廈門大學(xué)學(xué)者在國際頂刊發(fā)文，讓水下仿生通信邁向“4G”時(shí)代

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觀海局

日，廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院、水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張宇教授團(tuán)隊(duì)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域國際頂級(jí)期刊《IEEE Internet of Things Journal》上發(fā)表題為“High-Speed Bio-Inspired Covert Underwater Acoustic Communication Technology for the Underwater Internet of Things”的研究論文，提出一種高速仿生水聲通信技術(shù)，通信速率可達(dá)11.22 kbps，高于國內(nèi)外現(xiàn)有水平2個(gè)數(shù)量級(jí)，為水下物聯(lián)網(wǎng)等裝備間大容量數(shù)據(jù)的安全傳輸前沿技術(shù)探索提供了參考。

研究背景

由于水下聲信道的開放性，水下裝備間的數(shù)據(jù)安全至關(guān)重要。海豚經(jīng)過長期自然演化，形成了一套高效的聲吶系統(tǒng)，通過多相不均勻的生物聲學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)寬帶聲信號(hào)的發(fā)射與接收，可在淺海強(qiáng)干擾條件下完成群體通信協(xié)同與捕食（圖1）。仿生水聲通信技術(shù)利用海洋生物信號(hào)作為偽裝載體進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使對手將通信信號(hào)誤認(rèn)為生物信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)安全通信（圖1）。

圖1. （a）海豚的寬帶聲吶系統(tǒng)；（b）仿生水聲通信示意圖

“OFDM技術(shù)在水聲通信中的廣泛應(yīng)用標(biāo)志著水下‘4G’時(shí)代的到來，其典型速率在10kbps量級(jí)。然而，仿生通信需要考慮時(shí)頻特性與生物信號(hào)的一致性，可調(diào)制程度有限，因此長期困于低速領(lǐng)域，最高不過200bps，難以用于大容量數(shù)據(jù)傳輸場景。所以，研究高速仿生水聲通信技術(shù)至關(guān)重要。”張宇教授介紹到。

“我們近些年針對海豚等生物進(jìn)行了大量基礎(chǔ)研究，在海豚聲吶機(jī)理與聲信號(hào)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建上積累了豐富的研究基礎(chǔ)，通過有效利用海豚click的寬帶特性，我們將仿生通信的速率提高到了11.22 kbps，真正意義上使得仿生通信也邁向了‘4G’時(shí)代！”

研究成果

本研究提出了一種基于海豚Click與相位旋轉(zhuǎn)調(diào)制的高速仿生通信方法（ClickPRM），利用海豚Click的相位變化來傳輸信息，并通過嵌入仿生導(dǎo)頻實(shí)現(xiàn)信道均衡與多普勒補(bǔ)償。該方法充分利用了海豚Click的超高帶寬的特性，并在保持?jǐn)?shù)據(jù)安全性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高速通信，最高速率可達(dá)11.22kbps（圖2）。

圖2. 高速仿生水聲通信技術(shù)路線

研究團(tuán)隊(duì)于2024年1月25日在福建廈門五源灣進(jìn)行了海上試驗(yàn)，在國內(nèi)外首次使用仿生通信實(shí)現(xiàn)了水下圖片信息的實(shí)時(shí)傳輸（圖3）。該區(qū)域水深平均5m，多徑干擾極為嚴(yán)重，且伴隨大量游艇噪聲與沖激噪聲，導(dǎo)致星座圖散亂分布，誤碼率在40%左右波動(dòng)，難以準(zhǔn)確解調(diào)。使用仿生導(dǎo)頻進(jìn)行信道感知，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信道均衡與相位偏移補(bǔ)償后，星座圖聚類清晰，幾乎未超過決策閾值，誤碼率可降低至0.11%，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高保真?zhèn)鬏敚▓D4）。

圖3. 國內(nèi)外首次使用仿生通信實(shí)現(xiàn)圖片實(shí)時(shí)傳輸

圖4. 基于仿生導(dǎo)頻信道均衡技術(shù)顯著降低誤碼率

研究團(tuán)隊(duì)及資助

本研究是張宇教授團(tuán)隊(duì)繼仿生探測前沿研究，在仿生通信研究取得的重要突破。論文第一作者為廈門大學(xué)博士生黃子豪，通訊作者為廈門大學(xué)張宇教授與宋忠長副教授，廈門大學(xué)的博士生彭旭名，張博宇，惠健剛，自然資源部第三海洋研究所的吳福星副研究員以及天津大學(xué)的蔣佳佳教授為共同作者。該研究獲得國家自然科學(xué)基金，廣東省聯(lián)合基金以及福建省科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。

論文來源與鏈接

Z. Huang, X. Peng, Z. Song, et al., "High-Speed Bio-Inspired Covert Underwater Acoustic Communication Technology for the Underwater Internet of Things," in IEEE Internet of Things Journal, doi: 10.1109/JIOT.2025.3604025.

https://doi.org/10.1109/JIOT.2025.3604025

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