哪些在水下保持与外场,泰州市科学本事局

来源:http://www.lfzhongying.com 作者:盖世竞猜官网 人气:119 发布时间:2019-05-23
摘要:记者24日从哈尔滨工程大学获悉,该校水声学院乔钢教授带领科研团队完成了远程、矢量、全双工水声通信技术的基础性研究,在国际上首创具有全双工通信能力和组网能力的水声通信

记者24日从哈尔滨工程大学获悉,该校水声学院乔钢教授带领科研团队完成了远程、矢量、全双工水声通信技术的基础性研究,在国际上首创具有全双工通信能力和组网能力的水声通信机,解决了过去水下声波通信中收发不能同时工作的问题。 近日,科研人员在对样机的实验中,成功实现了5公里距离的双向同步数据传输。这一水下声通信领域的重大技术突破,意味着未来水下通信有望告别对讲机时代,实现像在陆地上打电话一样的体验。 因为海水对无线电波有较强的吸收作用,所以无线电波在水下传播一般不超过百米而声波在水下能以1.5千米/秒的速度传播上千公里。但由于水下复杂环境和水声信道的限制,水下声波通信在质量、效率和组网能力等方面远落后于当前飞速发展的无线电通信,难以满足人们探索海洋和拓展水下空间的需求。目前在水下通信领域广泛使用的设备分为无缆和有缆两种。无缆通信设备采用半双工通信方式,通话效果类似于对讲机,双向通信效率低下。有缆设备可实现全双工通信,可以像打电话一样双向说话,但设备的移动会受到线缆限制。 乔钢教授科研团队所攻克的水下声波通信技术,能克服目前水下有缆通信的弱点,大大提高获取数据的灵活性、时效性,降低风险和费用。同时也是对目前无缆半双工水下通信设备的创新和提升。在国际上首次实现了单传感器的水下定向通信和双用户通信,极大提高了网络效率和信息吞吐量,攻克了超宽带通信中非一致性多普勒补偿的难题,提高了水声通信系统的稳定性。来源:科技日报

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简单的说: 单工通信就是只能从A到B,如[广播]
半双工通信是A到B,B到A都行,但不能同时进行.如[对讲机]
全双工通信是A到B,B到A都行,可以同同时进行.如[电话]

制图:贺逸舒


浩瀚的“龙宫”虽然神奇,但如何在水下保持与外界的“飞鸿传书”,依旧是一道尚未完全攻破的世界性难题。除了把低频电磁波、声波和光波作为主要水下信息通信载体外,美国麻省理工学院的研究人员日前推出了一套“平移声学-射频通信”系统,通过综合运用声呐和雷达技术,试图实现潜艇等“深海巨兽”与水面舰艇乃至飞机、卫星之间的高速通信。

详细如下:

长期以来,制约水下作战的重要因素,就是无法建立起水下通信的“信息高速路”。信息化战争战场态势瞬息万变,战机稍纵即逝,只有建立高效稳定的水下通信系统,才能充分挖掘出水下作战的巨大潜能。尤其是伴随着军事物联网的快速发展,未来水下作战对潜艇、无人潜航器等战场节点的网络通信提出了新的更高要求,推动着人们对于水下通信技术不断进行研究探索。

全双工
  全双工是通讯的的传输的一个术语
  单工就是在同一时间只允许一方向另一方传送信息,而另一方不能向一方传送
  全双工(Full Duplex)是指在发送数据的同时也能够接收数据,两者同步进行,这好像我们平时打电话一样,说话的同时也能够听到对方的声音。目前的网卡一般都支持全双工。
  半双工(Half Duplex),所谓半双工就是指一个时间段内只有一个动作发生,举个简单例子,一条窄窄的马路,同时只能有一辆车通过,当目前有两量车对开,这种情况下就只能一辆先过,等到头儿后另一辆再开,这个例子就形象的说明了半双工的原理。早期的对讲机、以及早期集线器等设备都是基于半双工的产品。随着技术的不断进步,半双工会逐渐退出历史舞台.
  全双工以太网使用两对电缆线,而不是像半双工方式那样使用一对电缆线。全双工方式在发送设备的发送方和接收设备的接收方之间采取点到点的连接,这意味着在全双工的传送方式下,可以得到更高的数据传输速度。

