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第 37 卷 第 6 期 曾腾等： 可重编程正交频分复用水声调制解调技术进展 965

了海试，实验带宽为 7 kHz∼14 kHz，采用正交相移 6.4 kb/s 的数据率 [4,13−14] ，且发现 LDPC编码在差
键控(Quadrature phase shift keying, QPSK)调制 错性能上比卷积码增加了2 dB的增益。但该调制解
方式，分组码编码方式，最终实现了 5 kbps 的最高 调器在低接收信噪比下无法很好地实现能量检测。
通信速率以及 6 km 的传输距离 (实验最大传输距 该情况下考虑可增加基于双曲线调频 (Hyperbolic
离为 11 km) [9] 。其可编程性允许用户添加新功能， frequency modulation, HFM) 或线性调频 (Linear
对于实现有效的水下网络有重要的意义，因此未来 frequency modulation, LFM) 的扫频报头，并在接
对 WHOI 调制解调器的更新会包括更多的网络功 收端进行匹配滤波以增加检测端的有效信号能量，
能、功率控制和高数据速率。 以增强检测鲁棒性 [13] 。
2005 年 –2008 年期间，瑞典、挪威、芬兰、丹麦、 2012年，新加坡国立大学在声学研究实验室的
荷兰、德国和意大利等国家互相联合，根据 ROPA ARL 调制解调器基础上，研发了 N-2 水声调制解调
MoU 协议 [10] ，水下无人航行器 (Unmanned un- 器。其中 ARL 调制解调器采用了 OFDM 技术，支
derwater vehicle, UUV) 隐蔽声通信 (UUV covert
持卷积码、格雷码和 LDPC 编码，物理层在 TS201
acoustic communication, UCAC) 项目进行了点对
DSP 上进行编程和交叉编译，采用框架应用程序
点隐蔽声通信。该项目采用 OFDM 技术，在 Linux
编程接口(Framework application programming in-
系统中实时运行 [4,11−12] ，同时该平台可以运行
terface, FAPI) [15] 接口，使得不同的层结构能更加
Matlab 算法，通过在调制解调器上改变参数，降
容易地接入堆栈。海试中在 12.5 kHz 工作带宽和
低 OFDM 接收算法的复杂度。其中项目的多节点
31.25 kHz 载频下，实现了 7.5 kb/s 的传输速率和
网络，网络层以时分多址 (Time division multiple
3 km 的通信距离 [4,16] 。UNET-2 的提出是为了改
access, TDMA) 网络为中心，应用了数据率和功率
善在不同平台间移植导致的问题 ——仿真代码在
自适应控制技术；而物理层主要采用了 QPSK 调制
其他环境下分开编码需要花费更多的时间和人力，
方式，点对点通信的工作带宽为1.5 kHz∼5 kHz，编
且调制解调器硬件带来的附加复杂度，导致仿真和
码方式为训练码和里德 -所罗门码。海试实现的通
原始代码在硬件平台上实现时差异较大，使得协议
信距离为 20 km，信噪比约为 −18 dB，数据率为
的性能和结果改变，并对海试结果产生不可预见的
4 bit/s [4,12] ，虽然速率很低，但是足够对 UUV 进行
影响。因此 UNET-2 在 ARL 基础上使用完全相同
基本的命令控制。然而该结果无法满足人们对高速
的C 代码的软件架构，使仿真后的实验变得更为简
数据率的需求，因此物理层还应将重心放在如何实
易，对推动 MAC 仿真接口架构标准化具有重要意
现高速通信上，另外需对水声通信协议进行规范化，
义 [17−18] 。UNET-2能够支持高达78 kHz的载波频
以期逐渐实现信道、物理层方式和网络层协议的规
率以及载波频率 2/3 的调制带宽。预配置中调制方
范化 [12] 。
案包含可动态调控的非相干和相干OFDM方式，可
2010 年 6 月，美国海军研究实验室针对建立水
下无线传感网络的项目背景，计划在物理层实现高 动态调节编码方式和调制解调器的源级。
速可靠的实时通信，因此在物理层使用了OFDM调 2010 年，欧洲 UCAC 实施了 EDA-RACUN 项
制方式。在新泽西州海试中，物理层采用 QPSK 调 目。项目采用两个不同的调制解调器，其中一个由
制方式，工作带宽为6 kHz。研究了在不同参数设定 Develogic 调制解调器进行物理层的信号处理，由
下OFDM声调制解调器的性能，在不同平台使用不 外部串行连接的 Gumstix 或 NetDCU 平台实现网
同编码方式：TMS320C6713 浮点 DSP 开发板平台 络层重编程。另外一个是能够同时支持物理层和
上使用 1/2的信道卷积码编码，TMS320C6414平台 网络层重编程的 Saab 调制解调器。对于这两种调
上使用LDPC码。解码模型为两个水听器利用最大 制解调器运用了两种架构，即自定义的 C 的架构
比合并 (Maximal ratio combining, MRC)，将采样 和 DESERT 水下架构 [19−20] 。2014 年进行的海试，
后的实际数据导入 DSP 调制解调器来估计接收处 Saab 调制解调器应用 OFDM 技术，在带宽 4 kHz、
理算法的性能。并分为单条数据流链路传输和两条 中心频率 6 kHz 的情况下，实现了 205 b/s 的数据
平行数据流链路传输的情况，分别得到 3.2 kb/s 和 率 [4] 。