海（hǎi）洋覆盖着地球三（sān）分之二的表（biǎo）面积，它是人类探（tàn）索和（hé）研（yán）究的最前沿的领（lǐng）域之一。海洋不仅在（zài）国际商业和渔业中扮（bàn）演重要的角色，而且（qiě）还包含了有关气候的（de）信息，以及大量急（jí）待开（kāi）发的资源。
水下无线通信是研制海洋观测系统的关键技术，借助海洋观测系（xì）统，可以采集有关海洋学（xué）的数据，监测（cè）环境污染，气候（hòu）变化（huà）海底异常（cháng）地震火山活动，探查（chá）海底（dǐ）目标，以（yǐ）及远距离图像（xiàng）传输（shū）。水下（xià）无线通（tōng）信在军事（shì）中也（yě）起到至关重要的作用，而且水下无线通信也是水下传感器网络的关键（jiàn）技术（shù）。
水（shuǐ）下无线通信主要可以分成三大类：水下电（diàn）磁（cí）波（bō）通（tōng）信、水声通信和水（shuǐ）下量（liàng）子通信，它们具有不同的特性（xìng）及应（yīng）用场合（hé），下面分别进行（háng）说（shuō）明。
一（yī）、水下（xià）电磁波通信
⒈ 水（shuǐ）下（xià）电磁波（bō）传（chuán）播特点
无线电波在海水（shuǐ）中衰（shuāi）减（jiǎn）严重，频率越高衰减越（yuè）大。水（shuǐ）下实验表明：MOTE节点发（fā）射的无线（xiàn）电波在（zài）水下仅能传播50～120cm。低频（pín）长波无线电（diàn）波水下实（shí）验可（kě）以达到6～8m的（de）通（tōng）信距（jù）离。30～300Hz的超低频电磁波对（duì）海水（shuǐ）穿透能力（lì）可达100多（duō）米（mǐ），但需（xū）要很（hěn）长的接收天线（xiàn），这在体积较小的水（shuǐ）下节点上无法实现。因此，无线电波只能实现短（duǎn）距离的高速通信，不能满足远距离水下组网的要求。
除了（le）海（hǎi）水本身的（de）特性对水下电磁波通信（xìn）的影响（xiǎng）外，海水（shuǐ）的运动对水下电磁（cí）波通信同样有（yǒu）很大的影响。水下接收点相移分量均值和（hé）均（jun1）方差均与选用电（diàn）磁波的频率有关。水下接收点相移分量的（de）均值随着接（jiē）收点的平均（jun1）深（shēn）度的增加而线性增大，电场相移（yí）分量的均方差大小受海浪的波动大小影响，海浪运动的随机（jī）性（xìng）导致了电场相移分量的标准（zhǔn）差呈对数（shù）指数分（fèn）布。
⒉ 传统的水下电磁波通信
电磁波（bō）作（zuò）为最常用的信息载体和（hé）探知手（shǒu）段（duàn），广泛（fàn）应用于陆上通（tōng）信（xìn）、电（diàn）视、雷达、导航等领（lǐng）域。20世纪上半叶，人们始终致力于将模拟通（tōng）信移至水中（zhōng）。水下电（diàn）磁通信可追溯（sù）至第一次世界大战期间，当时的（de）法国最（zuì）先使（shǐ）用（yòng）电（diàn）磁波进行了潜艇通（tōng）信实验。第二次世界大（dà）战期间，美国科学研究发展局曾对潜水员间的短距（jù）离无线电（diàn）磁通信进行（háng）了研（yán）究，但（dàn）由于水中电（diàn）磁波的严重衰减，实（shí）用（yòng）的水下电磁通信一度被认为无法（fǎ）实（shí）现。
