海洋（yáng）覆（fù）盖着（zhe）地球三（sān）分之二的表面（miàn）积（jī），它是（shì）人类探索和研究（jiū）的最前沿的领域之一。海洋不（bú）仅在（zài）国（guó）际商业（yè）和渔业中扮演重要的（de）角色，而且还包含了有关（guān）气候的（de）信息（xī），以及大量急待开发（fā）的资源。
水下无线通信是研制海洋（yáng）观测（cè）系统的关键技术，借助海洋观（guān）测系（xì）统，可以采集（jí）有关海洋（yáng）学（xué）的数据，监测环境污染，气候（hòu）变（biàn）化海底异常地震（zhèn）火（huǒ）山活动，探查（chá）海底（dǐ）目标，以及（jí）远距离图像传输。水下无线（xiàn）通（tōng）信在军事中（zhōng）也（yě）起到至关（guān）重要的作用，而且水下（xià）无线通信也是水（shuǐ）下传感器网（wǎng）络（luò）的关（guān）键技术（shù）。
水下无线通信主要可（kě）以（yǐ）分成三大类：水下（xià）电磁（cí）波通信（xìn）、水声通信（xìn）和水下量子通信，它（tā）们具有不同（tóng）的（de）特性及（jí）应用场合（hé），下面分别（bié）进（jìn）行说明（míng）。
一（yī）、水下（xià）电磁波通信
⒈ 水下电（diàn）磁波传播特点（diǎn）
无（wú）线电波在海水中衰减严（yán）重，频（pín）率越高衰减越大（dà）。水下实验（yàn）表明：MOTE节点发射的无（wú）线电（diàn）波在水下（xià）仅（jǐn）能传播50～120cm。低频长波无（wú）线（xiàn）电波水下实验（yàn）可以达到6～8m的通信距离。30～300Hz的超低（dī）频电磁波对（duì）海水穿透能力可达（dá）100多米（mǐ），但需要很长的接收天（tiān）线，这在体（tǐ）积较小（xiǎo）的水下节点（diǎn）上无法实（shí）现。因此，无线电波（bō）只能实现（xiàn）短距离的高速（sù）通信，不能（néng）满足远距（jù）离水下组网的要求。
除了海水本身（shēn）的特性对水下电磁波通信的（de）影响外，海水的运动对水下电磁波通信（xìn）同样有很大的影响。水下接（jiē）收点（diǎn）相移分（fèn）量均（jun1）值和均方差均与选用电磁波的频率有关。水下接收点相移分量的均值随着接收点的（de）平（píng）均深度的增加而线（xiàn）性增大，电场相移分量的均方差大小受海浪的（de）波动（dòng）大小影响，海浪（làng）运动的随机性（xìng）导致（zhì）了电场相移分量的标准差呈对数指数分布（bù）。
⒉ 传统的水下电磁波通信
电磁波作为最常（cháng）用的信息（xī）载体和探（tàn）知（zhī）手（shǒu）段，广泛应用（yòng）于陆上通信、电视、雷达、导航等领域。20世纪上半叶，人们始终致力于将模拟通信移（yí）至水中。水下（xià）电磁通信可追溯至第一次世界大（dà）战（zhàn）期间，当时（shí）的法国最先使用电磁波进（jìn）行（háng）了（le）潜艇（tǐng）通信实验。第二（èr）次世（shì）界大战期间，美国科学（xué）研究发展局（jú）曾对（duì）潜水员间的短距（jù）离无线电磁通信进行了研究，但由（yóu）于水中电（diàn）磁波的严重衰减，实用的水下电磁通信（xìn）一（yī）度被认为无法实现。