探秘“龙宫”—

半双工
  半双工(Half Duplex)数据传输指数据可以在一个信号载体的两个方向上传输,但是不能同时传输。例如,在一个局域网上使用具有半双工传输的技术,一个工作站可以在线上发送数据,然后立即在线上接收数据,这些数据来自数据刚刚传输的方向。像全双工传输一样,半双工包含一个双向线路(线路可以在两个方向上传递数据)。
  数据通信中,数据在线路上的传送方式可以分为单工通信、半双工通信和全双工通信三种。
  半双工通信:半双工通信是指数据可以沿两个方向传送,但同一时刻一个信道只允许单方向传送,因此又被称为双向交替通信。若要改变传输方向,需由开关进行切换。半双工方式要求收发两端都有发送装置和接收装置。由于这种方式要频繁变换信道方向,故效率低,但可以节约传输线路。半双工方式适用于终端与终端之间的会话式通信。
   半双工即Half duplex Communication,是指在通信过程的任意时刻,信息既可由A传到B,又能由B传A,但只能由一个方向上的传输存在。采用半双工方式时,通信系统每一端的发送器和接收器,通过收/发开关转接到通信线上,进行方向的切换,因此,会产生时间延迟。收/发开关实际上是由软件控制的电子开关。
  当计算机主机用串行接口连接显示终端时,在半双工方式中,输入过程和输出过程使用同一通路。有些计算机和显示终端之间采用半双工方式工作,这时,从键盘打入的字符在发送到主机的同时就被送到终端上显示出来,而不是用回送的办法,所以避免了接收过程和发送过程同时进行的情况。

电磁波通信成了“旱鸭子”

单工
  单工、半双工、全双工
  如果甲可以向乙发送数据,但是乙不能向甲发送数据,这样的通信就是单工通信(Simplex Communication)。
  单工数据传输只支持数据在一个方向上传输,就和传呼机一样;
  半双工数据传输允许数据在两个方向上传输,但是,在某一时刻,只允许数据在一个方向上传输,它实际上是一种切换方向的单工通信,就和对讲机(步话机)一样;
  全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输,因此,全双工通信是两个单工通信方式的结合,它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力,就和电话一样。

水下通信一般是指水上实体与潜艇、无人潜航器等水下目标的通信或水下目标之间的通信。由于海洋环境中各种复杂因素的存在,使得水下通信一直滞后于地面、空中和空间通信的发展,也成为制约信息化战场水下作战战力提升的瓶颈。


说起通信,人们广泛使用的电磁波在水下衰减很快,穿透海水传输数据的能力相对薄弱,是个不折不扣的“旱鸭子”。譬如,我们把手机用防水袋包裹好放入水中,信号就会大幅度衰减,这就是电磁波在水中传输能力的简单验证。

概念:

给航行在大洋深处的潜艇发一封电报,要多久?现有的技术水平大概是30分钟。目前,世界各国广泛使用的通信方式,主要是甚低频和超低频等长波通信手段。日本是最早实现甚低频技术实用化的国家,早在1929年就建成了佐佐美通信站。第二次世界大战期间,德国和英国海军也相继建成了甚低频通信站。从20世纪50年代开始,伴随着弹道导弹潜艇的诞生,利用超低频率电磁波面向全球传播的超低频通信方案应运而生,为潜艇远洋隐蔽通信立下了汗马功劳。从1985年起,美国先后多次完成超低频通信试验,各军事强国也加大了对超低频通信系统的研究。