直至60年代，甚（shèn）低频（pín）（VLF）和超低频（SLF）通信才开始被各国海军大量（liàng）研究。甚低频的频率范围（wéi）在3～30kHz，其虽（suī）然（rán）可（kě）覆盖几千米的范围（wéi），但仅能为水下（xià）10～15米深度的（de）潜（qián）艇提供（gòng）通信。由反（fǎn）侦查及潜航深度要求，超（chāo）低频（SLF）通信系统投（tóu）入研制。SLF系统的频率范围为30～300Hz，美国和（hé）俄罗斯等国采用（yòng）76Hz和82Hz附近（jìn）的典型频率，可实现对水（shuǐ）下超（chāo）过80米的潜艇进行指挥通信，因此（cǐ）超低频通（tōng）信承担着重要（yào）的战（zhàn）略意义（yì）。但是，SLF系统的地基天线达几十千米（mǐ），拖曳天（tiān）线长（zhǎng）度也超过（guò）千米，发射（shè）功率为兆（zhào）瓦级（jí），通信（xìn）速（sù）率低于1bp，仅能下达简单指令，无法满足高传输（shū）速率（lǜ）需求。
⒊ 水（shuǐ）下无（wú）线射（shè）频通信
射（shè）频（Radiofrequency，RF）是对频率高（gāo）于10kHz，能够辐射到空间（jiān）中的交流变化的高频电磁波的简（jiǎn）称。射（shè）频系统的通信质量有很大（dà）程度上取决于调制方式（shì）的选取。前期的电磁通信（xìn）通常（cháng）采用模拟调制技（jì）术，极（jí）大地限制了系统的性能。近年来，数（shù）字通信日（rì）益发（fā）展。相（xiàng）比（bǐ）于模（mó）拟传输系统，数字调制解（jiě）调具有更强的抗噪（zào）声性能、更高的信（xìn）道（dào）损耗容忍度（dù）、更直（zhí）接的处理形式（数字图像等）、更高的安全（quán）性，可以（yǐ）支（zhī）持信源编码与（yǔ）数（shù）据压缩、加密等（děng）技术，并使用差（chà）错控制编（biān）码纠（jiū）正（zhèng）传输误差。使用数字技术（shù）可（kě）将（jiāng）-120dBm以下的弱信号从存在的严重（chóng）噪声的调制信（xìn）号中解调（diào）出来，在衰减允许（xǔ）的情况下，能够采（cǎi）用更高的工作频率，因此射频技术应用（yòng）于浅水近距离通（tōng）信成（chéng）为可能。这对于满足快速（sù）增长的（de）近距离高速信息交换需求，具有重大的意（yì）义。
对比（bǐ）其他（tā）近距离水下通信技术，射频（pín）技术具有多项优势：
①通信速率高。可以（yǐ）实现水下近距离，高速率（lǜ）的无线双工通（tōng）信。近距离无线射频通信（xìn）可采用远（yuǎn）高于（yú）水声通信（50kHz以下）和甚低频通信（30kHz以下）的（de）载波（bō）频率。若利用500kHz以上的（de）工作频率，配合正交幅度调制（QAM）或多载波调制技术（shù），将使100kbps以（yǐ）上的数据的高速传输成（chéng）为可能。
②抗噪声能力强。不受近水水域海浪（làng）噪声、工业噪声以（yǐ）及自然（rán）光辐（fú）射（shè）等干（gàn）扰，在浑浊、低可（kě）见度的恶（è）劣水下环（huán）境中，水下高速电（diàn）磁通信（xìn）的（de）优势尤其明显（xiǎn）。
③水下电磁波的传播速度（dù）快，传输延迟（chí）低。频率高于10kHz的电磁波，其传播速度比声波高100倍以上，且随（suí）着（zhe）频率的增加，水下电磁波的传播速度迅（xùn）速增加（jiā）。由此（cǐ）可知（zhī），电磁（cí）通信将（jiāng）具（jù）有较低（dī）的（de）延迟，受多径效应和（hé）多普勒（lè）展宽（kuān）的影响（xiǎng）远（yuǎn）远小于水（shuǐ）声通信。
④低的界面及障碍物影响。可轻易穿（chuān）透水与空气分界（jiè）面，甚至油层与浮（fú）冰层，实现（xiàn）水下（xià）与（yǔ）岸（àn）上通信。对于随机的自然与人为（wéi）遮挡，采（cǎi）用电磁技术都（dōu）可与阴影区内（nèi）单元顺利建立通信连接。