直至60年代，甚（shèn）低频（VLF）和（hé）超低频（SLF）通信才开（kāi）始被各（gè）国海军大量研究。甚（shèn）低频的频率范围在（zài）3～30kHz，其虽（suī）然可覆盖几千米的范围，但仅能为水（shuǐ）下10～15米深（shēn）度的潜艇提供通信。由反侦查及潜航深度要（yào）求，超低频（SLF）通信系统（tǒng）投入研制。SLF系统（tǒng）的频率范围为30～300Hz，美国（guó）和俄罗斯等国采（cǎi）用（yòng）76Hz和82Hz附近的（de）典型频率（lǜ），可实现对水下超过80米的潜艇进（jìn）行指（zhǐ）挥通信，因此超低频通信（xìn）承担（dān）着重要的战（zhàn）略（luè）意义。但是，SLF系统（tǒng）的地基天线（xiàn）达几十千（qiān）米（mǐ），拖曳天线长度也超过千（qiān）米，发射功率为兆瓦级，通信速率低于（yú）1bp，仅（jǐn）能（néng）下达简单指令，无法满足高（gāo）传输（shū）速率需求。
⒊ 水（shuǐ）下无（wú）线射（shè）频通（tōng）信
射频（Radiofrequency，RF）是对（duì）频（pín）率高于10kHz，能够辐（fú）射到（dào）空（kōng）间（jiān）中（zhōng）的交流变（biàn）化的高频电磁波的简称。射频系统（tǒng）的（de）通信质量（liàng）有很大程度上取决于调制方式的选取（qǔ）。前期（qī）的（de）电磁通信通常采（cǎi）用模（mó）拟（nǐ）调制技术，极大地限制了系统的性能（néng）。近年来，数字（zì）通（tōng）信日益发（fā）展。相比于模（mó）拟（nǐ）传输系统（tǒng），数字（zì）调（diào）制解（jiě）调（diào）具有更强的（de）抗噪声（shēng）性能、更高（gāo）的信道损耗容忍度、更直接（jiē）的处（chù）理形式（数字图像等（děng））、更高的安（ān）全（quán）性，可（kě）以支持（chí）信源编码（mǎ）与数据压缩（suō）、加密等技术，并使（shǐ）用差错控制编码纠正传输误差。使用数字技术可（kě）将-120dBm以下的弱信号从存在的严重噪声的调制（zhì）信号中（zhōng）解调出来，在（zài）衰减允许的情况下，能够采用更高的（de）工（gōng）作频率（lǜ），因此射频（pín）技术应用于浅水近（jìn）距离通信成为可能。这对于满足快速增（zēng）长的近距离高速信息交（jiāo）换需求，具（jù）有重大的意义。
对比其他近距（jù）离（lí）水下通信技术，射频（pín）技术具有多项（xiàng）优势：
①通信速率高（gāo）。可以实（shí）现（xiàn）水（shuǐ）下近距离（lí），高速率（lǜ）的无线双工通信（xìn）。近距离（lí）无线射频（pín）通信可采（cǎi）用远高于水声通信（50kHz以（yǐ）下）和甚低频通信（xìn）（30kHz以下）的载波频率。若利用（yòng）500kHz以上的工作频率，配（pèi）合正交幅度调制（QAM）或多载波调制技术，将使100kbps以上的数据的高速传输成为可能。
②抗噪声能（néng）力强。不受近水（shuǐ）水域海浪噪声（shēng）、工业噪声以及自（zì）然光辐（fú）射等干扰，在浑浊、低可见度的恶劣水下环境（jìng）中，水（shuǐ）下（xià）高速（sù）电磁通信的优（yōu）势尤其明显。
③水下电磁波的传播速（sù）度快，传输（shū）延迟（chí）低。频率高（gāo）于10kHz的电（diàn）磁波，其传播速度比（bǐ）声波高（gāo）100倍以上，且随着频率的增加（jiā），水下电磁波的传播速度迅（xùn）速增加。由（yóu）此（cǐ）可知，电（diàn）磁（cí）通信（xìn）将具有较低的延迟，受多径效应和多普勒展宽的影响远远小于水声通信。
④低的界面及障碍物影响（xiǎng）。可轻易（yì）穿透水与空气分界（jiè）面，甚至油（yóu）层与浮冰层，实现（xiàn）水下与岸上通信。对于随机的自然与人为遮挡，采用电磁技术都可与阴影（yǐng）区内单元顺利建立通信连（lián）接。