什么是单工? 如果在通信过程的任意时刻,信息只能由一方A传到另一方B,则称为单工。单工通信多用于无线广播、有线广播和电视广播,在局域网中并不采用。

即便是目前相对较为成熟的超低频通信系统,也只能穿透100米深的海水,且系统传输速率慢、造价昂贵,限制了长波通信的进一步发展。当长波手段用于对潜通信时,需要超大功率的无线电发射机和大尺寸天线,空间使用“寸土寸金”的潜艇只能配备通信接收机,也就意味着在水下的潜艇只能“听”。如果潜艇需要向岸上发报,就必须上浮或者施放通信浮标。承担水下“潜伏”任务的潜艇,如果时不时露出水面获取信号,极易将自身暴露在先进反潜技术面前。如果不能实现高效稳定的水下通信,根本不知道对手在哪里的潜艇只能蹲守在海里“碰碰运气”,甚至还会严重贻误战机。

什么是半双工? 若使用同一根传输线既作接收又作发送,虽然数据可以在两个方向上传递,但通信双方不能同时收发数据。这样的传送方式就是半双工制,采用半双工方式时,通信系统每一端的发送器和接收器,通过收/发开关转接到通信线上,进行方向的切换,因此,会产生时间延迟。收/发开关实际上是由软件控制的电子开关。

此外,水下长波通信虽然能实现长距离通信,但信号发射台往往体型巨大,抗毁能力差。美国1986年建成并投入使用的超长波电台天线横亘135千米。对此,美国国防部高级研究计划局还专门开展了“机械天线”项目研究,旨在为长波通信找寻更加小型化的信号发射装置。

当计算机主机用串行接口连接显示终端时,在半双工方式中,输入过程和输出过程使用同一通路。有些计算机和显示终端之间采用半双工方式工作。这时,从键盘打入的字符在发送到主机的同时就被送到终端上显示出来,而不是用回送的办法,避免了接收过程和发送过程同时进行的情况。

声光变换—

目前多数终端和串行接口都为半双工方式提供了换向能力,也为全双工方式提供了两条独立的引脚。在实际使用时,一般并不需要通信双方同时既发送又接收,像打印机这类的单向传送设备,半双工甚至单工就能胜任,无需倒向。

驶入水下通信“高速路”

什么是全双工?
数据的发送和接收分流,分别由两根不同的传输线传送时,通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作,这样的传送方式就是全双工制。在全双工方式下,通信系统的每一端都设置了发送器和接收器,因此它能控制数据同时在两个方向上传送。全双工方式无需进行方向的切换,没有切换操作所产生的时间延迟,达对那些不能有时间延误的交互式应用(例如远程监测和控制系统)十分有利。这种方式要求通讯双方均有发送器和接收器,同时,需要2根数据线传送数据信号。

为充分弥补水下通信的技术短板,美、日、俄等国一直致力于水下通信技术的研发,在水声通信、蓝绿激光水下通信等领域相继取得突破性进展。

网络类型   理论速度  实际利用率  实际最大传输速度  
10Mb/s 共享  10  50  5.0  
10Mb/s 交换  10  85  8.5  
10Mb/s 交换式全双工  10  190  19  
100Mb/s 交换  100  50  50  
100Mb/s 交换  100  85  85  
100Mb/s 交换式全双工  100  190  190  

声波在水下传输的信号衰减小,传输距离远,使用范围可从几百米延伸至几十公里,因而成为水中信息传输的主要载体。目前,水声通信已经成为较为成熟的水下通信手段,美军使用的水声通信设备传输距离可达数千米。近年来,研究人员还在编码技术、信道均衡技术、纠错及安全传输方面取得重大进展,进一步推动了水声通信技术的快速发展。

比如,计算机主机用串行接口连接显示终端,而显示终端带有键盘。这样,一方面键盘上输入的字符送到主机内存,另_方面,主机内存的信息可以送到屏幕显示。通常,往键盘上打入1个字符以后,先不显示,计算机主机收到字符后,立即回送到终端,然后终端再把这个字符显示出来。这样,前一个字符的回送过程和后一个字符的输入过程是同时进行的,即工作于全双工方式。