⑤无须（xū）精确（què）对准，系统结构简（jiǎn）单。与激光通信相比，电磁通信的对准要（yào）求（qiú）明（míng）显降低，无须精确的（de）对准与跟踪环节，省去复杂的机（jī）械调节与转动单元，因此电磁系（xì）统体（tǐ）积（jī）小，利于安装（zhuāng）与维（wéi）护。
⑥功耗低，供电方便。电磁通（tōng）信的高传输比特（tè）率（lǜ）使得单位数据（jù）量的传（chuán）输时（shí）间减少，功（gōng）耗降低（dī）。同时，若采用磁祸合天（tiān）线，可实现无（wú）硬连接（jiē）的高效电磁能量传输，大大（dà）增（zēng）加了水下封闭（bì）单元的（de）工作时（shí）间，有利于分布式传感网络应用。
⑦安全性高（gāo），对于军（jun1）事上已广泛采用的水（shuǐ）声对抗（kàng）干扰免疫。除（chú）此之外，电磁波较高的水下衰减，能够提高水下通信（xìn）的（de）安全性。
⑧对水生生物无影响，更加（jiā）有利于生态保护。
二、水声通信
水（shuǐ）声通信（xìn）是其中（zhōng）最成（chéng）熟的技术。声波是水（shuǐ）中（zhōng）信息的主要载体（tǐ），己广泛应用于水下通信、传感、探测（cè）、导航（háng）、定位（wèi）等领域。声波属于机械波（bō）（纵波），在水下（xià）传输的（de）信号衰减小（其衰减（jiǎn）率为电（diàn）磁（cí）波的千分（fèn）之一），传输距离远，使用范围可从几（jǐ）百（bǎi）米延伸至几十公里，适用于温（wēn）度稳定的深水通信。
⒈ 水声信道的特性与影响因子
声（shēng）波（bō）在海面附近的典型传播速率为1520m/s，比电磁波的速率低5个数量（liàng）级，与电磁（cí）波和光波（bō）相（xiàng）比较（jiào），声波在海（hǎi）水中的衰减小得（dé）多。
水声通信系（xì）统的性能（néng）受复杂的水（shuǐ）声信道的影响（xiǎng）较（jiào）大。水声（shēng）信道是由（yóu）海洋（yáng）及其边（biān）界构（gòu）成（chéng）的一个非常复杂的介质空间，它具有内部结（jié）构和独特的上下表面（miàn），能对声波产生（shēng）许（xǔ）多不（bú）同的影响。
①多路径效应严重。当传输距（jù）离大于水（shuǐ）深时，同一波束（shù）内从不同路径传输的（de）声波，会（huì）由于路径长度的差异，产生能量的差（chà）异和（hé）时（shí）间的延迟使（shǐ）信号展宽，导致波形的码间干（gàn）扰。当带宽为4kHz时，巧米的（de）路径差即（jí）会（huì）造成10毫（háo）秒的时延，使每个信号并发40个（gè）干扰信号（hào）。这是（shì）限（xiàn）制数据传（chuán）输速度并（bìng）增加误码率的（de）主要因素（sù）。
②环境噪声影响大。干扰（rǎo）水声通（tōng）信的（de）噪声（shēng）包（bāo）括沿岸工业、水面作（zuò）业、水下动力、水生生（shēng）物产生的（de）活动噪声（shēng），以及海（hǎi）面波浪、波涛拍岸、暴风雨、气泡带来的自然噪（zào）声。这些噪声（shēng）会严重影响（xiǎng）信（xìn）号的信噪比。
③通信速率（lǜ）低。水下声信（xìn）道的随机（jī）变化（huà）特（tè）性，导致水（shuǐ）下通信带宽（kuān）十分有（yǒu）限。短距离、无多径效应下的带宽很难超（chāo）过50kHz，即使采用16-QAM等多（duō）载（zǎi）波调制技术，通信速率（lǜ）只有Ikbps～20kbps。当工作于复杂的环境中，通信速率（lǜ）可能会低于Ikbps。
