厦门大学学者在国际顶刊发文，让水下仿生通信迈向“4G”时代

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观海局

日，厦门大学海洋与地球学院、水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室张宇教授团队在物联网领域国际顶级期刊《IEEE Internet of Things Journal》上发表题为“High-Speed Bio-Inspired Covert Underwater Acoustic Communication Technology for the Underwater Internet of Things”的研究论文，提出一种高速仿生水声通信技术，通信速率可达11.22 kbps，高于国内外现有水平2个数量级，为水下物联网等装备间大容量数据的安全传输前沿技术探索提供了参考。

研究背景

由于水下声信道的开放性，水下装备间的数据安全至关重要。海豚经过长期自然演化，形成了一套高效的声呐系统，通过多相不均匀的生物声学结构实现宽带声信号的发射与接收，可在浅海强干扰条件下完成群体通信协同与捕食（图1）。仿生水声通信技术利用海洋生物信号作为伪装载体进行数据传输，使对手将通信信号误认为生物信号，从而实现安全通信（图1）。

图1. （a）海豚的宽带声呐系统；（b）仿生水声通信示意图

“OFDM技术在水声通信中的广泛应用标志着水下‘4G’时代的到来，其典型速率在10kbps量级。然而，仿生通信需要考虑时频特性与生物信号的一致性，可调制程度有限，因此长期困于低速领域，最高不过200bps，难以用于大容量数据传输场景。所以，研究高速仿生水声通信技术至关重要。”张宇教授介绍到。

“我们近些年针对海豚等生物进行了大量基础研究，在海豚声呐机理与声信号数据库的构建上积累了丰富的研究基础，通过有效利用海豚click的宽带特性，我们将仿生通信的速率提高到了11.22 kbps，真正意义上使得仿生通信也迈向了‘4G’时代！”

研究成果

本研究提出了一种基于海豚Click与相位旋转调制的高速仿生通信方法（ClickPRM），利用海豚Click的相位变化来传输信息，并通过嵌入仿生导频实现信道均衡与多普勒补偿。该方法充分利用了海豚Click的超高带宽的特性，并在保持数据安全性的同时实现了高速通信，最高速率可达11.22kbps（图2）。

图2. 高速仿生水声通信技术路线

研究团队于2024年1月25日在福建厦门五源湾进行了海上试验，在国内外首次使用仿生通信实现了水下图片信息的实时传输（图3）。该区域水深平均5m，多径干扰极为严重，且伴随大量游艇噪声与冲激噪声，导致星座图散乱分布，误码率在40%左右波动，难以准确解调。使用仿生导频进行信道感知，进而实现信道均衡与相位偏移补偿后，星座图聚类清晰，几乎未超过决策阈值，误码率可降低至0.11%，可实现数据高保真传输（图4）。

图3. 国内外首次使用仿生通信实现图片实时传输

图4. 基于仿生导频信道均衡技术显著降低误码率

研究团队及资助

本研究是张宇教授团队继仿生探测前沿研究，在仿生通信研究取得的重要突破。论文第一作者为厦门大学博士生黄子豪，通讯作者为厦门大学张宇教授与宋忠长副教授，厦门大学的博士生彭旭名，张博宇，惠健刚，自然资源部第三海洋研究所的吴福星副研究员以及天津大学的蒋佳佳教授为共同作者。该研究获得国家自然科学基金，广东省联合基金以及福建省科技重大专项等项目的联合资助。

论文来源与链接

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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