水下高速无线通信技术及其应用

水下高速无线通信技术及其应用

赵晓燕

摘　要：“空天地海一体化”新战略的发展，对海洋信息传输的速度和容量提出更高的要求，传统的声波通信在通信速率上

已不满足需求，水下高速可见光通信技术近年来得到各领域专家的重视。文章首先介绍水下高速可见光通信技术原理、系统结

构和发展现状，其次介绍水下高速可见光通信技术的创新型应用案例，为拓展水下高速通信技术的应用市场提供借鉴。关键词：水下无线通信；高速可见光通信；原理；系统结构；应用案例

一、引言

随着可开发的陆地资源日趋匮乏，开发海洋资源成为各

国的重要发展方向，水下通信技术应运而生并有蓬勃发展之

势。传统的水下通信技术有水下有线通信、水下电波通信、

水下声波通信。水下有线通信需要在水下铺设光缆进行信

息传输，具有速度高、可靠性好的优点，但具有成本高、体积

庞大、操作复杂、线缆维护困难的缺点，不被广泛使用；水下

电波通信需要采用海水衰减最小的甚低频电磁波波段，具有

穿透力强的优点，但具有功耗大、速度极低的缺点，不被广泛

使用；水下声波通信采用声波为信息载体，具有传输距离长（远于１０ｋｍ）的优点，但具有速率相对低（１５００ｍ／ｓ）、多普勒

效应显著的问题。目前，水下声波通信凭借传输距离长的优

势得以广泛地应用，并且技术相对成熟。二、水下高速可见光通信技术简介

水下高速可见光通信技术是一种以可见光为信息载体，

采用高速编码调制算法，通过水下信道进行高速信息传输的

通信方法。应用该技术的通信系统结构如图１所示。（一）待发送的信息通过物理接口送给编码模块，编码模

块对待发送信息添加监督元，组成抗干扰编码，可以提高通

信系统的抗干扰能力。常用的编码方式有ＲＳ编码、ＬＤＰＣ编

码、串行级联编码、ＴＵＲＢＯ编码等，可以依据实际的参数条件

和信道特性选择编码类型。（二）编码后信息送至高速调制模块，经高速调制后的信

号更适于水下信道传输。水下常用的调制方法有开关键控

调制（ＯＯＫ）、脉冲位置调制（ＰＰＭ）、正交频分复用技术（ＯＦＤＭ）等。ＯＯＫ具有操作简单，抗干扰性差的特点，适用

于中、低速水下通信，调制速率可达１ｋｂｐｓ～５０Ｍｂｐｓ；ＰＰＭ具

有能量利用率高、抗干扰性强的特点，适用于低速长距离水

下通信，调制速率可达１ｋｂｐｓ～２５Ｍｂｐｓ；ＯＦＤＭ具有调制速率

高、抗多途特性好的特点，适用于高速短距离水下通信，有文

献指出调制速率可达Ｇｂｐｓ量级。（三）调制信号经过驱动电路，产生驱动电流驱动光源发

光，携带调制信息的光经过光学准直形成方向性好、能量高

的调制光发射出去。由于水对光具有吸收、散射作用，因此

光源类型和光源波段的选择格外重要。常用的光源有ＬＤ、ＬＥＤ等，ＬＤ光转化效率高，适用于远距离通信，ＬＥＤ的发散

角大，适用于近距离大发散角通信；波段通常选择蓝、绿波段

应用于深海的光通信，选择红外线波段应用于浑浊水域的光

通信。（四）水下信道极其复杂，对可见光通信极其接收端的信

息还原带来极大挑战。经过水下信道传输后的光信息，首先

达到接收光学系统，光电探测器接收光信号后，转化为电信

号完成信号放大、解调和解码工作。（五）解调和解码是调制和编码的逆过程。解调分为相

干解调和非相干解调，解调过程的时钟线的提取是关键问题，直接影响通信系统的可靠性。

图１　水下高速可见光通信系统结构（六）解调和解码是调制和编码的逆过程。解调分为相

干解调和非相干解调，解调过程的时钟线的提取是关键问

题，直接影响通信系统的可靠性。

依据上述结构设计的通信系统，选用蓝绿光源分置，可

以达到２５Ｍｂｐｓ通信速率，１００ｍ通信距离的双向通信效果，通信稳定可靠，可投入市场使用。如图２所示。

图２　某场地通信测试图

三、应用领域

水下高速可见光通信技术可广泛应用于军工领域、工业领域、消费领域等。军工领域包括对潜通信、探潜／探水雷、ＡＵＶ通信等；工业领域包括海底资源探测、海洋湖泊环境监

测、港口监测等；消费领域包括潜水员通信、水下摄影等。（一）水下交互区域自主建立通信

应用场景为两运动的水下移动设备（如潜艇和ＡＵＶ），在运动到一定距离范围内，可以完成信息交互，潜艇向ＡＵＶ下

发方位指令，ＡＵＶ则向潜艇传送采集到的海底信息。应用方

法为：潜艇携带通信终端Ａ，水下ＡＵＶ携带通信终端Ｂ，当潜

艇与ＡＵＶ相对运动的距离范围满足通信终端Ａ与通信终端 （下转第１６４页）

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ＭｏｄｂｕｓＡＳＣＩＩ、ＭｏｄｂｕｓＲＴＵ和ＭｏｄｂｕｓＴＣＰ主要三种协议报