⑤无（wú）须精（jīng）确（què）对准，系统结（jié）构（gòu）简单（dān）。与激光（guāng）通信相比（bǐ），电磁通信的对准要求明显降低，无须精确的对准与（yǔ）跟踪（zōng）环节，省去复杂的机械（xiè）调节与转动单（dān）元，因此电（diàn）磁（cí）系统体积小，利于安装与维护。
⑥功（gōng）耗低，供电方便。电（diàn）磁通（tōng）信的高传（chuán）输比特率使得单（dān）位（wèi）数据（jù）量的传输时间减少，功耗降低。同（tóng）时，若采用磁祸合天线（xiàn），可实现无硬连接的高效（xiào）电磁能量传（chuán）输，大大增加了水下封闭单元的工作时间，有利于分布式传感网络应用。
⑦安（ān）全性高，对于（yú）军事上已广泛采用（yòng）的水声对抗干扰免（miǎn）疫。除此之（zhī）外，电磁波较高的水（shuǐ）下衰减，能够提高水下通信的安全性（xìng）。
⑧对水生（shēng）生物无影响，更（gèng）加有利于生态保护。
二、水声通信
水（shuǐ）声通信是其（qí）中（zhōng）最成（chéng）熟的技术。声（shēng）波是水中信息的主（zhǔ）要载体，己广泛应（yīng）用于水（shuǐ）下（xià）通信、传感（gǎn）、探（tàn）测、导航、定位等领（lǐng）域。声波属于机械（xiè）波（纵波），在（zài）水（shuǐ）下传输（shū）的信号衰减小（其衰减率为电磁波（bō）的千分之一），传（chuán）输距离（lí）远，使（shǐ）用范围可从几（jǐ）百米延伸至（zhì）几（jǐ）十公里（lǐ），适（shì）用于温度稳定的深水通信（xìn）。
⒈ 水（shuǐ）声信道的特性与影（yǐng）响因子
声波在海面附近的典型传播速率（lǜ）为1520m/s，比电磁波的速率低5个（gè）数量级，与电磁（cí）波和光波相比较，声波在海（hǎi）水中的衰减小得多。
水声通信系统的性能受复杂的水声信道的影响（xiǎng）较大（dà）。水声信道是由海洋及其边（biān）界构成的一个非常复杂的介质空间，它具有内部结构和独特的上下表面（miàn），能对声（shēng）波产生许（xǔ）多不同的影响（xiǎng）。
①多路径效应严重（chóng）。当传输距离大于（yú）水深（shēn）时，同一（yī）波（bō）束内从不同路径传输的声波，会由于路径长度的差异，产（chǎn）生（shēng）能量（liàng）的（de）差（chà）异和时间的延迟使信号（hào）展宽，导致（zhì）波形的码间（jiān）干（gàn）扰。当带宽为4kHz时（shí），巧米的路径差（chà）即会造成10毫秒的时（shí）延（yán），使每（měi）个信（xìn）号并发40个（gè）干扰信号。这（zhè）是限制数据传输（shū）速度并增加（jiā）误码率的主要因素。
②环境噪声影响大。干扰水（shuǐ）声（shēng）通（tōng）信的噪声（shēng）包括沿岸工业、水（shuǐ）面作业、水下动力、水生（shēng）生物产生（shēng）的活动噪声，以及海面波浪（làng）、波涛拍（pāi）岸、暴风雨、气泡带来的自（zì）然噪（zào）声。这些噪声会（huì）严（yán）重影响信号的信噪比。
③通信速率低。水下声（shēng）信（xìn）道的随（suí）机变化特性（xìng），导致水下通信带宽十分有（yǒu）限。短距离、无（wú）多径（jìng）效应下的带宽（kuān）很难超过50kHz，即使采用16-QAM等多（duō）载波（bō）调制技术，通信速率只有Ikbps～20kbps。当工作于复杂的环境中，通信速率（lǜ）可能会低（dī）于Ikbps。
