|
- V9 P7 L/ o% c3 z1 _$ ^2 y" d# X
导言：
+ A; E3 ]7 h/ w w 有一件惊人的事，大多数人可能没有意识到：人类在地球和月球乃至火星之间，已经完成了信号和图像的往返传输，对于近在咫尺的海洋却还做不到。 ' c0 W* c; h/ S6 i; u& x$ V1 V& j
■ 视频链接：https://v.douyin.com/jxnMknS/本视频发布于2022年7月13日，点赞量已达4823
/ c6 J0 ~# @$ Z# w ■ 精彩呈现：有一件惊人的事，大多数人可能没有意识到：人类在地球和月球乃至火星之间，已经完成了信号和图像的往返传输，对于近在咫尺的海洋却还做不到。为什么呢？因为海水导电，电波在其中有严重的衰减。由此导致，在占据地球表面积71%的水下世界，至今还没有互联网，没有移动通信，没有高清视频，甚至就连远距离的双向无线通信也几乎不存在。不过，我们也不是毫无办法。最近，我看到中国工程院院刊《Engineering》的文章《面向海洋世界的6G通信》，作者是马远良院士等人。6G的主要理念之一是泛在式网络，他们提出的正是泛在式水下通信的宏大构想。
$ b; p- n! v! t* V z1 |
0 F" O" [3 q, s
5 f3 r+ {' N# V- A" |8 t2 h; l ' V3 d: T! H4 D5 z
在过去一百多年中，人们付出了巨大的努力，企图找到有利于海水中传输信息的载体。目前来看，声波仍是最好的选择，它优于无线电波、低频电磁波和光波（这三种信息载体在某些特定场景下存在优势），因为声波在海水中的传播距离比它们高出一千倍以上。因此，我们主要关注的是水声技术，既包括水声物理学涉及的基础理论，也包括水下传感器网络和声呐涉及的工程技术。磁波、光波以及诸如生物学、放射学、水动力学等其他方法，只能作为水声技术的补充。
* L1 M( i9 X. F% a" ]' _: v
, f4 v5 e9 x6 Z" |6 P " F+ f" A2 \# |( a7 s5 L1 w6 R
声波在海水中的衰减与频率的增大呈指数关系，因此远距离使用时必须采用低频率，导致可用带宽随之降低。也就是说，近距离通信时选择较高频率，可以得到较高的数据率；而远距离通信时选择较低的频率，数据率相应降低。
) i0 P! e" g! Y9 U0 w, b
3 v7 Z; s4 ~& T" Q 9 k- W7 ]- V% v1 [7 |$ K
声信号在海水中的传播速度依赖于电导率（conductivity）、温度（temperature）和深度（depth），这三者简称CTD，受到地理位置、季节、气象和水文条件的严重影响。声速的非定值性导致声折射，并使传播路径弯曲。 3 t6 y' E; A, i q
! C9 X9 h( k7 k: k2 A4 R 在深海中有一个深度，其声速有最小值。在这个深度附近形成深海声道（deep sea acoustic channel），其中传播衰减远小于其他区域，所以通信距离可达数千公里。 , |7 g8 |) I6 |4 k
近几十年来，另一种深海信道受到密切关注，即可靠声路径（RAP）。这个路径从靠近海面的某个声源深度开始，延伸到位于声道轴另一侧的共轭深度（该位置处声速与声源处相等）附近为止，该深度通常接近海底。工作在（或低于）共轭深度的接收-发射装置，可获得非常稳定的信号传输、很低的环境噪声以及较小的传输损失。
4 @& p9 n( I3 r) V, | 7 M' e- m( B1 I! G" ]/ a6 Q; s% c
还有另一种深海水声传播现象，叫做声会聚区（convergence zone）。它是由于声波在水体中往复地上下弯曲折射而形成的。如果不触及海底，所能达到的最大深度在共轭深度附近。如此往复循环，形成一系列的会聚区，带来会聚增益。可靠声路径水声通信正好可以利用会聚增益，进一步扩大连接范围。
: H" c. u9 u6 U+ S) f0 {, x% `& z/ g