文格式大小如表１。表１　协议报文格式大小对照表１．ＭｏｄｂｕｓＡＳＣＩＩ报文格式

起始位从站地址功能码数据ＬＲＣ结束位

１个字符２个字符２个字符１～２Ｘ２５２个字符２个字符２个字符

２．ＭｏｄｂｕｓＲＴＵ报文格式

从站地址功能码数据ＣＲＣ１Ｂｙｔｅ１Ｂｙｔｅ１－２５２Ｂｙｔｅ２Ｂｙｔｅ

３．ＭｏｄｂｕｓＴＣＰ报文格式

事务处理标识协议标识长度单元标识符功能码数据

２Ｂｙｔｅ２Ｂｙｔｅ２Ｂｙｔｅ１Ｂｙｔｅ２ＢｙｔｅＮ个Ｂｙｔｅ

ＭｏｄｂｕｓＲＴＵ与ＡＳＣＩＩ的内容是完全相同的，不同的

ＡＳＣＩＩ方式用“：”标识帧起始，用“ＣＲＬＦ”标识帧结束。校

验采用ＬＲＣ，把ＲＴＵ帧中一个字节的内容换成了２个ＡＳＣＩＩ

字符。比如在ＲＴＵ方式下设备地址“０１”只有一个字节，在ＡＳＣＩＩ方式下转换成字符串“０１”（１６进制的３０

３１）。

ＭｏｄｂｕｓＴＣＰ　中的设备标识，功能码等与ＭｏｄｂｕｓＲＴＵ

相同，可以认为是在ＭｏｄｂｕｓＲＴＵ报文的前边加了一个头，去

掉了ＣＲＣ校验这个尾。

四、Ｍｏｄｂｕｓ协议常用功能码Ｍｏｄｂｕｓ协议定义了４种基本数据：这些数据分别被称

为线圈状态、输入状态、输入寄存器、保持寄存器。如表２。表２　Ｍｏｄｂｕｓ功能码与数据类型对照表

功能码功能数据类型０１读线圈状态Ｂｏｏｌ

０２读输入状态Ｂｏｏｌ

０３读保持寄存器ＩＮＴ、ｗｏｒｄ、Ｆｌｏａｔ

０４读输入寄存器ＩＮＴ、ｗｏｒｄ、Ｆｌｏａｔ０５写单个线圈Ｂｏｏｌ

０６写单个寄存器ＩＮＴ、ｗｏｒｄ、Ｆｌｏａｔ

１５写多个线圈Ｂｏｏｌ

１６写多个寄存器ＩＮＴ、ｗｏｒｄ、Ｆｌｏａｔ

五、结语Ｍｏｄｂｕｓ和其他工业通信协议相比，主要的优点包括内容

公开，无版权要求，不用支付额外的费用，硬件简单，容易部

署等特点因此能广泛应用于工业自动化生产中，为使用者提

供了诸多便利，通过单播模式和广播模式两种模式，主站向

从站发出请求，执行命令，完成工业生产中的实际任务，为厂

家带了便利及效益。

参考文献：［１］缪学勤．工业以太网技术的现状与发展［Ｊ］．世界仪表与

自动化，２００３（１０）．［２］冯冬芹．工业以太网关键技术初探［Ｊ］．信息与控制，２００３，

３２（３），２１９－２２４．

作者简介：

陈慧，南京菲尼克斯电气有限公司。

（上接第１６２页）

Ｂ自主建立通信的距离范围时，Ａ与Ｂ可以自动进行通信请

求与通信应答来建立通信链路，完成水下潜艇与ＡＵＶ携带

信息的信息交互。自主建立通信流程如图３所示。

图３　自主建立通信流程（二）水下多节点编队、组网

应用场景为完成水下１０００米的５０Ｍｂｐｓ的ＡＵＶ间的信

息传递。应用方法为：由于声波通信等其他通信方式在速率

上不满足需求，而可见光通信速率满足要求，但通信距离有

限，因此可以采用多个ＡＵＶ，各携带一通信终端，任意相邻移动设备间可进行５０Ｍｂｐｓ可见光通信，形成编队与组网，通信

信息中可包含编队信息，水下多移动设备携带的通信终端依

次进行信息传递。（三）水下潜水与水上实时通信

应用场景为水下潜水员与水上陪同者能够实时通话，水

上陪同者能够通过水上视频输出设备实时观察到水下潜水

员的动态。应用方法为：水下潜水员携带通信终端Ａ，陆地

上配备通信终端Ｂ，通信终端Ａ与Ｂ的相对放置，则潜水员

可通过与Ａ连接的语音／视频设备传送视频或对话至与Ｂ端

连接的语音／视频设备，同理，水上也可与水下完成视频传输

或对话。

四、结语

近年来，顺应战略和市场需求，水下高速可见光通信技

术在国内外得以大力发展。应用领域呈现从军用逐渐普及

到民用的趋势，通信速率逐渐提高、通信距离逐渐增远、设备

提及逐渐趋于便携性。试想：将来是否会有一天海底通信能

像陆地的无线通信一样密集、质量高、速度快、保密性强？

参考文献：［１］郭淑霞，高颖．远程水下通信系统接错编码方法研究［Ｊ］．

测控技术，２００６（３）：１０．［２］王迈．基于ＯＦＤＭ技术的水下通信研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔

滨工程大学，２００８．

作者简介：

赵晓燕，南京先进激光技术研究院。

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