④多（duō）普勒（lè）效应、起伏效应等（děng）。由发送与（yǔ）接收节点间的（de）相对位移产（chǎn）生的多普勒效应会（huì）导致载波偏（piān）移及信（xìn）号幅（fú）度的降低，与多径效应并发的（de）多普勒频展（zhǎn）将（jiāng）影（yǐng）响信息解码。水媒（méi）质内部的随机性不（bú）平（píng）整，会使声信（xìn）号（hào）产生随机的起（qǐ）伏，严重影响系统性能（néng）。
⑤其他。声（shēng）波几乎无法跨越水与空气的界面传播；声波（bō）受温度、盐度等参数影响较大；隐蔽性（xìng）差；声波影响水下生物，导致生态破坏（huài）。
⒉ 水声通信技（jì）术
水（shuǐ）声（shēng）信道一个十（shí）分复杂的多（duō）径传输的信（xìn）道（dào），而且（qiě）环境噪声高带宽窄可适用的载波频率低以及传输的时延大（dà）。为了克（kè）服（fú）这些不利（lì）因（yīn）素（sù），并尽（jìn）可能地提高带宽利用效率，已经出（chū）现多种水声通信技（jì）术。
①单边带调制技术。世界（jiè）上第一个水声通信（xìn）系统（tǒng）是美国（guó）海（hǎi）军水声实验室于1945年研制的水下电（diàn）话（huà），主要用于潜艇之间的通信。该模拟通信系统使用单（dān）边（biān）带调（diào）制技术（shù），载波频段为8～15kHz，工（gōng）作（zuò）距离可达几公里（lǐ）。
②频移键控（FSK）。频（pín）移键控的通信系统从上（shàng）世纪（jì）70年代后期开始出现（xiàn）到目前，在（zài）技术（shù）上逐渐提高频移键控需要较宽的频带宽度，单位带宽的（de）通信速率低，并要求有较高的信（xìn）噪比。
③相移键（jiàn）控（PSK）。上世纪80年代（dài）初，水下声通（tōng）信中开始使用相移键控调（diào）制（zhì）方式。相移键控系统大多使用差分相移键控方式进行调制（zhì），接收端可（kě）以用差分相干方式解（jiě）调（diào）。采（cǎi）用差分相干的差（chà）分调相不（bú）需要（yào）相干载波，而（ér）且在抗频漂、抗（kàng）多径效应及抗（kàng）相位慢抖动方面（miàn），都优（yōu）于（yú）采用非相干解调（diào）的绝对调相。但由于（yú）参考相位中噪声的（de）影（yǐng）响，抗噪声能力有所下降。
近年来，水（shuǐ）声通信（xìn）在以下两个方面取得了很大的进步：
④多载波调制（zhì）技（jì）术。
⑤多输入多输出技（jì）术。
三、水下量子通信
⒈ 水下激光（guāng）通（tōng）信
水下激光通信技术利用激光（guāng）载波传输信（xìn）息。由于波长450nm～530nm的蓝绿激光在水（shuǐ）下的衰减较其他（tā）光波段小得多，因此（cǐ）蓝绿激光作为窗口波段应（yīng）用（yòng）于水下通信。蓝绿激光（guāng）通信的（de）优势是拥有几种（zhǒng）方式中最高传输速率（lǜ）。在超近（jìn）距离（lí）下，其（qí）速率可到达100Mbps级（jí）。蓝绿激（jī）光通信方向性（xìng）好（hǎo），接收天线较小。
70年代初，水下激光技（jì）术的军事研（yán）究开始受（shòu）到重视。90年代初，美军完成（chéng）了初（chū）级阶（jiē）段的蓝绿激光（guāng）通信系统实验（yàn）。但激（jī）光（guāng）通信目前主要应（yīng）用（yòng）于卫星（xīng）对潜通信，水下收发系统的研（yán）究滞后。
