比较及选择水下通信主要采用声、电磁波、光几种方式，各种通信方式有其特点及应用范围，各有利弊，现分析如下：1、在水中传播的各种波中，以纵波(声波)的衰减最小，因而声纳技术和水声信息传输技术被广泛采用和关注。目前，水下无线通信广泛使用的是声学通信技术，水声通信技术具有通信距离远、通信可靠性高等优点，声学通信技术在浅海和深海的水下无线通信领域中得到了广泛的应用。但是，水下声学通信也有诸多的局限性。（1）水声信道传输延时长、传输速率低。水中声波的传播速度约为1500m/s，其数据传输速率随着距离增大而降低。（2）可用带宽有限。水下声学通信中的传输带宽是时变的，一般水下链路的容量比陆地上的无线链路的容量低很多，如果再考虑多址接入、信道衰落、噪声和干扰等不利因素的影响，实际可获得的链路容量比理想的无线传输速率还要低许多。（3）功耗高、体积大。由于其波长相对较长，所以其耗能大，对于水下来说其能源补给很是困难。（4）通信质量易受环境影响。水下声信号的传输质量与水温、盐度、压力等环境因素的变化密切相关，在恶劣海洋环境下极易导致通信的失败。（5）安全性差等。水下声信号容易被监听，在军事战争和一些重要机密信息传输中会带来严重的后果。2、采用电磁波进行水下无线通信，由于电磁波是横波，由于水是良导体，趋肤效应将严重影响电磁波在水中的传输，以致在陆地上广为应用的无线电波在水下几乎无法应用。电磁波在有电阻的导体中的穿透深度与其波长直接相关，短波穿透深度小，而长波的穿透深度要大一些，因此，长期以来，超大功率的长波通信成为了水下通信的主要形式。不过，即使是超长波通信系统，穿透水的深度也极其有限(最深仅达80m)，而且超低频系统耗资大，数据率极低，易遭受干扰，难以得到好的效果。3、目前也有采用水下激光通信，原理是采用一种使用波长介于蓝光与绿光之间的激光，在水中传输信息的通信方式，是目前较好的一种水下通信手段。其主要由三大部分组成：发射系统、水下信道和接收系统。水下无线光学通信的机理是将待传送的信息经过编码器编码后，加载到调制器上转变成随着信号变化的电流来驱动光源，即将电信号转变成光信号，然后通过透镜将光束以平行光束的形式在信道中传输；接收端由透镜将传输过来的平行光束以点光源的形式聚集到光检测器上，由光检测器件将光信号转变成电信号，然后进行信号调理，最后由解码器解调出原来的信息。但其也有明显缺点，通信方向性要求较高（要求发射及接收对准），偏离角不能太大，通信距离也有限（数百米），同时功耗也较大，应用受到限制。4、目前还有采用LED光进行水下通信，现对于激光通信，其通信方向性要求现对较低，工程实现较容易，即偏离角可以允许较大高，是当前较高效的近距离水下信息传输技术。与水下声学通信技术相比，光学通信技术可以克服水下声学通信的带宽窄、受环境影响大、可适用的载波频率低、传输的时延大等不足。首先，由于光波频率高，其信息承载能力强，可以实现水下大容量数据传输；其次，光学通信具有抗干扰能力强，不易受水温度和盐度变化影响等特点，具有良好的水下电子对抗特性；第三，光波具有较好的方向性，如被拦截，会造成通信链路中断，使用户会及时发现通信链路出现故障，因此具有高度的安全保密性：第四，光波波长短，收发天线尺寸小，可以大幅度减少发射与接受装备的尺寸和重量，并且目前光电器件的转换效率不断提升，功耗不断降低，这非常适合水下探测系统设计对有效载荷小型化、轻量化、低功耗的要求。综上所述，考虑课题的较高通信波特率（图象传输）、小体积、低功耗、水下短距离通信的要求，课题方案水下部分拟采用采用LED光进行水下通信。水上部分采用常规无线公频（422M）进行通信，二者之间主动识别切换（先进行无线电磁波通信，不成功情况下主动转换到LED光通信方案。二、实施方案框图及说明按设计要求，初步考虑实现水下5m，地面1公里的通信要求，待研制开始后，进一步研究提高水下通信距离。