④多普勒效应、起伏效（xiào）应等（děng）。由发送（sòng）与（yǔ）接收节（jiē）点间的（de）相对位移产（chǎn）生（shēng）的多（duō）普勒效（xiào）应会导致载波（bō）偏（piān）移及（jí）信（xìn）号幅度的降低，与多（duō）径效应并发（fā）的多普勒频展（zhǎn）将影响（xiǎng）信（xìn）息解码（mǎ）。水媒质（zhì）内（nèi）部（bù）的（de）随机（jī）性不平整，会使（shǐ）声信号产生随机的起（qǐ）伏（fú），严重影响系统性能（néng）。
⑤其他（tā）。声波几乎无法跨（kuà）越水（shuǐ）与空气的界（jiè）面传播；声波受温度、盐度等参数影响较大（dà）；隐蔽性（xìng）差；声波（bō）影响水下生物，导致（zhì）生态（tài）破（pò）坏。
⒉ 水（shuǐ）声通信技（jì）术
水声信道一个十分（fèn）复杂的多径传输的信道，而（ér）且环境噪声高带宽窄（zhǎi）可适（shì）用的载波频率（lǜ）低以及传（chuán）输的时延（yán）大。为（wéi）了克服这些不利（lì）因素，并（bìng）尽可能地提（tí）高带宽利用效率，已经出现多（duō）种水声通信技术。
①单边带调制（zhì）技术。世界上第一个水声通信系（xì）统是美（měi）国海军水声实验（yàn）室于1945年研制的（de）水下电话，主要用于潜艇之（zhī）间的通信（xìn）。该模（mó）拟通信系统使用单（dān）边带（dài）调制技术，载波频（pín）段为（wéi）8～15kHz，工作距离可达几公里。
②频移键控（FSK）。频移键控的通信系统从上世纪70年代后期开始出（chū）现到目（mù）前，在技（jì）术上逐渐提高频移键控需要较宽的频带宽度，单位带宽的通信速（sù）率（lǜ）低，并要求有较（jiào）高的信噪比。
③相移键控（PSK）。上世纪80年代初，水下声通信中开始（shǐ）使用相移键控（kòng）调制方式。相移键控系统大多使用（yòng）差分相（xiàng）移（yí）键（jiàn）控方式进（jìn）行调制，接收端可以用差分相干方（fāng）式（shì）解调。采用差分相干的（de）差分调相不需要相干（gàn）载波，而且在抗（kàng）频漂、抗多径效应及抗（kàng）相位慢抖动方（fāng）面（miàn），都优于采（cǎi）用非相干解调（diào）的绝对（duì）调相。但由于参考相位中噪声的影响，抗噪（zào）声能力有所下（xià）降。
近年来，水声通信在（zài）以（yǐ）下两个方面取（qǔ）得（dé）了很大（dà）的进步：
④多载波调制技术。
⑤多输入多输出（chū）技术。
三、水（shuǐ）下量（liàng）子通（tōng）信
⒈ 水下激光通信
水下激光通信（xìn）技术利用激光载波传输信息（xī）。由于波长450nm～530nm的蓝绿（lǜ）激光在水下的（de）衰减较其（qí）他光波段小得多，因（yīn）此蓝绿激光作为窗口波（bō）段应（yīng）用于水下通信。蓝绿激光通信的优势是拥有几种方式中最高（gāo）传输速率。在超近距（jù）离下，其速率（lǜ）可到达100Mbps级。蓝绿激（jī）光通信方向（xiàng）性好，接收天线较小。
70年代初，水下激光（guāng）技术的军事研究开（kāi）始受（shòu）到（dào）重视。90年代初，美军完成了初级（jí）阶段的蓝绿（lǜ）激（jī）光通信系统实验。但激光通信目（mù）前主要应用于卫（wèi）星对（duì）潜通（tōng）信（xìn），水下收发系统的研（yán）究滞后。
蓝绿激光应用于浅（qiǎn）水（shuǐ）近距离通信存在固有难（nán）点：
①散射影响。水中悬浮颗粒及（jí）浮游生物会对光产生明显的散射作用，对于浑（hún）浊的浅水近距离传输，水下粒子造（zào）成的散射比（bǐ）空（kōng）气中要强三个数量级（jí），透过率明显降低（dī）。