$ P4 i3 v1 M2 @ 在观测平台方面，海洋通信网络没有连续不断的供电，无法对链路随时进行人工干预，也不可能像在陆地上一样密集建设通信基站，所以需要构建移动通信平台。在过去十多年中，大批创新性移动平台连同相应的传感器大量涌现。在海面上，除了传统的锚系浮标和各种航船外，出现了波浪滑翔器、风能或波浪能推进的无人船、自主水面航行器、自移动浮标等新型无人平台。在水体中，有Argo浮标、有人或无人的水下航行器（包括自主水下航行器和线控水下航行器）、漂流浮标、锚系浮标、水下机器人以及海底自主观测站。在海面的上方，有无人机、直升机、飞机和卫星。甚至某些飞行器可以潜入水中，也可以跳出海面。 & I3 M6 w0 ^! J4 ?7 @+ g# Y. b
/ ~! Q* F$ u; |; F1 x% o
( H' k5 y% d) L5 ]) v' i! i% s' \- l 考虑到水声信道的低数据率和高时延特性，一旦获得水声信号应尽快将其转变为无线电信号送入大气电波信道。怎样做到这一点呢？作者建议构筑“数据桥梁”（data bridge），在几十至上百公里的距离上传输数据。第一道桥梁，漂浮在海面上的水声-无线电浮标。第二道桥梁，甚低频电磁波（VLF, 3~30 kHz）。第三道桥梁，海洋移动平台。第四道桥梁是一种新发现的方法，对水下声音产生的海表面条纹进行微波探测。海基通信网络必然是稀疏和异质的。
$ T; D" x6 G$ R" Q2 d2 t6 k" ^" ?! S
; z6 S7 B' N1 J$ T 论文的图2十分生动，展示了局域一体化海洋无线移动网络的构想。这个网络包括卫星、无人机、飞机、无人水面艇（USV）、波浪滑翔器、水面浮标、Argo浮标、自主水下航行器（AUV）、跨界面数据桥梁、潜水艇、声呐阵列、海底基站等，它们利用无线电、深海声道等进行电磁、光学与声学通信。
* k4 N/ V3 z3 P: o0 z) H8 V : N* }: Q6 X8 t4 G' h; O+ M
' u, S J U; _7 D" E! F
综上所述，一体化的空-面-潜（air-surface-undersea）海基网络呈现在我们面前。在任何地方、任何时间与广阔的深水世界进行通信是可行的，因为有诸多信道可以利用，如深海声道、可靠声路径信道、空/海跨介质信道和海洋移动平台。有朝一日，水下色彩斑斓的鱼群活动视频将可以实时呈现在普通家庭的电视屏幕上；海底的采矿设备可以在陆基工厂中通过物联网进行遥控；自主水下航行器可以在数百公里外与母船通信联络；极端天气预报的数据可以在第一时间到达科学家手中；水下世界的信息无论从全球何处接入都具有尽可能小的时间延迟。 , A- H3 F8 p& I5 R1 a. F1 P) s9 o
4 F8 o, k6 p7 K. @& H" Y( M6 F
% q5 E& c# @; l4 R% \2 D
■ 扩展阅读：深潜看浪漫海景 | 唐立梅
. q1 B2 u, t5 H9 y q 面向海洋世界的6G通信丨中国工程院院刊
0 ?# \% F8 W2 Q+ O* L" | 不许说端午快乐，是一种智力上升的错觉 | 科技袁人 @$ d+ h! C. i# ^* b
量子模拟再立功！研究规范场论问题，中国打开了一扇门 | 科技袁人 % s. ] n2 T Z5 v
DNA为中华文明起源提供坚实证据 | 科技袁人 # s8 `3 f+ N; k( |
“大婆罗多”的疯狂构想 | 科技袁人
( g: r7 v! h# ^& L7 J4 K# ], n+ F" ]2 k0 c + w6 D# k0 a( b) c* v
■ 作者简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。 # N% ~! L; y# R/ b" H
■ 责任编辑：陈昕悦 $ Z/ t+ Q$ ~4 r8 y1 x* {1 Y
关注风云之声 提升思维层次
" _+ |- h) J2 c: j" t$ r
" Y5 w+ p8 a/ u/ [6 j6 Q. \- e) K: }+ ?5 s
4 e% v7 Y8 q* A( X G% l! d, J
5 E6 U" I5 ^# h% j! d# _ | 
