观察级水下机器人设计原理之：通信
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Sonardyne 采用水下光通信和第六代声学应答器测试机器人全自主入库
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传输硬件
因为无线数据通信在水中的传输速率很低，不能用于水下机器人的控制和通信。电磁波信号在海水中0.2 m的范围内的最大传输速率为10-100 Mbps，当距离增加到200 m时，传输速率低至50–100 bps。此外还有其他形式的水下通信方式，如声学通信或光学通信，但也都有局限性，很少用于观测级ROV，比如Sonardyne 的Blue Comm就是一款商用级水下光通信产品。
综上，由于无线技术的限制，观测级ROV通信通常通过系缆/脐带缆进行。通信的传输介质是金属导体或光纤。
基于成本考虑，金属导体通常由铜制成，并且可以是双绞线或同轴电缆的形式。
双绞线电缆是观测级ROV最常用的通信电缆。它们由多组的“电线对”均匀缠绕形成整个电缆。这种电线对相互缠绕扭曲降低了外部共模噪声干扰。这种类型的电缆称为无屏蔽双绞线(UTP)。使用屏蔽双绞线可以进一步降低噪声影响。双绞线用于以太网通信网络。电缆的类型根据其类别而有所不同。以太网通信通常使用5类线或更高规格。5类线的传输速率约为1Gb/s。尽管制造商建议这些电缆的最大传输长度为100米，但观测级ROV通常在300米的距离内使用它们，这样可以通过降低带宽来满足设计人员的要求。
超高速数字用户线路(VDSL)技术允许通过标准双绞线硬件实现大带宽。该技术使用频分复用来实现对称和非对称数据传输。早期系统允许在740米上进行高达25Mbps对称数据传输。然而，随着VDSL2技术的进步，速率已经增加到2公里的距离内实现100 Mbps对称数据传输，在非对称数据传输中支持100 Mbps下载和50 Mbps上传。近年来，随着研究的开展，在光纤入户(FTTH)无法实现的地区，家庭与骨干光纤节点之间的连接有了进一步的改善。下一代技术包括G.fast技术、Vplus技术和 XG-fast (原理阶段)技术。目前这些还是尖端技术，但在不久的将来可能会复用到水下领域应用。
不同传输技术的特点
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水下传感器制造商现在正在生产能够利用更大VDSL数据吞吐量的设备。比如Kongsberg，Teledyne BlueView 和Tritech。
一些水下传感器引入了从串行通信技术转变为以太网供电(POE)的设备，后者通过单根以太网电缆提供电力和通信。最初的IEEE802.3af-2003 POE标准规定每个设备在48伏直流电下的功率为15.4瓦，但是由于电缆损耗，在设备端只能传输12.95瓦的功率。2009年，为IEEE 802.3at的POE+引入了一个修订的标准，规定在50伏直流电时为30瓦，电缆损耗后的工作功率为25.5瓦。这些标准仅使用网络电缆中四对电缆中的两对。然而，IEEE协会目前有一个工作组正在研究提出的的IEEE 802.3bt标准，这项标准拟使用四对电缆，这样可以传输更高的功率。
另一种数据传输形式是电力线载以太网，也称为电力线网络技术。它允许通过电力线传输通信数据。多年来，供电公司一直在使用这一理念，通过向输电线路发送信号来区分峰值和非峰值情况。这项技术已针对家庭网络进行了重新设计，将房屋内现有的电线重新适配为通讯线，组网就更加经济实惠。最新的适配器在最高300米的范围内的额定速率最高可达2Gbps，但在实际测试中，数据传输速率非常低，实测30米速度仅为117 Mbps。有人将这种电力线载以太网技术用于水下机器人，能够在400米长的18号双绞线上传输速率为60-80Mbps。
还有一种传输线是同轴电缆，由于其特殊的结构，适用于需要高频传输的应用。10–100 Mbps的传输速率可在高达500米的距离内实现。一些早期的观测级ROV在设计中使用了同轴脐带缆，但随着光纤技术的进步，这些系统的使用在过去几年中有所减少。