蓝（lán）绿激光应（yīng）用（yòng）于浅水（shuǐ）近距离通信存在固有（yǒu）难点：
①散（sàn）射影响。水中悬浮（fú）颗（kē）粒及（jí）浮（fú）游生物会对光产生明（míng）显的散射作用，对于浑浊的浅水（shuǐ）近距离传输，水下（xià）粒子造成的散射比空气中（zhōng）要强（qiáng）三个数（shù）量级（jí），透过率明显降（jiàng）低。
②光信号（hào）在水中的吸（xī）收（shōu）效应严重。包（bāo）括水媒质的（de）吸收、溶解物的（de）吸收及悬浮物的吸（xī）收等。
③背景辐射的干扰。在（zài）接收信号的（de）同时，来（lái）自水面外的强烈自（zì）然光，以及水下（xià）生物（wù）的辐射（shè）光也会对接收信噪（zào）比形（xíng）成干扰。
④高精度瞄准与（yǔ）实（shí）时跟踪困难。浅水区域（yù）活（huó）动繁多，移动的（de）收发（fā）通信单（dān）元（yuán），在水下保（bǎo）持（chí）实时（shí）对准十（shí）分困难。并且由（yóu）于（yú）激光只能进行视距通信，两个通信点（diǎn）间随机的遮挡都（dōu）会影响通信性（xìng）能。
由以上分析可知（zhī），由于固（gù）有的（de）传（chuán）输特（tè）性，水声通信和（hé）激光通信应用于浅水领域近距离高速通（tōng）信时受到局限。
⒉ 水下中微（wēi）子通信
中微子是（shì）一（yī）种穿透能（néng）力很强的粒子，静止（zhǐ）质量几乎（hū）为零，且不（bú）带（dài）电（diàn）荷，它大量（liàng）存（cún）在于阳光、宇宙（zhòu）射线、地球大（dà）气（qì）层（céng）的撞击以（yǐ）及岩（yán）石中（zhōng），50 年代中期（qī），人们在实验室（shì）中（zhōng）也发现了它。
通过实验证明（míng），中（zhōng）微子聚集运动的粒（lì）子束具有两（liǎng）个特点（diǎn）：
①它只参（cān）与原子核（hé）衰变时的弱相互作用力（lì），却不参（cān）与重力、电磁力以及质子和中子结合的强相互作用力（lì），因此，它可以直（zhí）线高（gāo）速运动（dòng），方向性极强；
②中微（wēi）子（zǐ）束（shù）在（zài）水中穿越时，会（huì）产生光（guāng）电效应，发出微弱的蓝色闪光（guāng），且衰减极小。
采用中（zhōng）微子束通信（xìn），可以确保点（diǎn）对点（diǎn）的通信（xìn），它方向性好（hǎo），保密性极强，不（bú）受（shòu）电磁波的干扰，衰减极小（xiǎo）。据测（cè）定，用高能（néng）加速（sù）器产生高（gāo）能中微子束，穿透（tòu）整个地球后，衰减不足千（qiān）分之一，也就是说（shuō），从南美洲（zhōu）发出（chū）的中微子束，可以直接穿透地球到达北（běi）京，而中间（jiān）不需卫星和中（zhōng）继站。另外，中微子束通（tōng）信也（yě）可以应（yīng）用（yòng）到例如对潜等水下通信，发展前景（jǐng）极其广阔，但（dàn）由于技术比较（jiào）复杂，目前还停留在实验室阶段（duàn）。
四、水下无线通信的应用
海（hǎi）洋、湖（hú）泊等（děng）水下区域不但蕴含着（zhe）丰富的资（zī）源，也与人类社会的发展构成直（zhí）接（jiē）的关（guān）联。在（zài）传统的（de）陆空通信网络日（rì）趋完善（shàn）的（de）今（jīn）天，水下通信（xìn）的应用（yòng）正在逐渐（jiàn）增多。有缆通信方式使（shǐ）目标的活动区域大大受到限制，且安装、使用、维护繁（fán）琐昂贵，因此不适于（yú）水下节点（diǎn）间（jiān）的动态通信。