水声通信主要存在着传输速率相对较低、传输距离不能满足战场需求等问题。2017年5月,韩国研究人员成功实现了水深100米、通信距离30千米的水声通信试验,将现有水声通信手段的传输距离提高了2倍以上。随后,美国研究人员借助螺旋声波多路复用技术,验证了声波信号高效并行传输的技术可行性,使通信速率提高了8倍,为破解远距离水声通信速率低等难题提供了新的解决方案。

要想开启水下通信的“高速路”,还可以从激光身上找寻灵感。20世纪70年代初,美国研究人员率先发现了蓝绿色这一“海水窗口”,蓝绿激光水下通信利用的就是波长450-530纳米的蓝绿色光。研究表明,潜艇在水下700米深仍可接收到蓝绿激光信号。

蓝绿激光水下通信具有海水穿透能力强、数据传输速率快、方向性好、抗截获和抗核辐射能力好等诸多优点,相当于为水下游弋的潜艇戴上了通信“助听器”。自从美国海军提出“卫星-潜艇”通信可行性研究后,蓝绿激光水下通信迅速成为美国的战略性研究计划,目前美国已基本完成了蓝绿激光水下通信的相关试验。

美国海军研究人员正计划使用蓝绿激光,实现飞机与潜艇的全双工通信。英国工程师在此前发布的未来潜艇概念图中,也明确提出将利用激光开展集群通信。2017年,日本国立海洋研究开发机构在日本防卫省的支持下,成功实现了水深800米移动物体间的蓝绿激光无线通信,通信速率达到可实时传输视频画面水平。

组网互联—

探寻未来通信的“颠覆者”

当前,随着无人化与智能化装备的快速发展,找寻到足以支撑起复杂战场态势信息实时传输的水下通信技术成为当务之急。长波通信、水声通信、蓝绿激光水下通信依旧存在短板,复杂战场信息传输对水下传输速率提出了更高要求。同时,水声通信和蓝绿激光水下通信等方式容易暴露自身目标,人们还必须进一步探寻未来水下通信领域的“颠覆者”。

美国麻省理工学院的研究人员推出的“平移声学-射频通信”系统,主要利用水下发射器发送声呐信号,振动信号被雷达接收后,将转换成数字信息。这一系统的原理看似并不复杂,但要在波浪的巨大干扰中识别出微小的声波振幅,依旧需要复杂算法的有力支撑。美国国防部高级研究计划局于2015年正式启动“水下战术网络体系结构”项目,计划借助光缆建成水下通信中继系统。代表着攻击型核潜艇发展趋势的美国海军“弗吉尼亚”级核潜艇则专门配备了光电桅杆,通过光电传感器对外通信。

近年来得到快速发展的量子通信,也为水下通信提供了新的技术思路。量子通信的传输机制不受海洋环境、海洋生物等干扰因素影响,传输速率远远高于长波通信和水声通信等技术手段。此前,研究人员就成功实现了海水量子通信实验,为量子通信技术上天、入地、下海增添了浓墨重彩的一笔。英国科学家还研发出了“量子罗盘”,不仅能使潜艇摆脱数据通信和精确导航之困,更将有效提升潜艇和无人潜航器的水下攻击和联合作战能力。

此外,磁感应通信也是一种新型通信手段。它以磁场作为载体,通过改变磁场强度进行信息传输,兼顾了光通信与电磁波通信的优势,在水下通信时信号延迟几乎可以忽略,且通信距离长、数据传输速率高。在美国国防部高级研究计划局的支持下,美国研究人员已经初步实现实验室环境下的水下磁感应通信。

未来,水下通信将向着组网互联方向加速发展。美国海军研究总署已经推出了“水下自治采样网络”,美国海军的“海洋万维网”系统和欧洲的系列化水声通信网络计划等相继取得阶段性成果。伴随着水下通信技术的发展,未来可通过综合运用各种水下通信手段,为潜艇、无人潜航器、传感器等搭建起水下联合作战网络,并与水上作战网络实现联网互通,或将进一步助推水下作战整体战力的提升。

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