1、系统总体方案：系统方案框图如下：检测方包括电源模块，采用DC/DC高效率开关电源分路提供各部分隔离电源、传感器信号检测及cpu主控模块实现传感器信号检测，以及系统的控制及通信功能、无线公频发射模块实现中距离无线发射功能、LED光发射模块实现数据光发射功能。接受方包括电源模块，采用DC/DC高效率开关电源分路提供各部分隔离电源、cpu主控模块实现通信数据接受纠错处理及系统整体控制，无线公频接收模块实现中距离无线接收功能、LED光接收模块实现数据光接收及转换功能。手机传输模块实现把接受机数据通过移动公网向远程上位机的数据传送功能。三、系统设计中几个技术问题的设计考虑系统设计的关键及技术难点在于水下通信的实现，以及在小功率限制下的功率有效利用及尽可能大的光发射功率控制。（1）、光通信部分链路框图：LED光通信主要由三大部分组成：发射系统、水下信道和接收系统。CPU模块把检测处理后的传感器等待传送的信息经过编码器编码后，通过调制器转变为信号变化驱动光源，以光的形式在水信道中传输；接收端将传输过来的光信号通过光检测器转变成电信号，然后进行信号调理，最后由解码器解调出原来的信息。设计考虑采用基于发光二极管(LED)和光电倍增管的水下光学通信系统，以提高通信质量，同时设计拟采用PPM调制，它具有所需要的发射功率低，设备简单，GPRS模块接收电源无线公频接收发射电源电路光接收模块无线公频发射手机传输模块光收发射模块远程接收上位计算机检测及CPU主控CPU主控模块是水下光通信的较好选择。光通信系统框图如下（此图为单相流程示意图，对水下设备光发射接收都需要）：水下通信信道部分光线受水体中的颗粒影响发生散射和吸收，导致光传输功率的损失光传输在有限功率的情况下有明显缺点。即通信方向性要求较高（要求发射及接收对准），偏离角不能太大，通信距离也有限（数百米），同时功耗也较大。系统设计中考虑通过透镜将LED光束以适当平行光束的形式在信道中传输；接收端由透镜将传输过来的接近平行光束以点光源的形式聚集到光检测器上，由光检测器件将光信号转变成电信号，平行光束有利于聚焦光源能量，但对通信接受角度要求高，将来设计时根据实际情况考虑，大的接收孔径尺寸可以有效地增加所接收的光功率，但是接收孔径尺寸将影响接受端外型尺寸。（2）、电源的设计思路：由于体积及功率的限制，有效利用电源以及尽可能提高光发射功率是通信可靠性及尽可能提高通信距离的关键，其中水下装置主要功率消耗及设计难点在于发射部分。发射部分电源设计采用以下方案，DC12V或24V电源进入后采用DC/DC高效开关电源芯片产生所需的各种工作电源(效率在90%左右)，对发射部分电源设计采用在电源输出端并联超级电容储能，利用光发射速率高，发射时间短的特点，在空闲时利用电容储能，在发射期间，发射输出电流由电容的储能及发射部分电源共同提供，尽可能提高发射时间的输出功率，达到增长通信距离的效果。同时根据项目要求，如果可行的话，在降低功耗方面，设计时水下设备在休眠工作方式及测量传数状态间循环切换。因为测量和发射时间极短，休眠时间长短可设置，以降低平均功耗。（3）、传感检测模块设计传感检测模块设计主要考虑是一次还是二次信号，如果是二次信号（指的是所有信号均由水下设备以标准电信号形式提供给定水下通信系统）；那么系统设计将比较简单。如果是一次信号，那设计工作量较大，该部分设计有各种成熟传感器件，由于体积及功率的限制，在对成本不敏感的情况下，尽量采用智能集成传感器芯片。具体选型待指标及测量范围确定后详细设计；主要是工作量的问题。（4）、通信数据包处理及备用信号通道问题数据包处理中对音视频信号进行有效压缩，并保留一点数据冗余，以满足进行较强的纠错处理，备用数据增加的要求。四、主要技术指标由于资料要求不详细，待课题明确后详细列出。五、备注本课题的技术关键在于水下通信的实现，其余电子、通信及传感器检测、信号处理等技术成熟，主要是工作量问题，把握性大，正在进行LED光通信方案的验证，如果验证成功，技术细节在进行详细讨论。