光纤技术现在已经成为工作级ROV领域的行业标准配置了。一方面因为光纤传输不受交流电感应噪声的影响，另一方面是因为在较远距离有较大的带宽。
单模(SM)和多模(MM)光纤都适用于水下机器人应用，但是多模光纤传输距离的限制，以及近年来单模光纤成本的降低，ROV行业几乎都采用单模光纤。
过去，单模光纤设备需要一根用于发送，另一个根用于接收，这种方式称为单工通信。现在使用全双工系统，可以适应双向通信。为了允许双向和增加通信容量，使用了多路复用技术，多个信号可以同时沿一条线路发送。在光纤通信领域，波分复用（WDM）是一种常见的技术，通过这种技术，独立的信号以不同的波长通过纤芯传输，一个波长称为一个信道。随着信道的增加，传输速率也会增加。波分复用技术分为粗波分复用(CWDM)和密集波分复用(DWDM)。
不同传输技术的特点
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尽管可以通过DWDM实现大容量传输，但很少用于ROV应用，因为配套设备又大又重，而且光纤通信不是瓶颈，传输速率在很大程度上取决于以太网或许多传感器的串行输出。取而代之的是，CWDM多路复用器被广泛使用。可以为摄像机、导航和控制以及各种其他传感器提供足够通道。
如前所述，通过光纤传入/传出ROV的数据传输受到系统瓶颈的限制，无论是以太网还是传感器的串行输出。高清和4K摄像机现已投入生产，允许使用SFP/SFP+(小型可插拔)收发器将光纤直接连接到摄像机上，SFP收发器传输距离高达10km，传输速率为1–10Gbps。但多路器最高速率可能会限制在10Gbps。这种技术也可以集成到水下应用和传感器中。
一些观测级ROV使用多个高清摄像机和/或声纳系统，以及控制和导航设备。对于这些ROV来说，为如此大的数据吞吐量提供大带宽是很重要的。光纤开始在观测级ROV中变得更加普遍。研究型ROV项目通常利用光纤进行通信，一些制造商还提供多余的纤芯作为可选升级。
一般来说，脐带缆的缆芯被一种铠装材料包围，这种材料电缆提供足够的抗拉强度。至少，脐带缆必须能够安全承受ROV的重量，因为ROV通常使用脐带缆布放回收。许多电缆制造商，如麦卡尼，使用凯夫拉编织以增强脐带缆的强度。
由于ROV使用的传感器数量不断增加，并且未来对带宽的需求将会更高。一种预测是使用直接光纤连接的传感器，从而消除串行或以太网传输的瓶颈。另外，随着地面传输技术继续推动通过铜材料获得更高的带宽，这也可以用于水下机器人行业，减少对昂贵光纤设备的需求。
通信协议
网络和通信离不开通信协议，每一个协议都为系统间的数据交换提供了一套规则。ROV行业采用工业应用中最常见的标准。
RS-232通信协议是20世纪60年代为数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的传输而开发的。它将逻辑1定义为-3V至-25V之间的电压，将逻辑0定义为+3V至+25V之间的电压电平。
RS-485通信协议于1983年推出，将逻辑1定义为-1.5V至-5V之间的电压，将逻辑0定义为+1.5V至+5V之间的电压电平。它是一种多点配置，以主、从配置方式中将多个设备连接在一起。
以太网是一种物理层协议，用于在网络的物理层传输数据。由于其相对较低的成本、可靠性和适应性，它是最广泛的本地接入网(LAN)技术。
目前水下机器人行业使用的三种常见通信协议的比较
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从上表可以看出，每种通信方式都有其优劣，RS232抗干扰能力强，但是传输距离短，千兆以太网传输速率高，但是协议复杂。在实际设计过程中，我们更多地考虑充分利用不同通信方式的优点以满足实际需求，同时也考虑设备和传感器预定的通信接口进行匹配。
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