水（shuǐ）下（xià）无（wú）线（xiàn）通信是以水为媒质，利用不同形式的载波传（chuán）输数（shù）据、指令（lìng）、语音、图像等信息（xī）的技术（shù），其应用（yòng）方（fāng）向主要有：
①潜水员、无人潜航器（AUV）、水（shuǐ）下机器人等水下（xià）运动单元平（píng）台间的信息（xī）交换（huàn）。
②海（hǎi）岸检测、水（shuǐ）下节点的数据采集、导航与（yǔ）控（kòng）制、水下生（shēng）态保护监测（cè）等三维分布式传感网应（yīng）用。
③水下传感（gǎn）网、水下潜航单元与水面及陆上控制或中转（zhuǎn）平台间的通信（xìn）。
由此可（kě）见，水下（xià）无线通信技术在（zài）民用、科研及军事领域中前景广阔。由于水下（xià）复杂的（de）时空环境，通信系统（tǒng）的有效信息传输率往往成为瓶颈，这与不断增长的水下通信需求形成矛盾。例如，潜航器的（de）控制需（xū）要（yào）100bps以上的数据率，水下传（chuán）感组网的数据率需求将超过8kps，而（ér）传输声（shēng）音、图像信息则需（xū）要更（gèng）高的数据传（chuán）输速率。由于传（chuán）播（bō）媒质（zhì）的（de）不同采用（yòng）陆（lù）地、空（kōng）气中常用的微波、超短波通信（xìn）方式，将带（dài）来极大的衰（shuāi）减（jiǎn）。因此，寻找（zhǎo）更速的无线（xiàn）通（tōng）信（xìn）技术，成为水下通信研究（jiū）领域的核（hé）心（xīn）目标之一（yī）。
五、结（jié）语
水下无线通（tōng）信有三（sān）大（dà）类：水下电磁波通（tōng）信、水声通信（xìn）和水下量子（zǐ）通信，它们具有不（bú）同（tóng）的特性及应用（yòng）场合（hé）。虽然电磁波在水中的（de）衰减较大，但受水文条（tiáo）件影响甚微，使得水下电磁波通信相当稳（wěn）定。水下电磁波通信的发展（zhǎn）趋（qū）势为：既（jì）要提高（gāo）发射天线辐射效率，又要增加发射天线的等效带宽，使之在（zài）增加辐（fú）射场（chǎng）强的同时提高传输（shū）速率；应用微弱（ruò）信号放大和检测技术抑制和处理内部和外部的噪声干扰（rǎo），优选调制解（jiě）调技术和编译码技术（shù）来（lái）提（tí）高接（jiē）收机的（de）灵（líng）敏度和可（kě）靠性。
此外，已有学者（zhě）在研究超窄带理论与技术，力争获得更高的频带（dài）利用率（lǜ）；也有（yǒu）学者正寻求能否突破（pò）香农极限的科学依据。
由于（yú）声波在水（shuǐ）中（zhōng）的衰减最小，水声通（tōng）信适用（yòng）于中长距离的（de）水下无线通信。在目前及将来的一段时间内，水（shuǐ）声通（tōng）信是水下传感器网络当（dāng）中主要的水下无线通信方式，但是水声通信技术（shù）的数据传输（shū）率较低（dī），因此通过（guò）克服多径（jìng）效应（yīng）等不利因素的手段，达到（dào）提高带宽（kuān）利（lì）用效率的目的（de）将（jiāng）是未来水（shuǐ）声通信技术的（de）发展方向。
水下光通（tōng）信（xìn）具有数据（jù）传（chuán）输率高的优点，但是水下光（guāng）通信受环（huán）境（jìng）的影响较大，克服环境的（de）影响是（shì）将来（lái）水下光通信技术的发展方向。
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