②光信号（hào）在水中的吸收效应严重。包括水媒质的吸收（shōu）、溶解物的吸收及（jí）悬浮物（wù）的吸收等。
③背景辐射的干扰。在接收信号的同时，来（lái）自水（shuǐ）面外的强（qiáng）烈自然光，以及水（shuǐ）下生（shēng）物的辐射（shè）光也会对（duì）接收信噪比（bǐ）形成（chéng）干扰。
④高精度瞄准与（yǔ）实时（shí）跟（gēn）踪（zōng）困难。浅水区域活动繁多，移动（dòng）的收发通信单元，在水下保持实（shí）时对准十分困难。并且由于激光只能进行视距通信，两个（gè）通信（xìn）点间随机的遮（zhē）挡都会影（yǐng）响通信（xìn）性能。
由以上分（fèn）析可知，由于固有的传输特（tè）性，水声（shēng）通信和激光通（tōng）信应用于浅水领域近距离高速通信时受到局限。
⒉ 水下中微子通信（xìn）
中微子是一种穿透能力很强的粒子，静止（zhǐ）质量几（jǐ）乎为零，且不带电（diàn）荷，它大量存在于阳（yáng）光、宇宙射线、地球大气层的撞击以及岩石（shí）中，50 年代中（zhōng）期，人们在（zài）实验室（shì）中也（yě）发现了（le）它（tā）。
通过实验证（zhèng）明（míng），中微子聚集运（yùn）动的粒子束具有两个（gè）特点：
①它（tā）只（zhī）参与（yǔ）原子核衰变时的（de）弱相互（hù）作用力，却不参（cān）与重（chóng）力、电磁力以及质子和中子（zǐ）结合（hé）的强相互作用力，因此（cǐ），它（tā）可以直线高（gāo）速运动，方向性极强；
②中微子束（shù）在水中穿越时，会产生光电效应，发出微弱的蓝色（sè）闪（shǎn）光，且衰减极小。
采用中微子束通（tōng）信，可以确保点（diǎn）对点的通信，它方向性好，保（bǎo）密性极强，不受电磁波的干扰，衰减极（jí）小。据（jù）测定（dìng），用高能加速器产生高能（néng）中（zhōng）微子束，穿透整（zhěng）个地球（qiú）后，衰减不足千分之一，也就是说，从南美洲发（fā）出的中（zhōng）微子束，可以直接穿透地球到（dào）达北京，而中间不需卫星（xīng）和中（zhōng）继站。另外，中微子束通信也可以（yǐ）应用到（dào）例如对潜等水下通信（xìn），发展前景极其广阔，但由于技（jì）术比较复杂，目（mù）前（qián）还停留（liú）在实验室阶段。
四、水下无线通信的（de）应用（yòng）
海洋、湖泊等水下区域不但蕴含着丰富的资源（yuán），也（yě）与人类社会的发展（zhǎn）构成直接的关联。在传（chuán）统（tǒng）的陆空通信网络日趋完善（shàn）的今（jīn）天，水下通信的应用正在逐渐增多。有缆通信方式使目标的活动区域（yù）大大（dà）受（shòu）到限制，且安装、使（shǐ）用、维（wéi）护繁（fán）琐（suǒ）昂贵，因此不适于（yú）水下节点间（jiān）的动态通信。
水下无线通信是以（yǐ）水为媒质，利用不同（tóng）形式的载波传输数据、指令（lìng）、语音、图（tú）像等信息的技（jì）术（shù），其应用（yòng）方向主要有（yǒu）：
①潜水员（yuán）、无人（rén）潜（qián）航器（AUV）、水下（xià）机器人等水下运动单元平台间的信息交换。
②海岸检测、水下节点的数据采集、导航与控制（zhì）、水下生（shēng）态保护（hù）监测等三维分布式传感（gǎn）网应用。
③水下传感网、水下潜航单元与水（shuǐ）面及陆上控制或中转平台间的通（tōng）信（xìn）。
由（yóu）此可见，水下无线通信技术在（zài）民用、科研（yán）及军事领域中前（qián）景广（guǎng）阔。由于水（shuǐ）下复杂（zá）的（de）时空环境（jìng），通信系统的有效（xiào）信息传输率往往成为瓶颈，这（zhè）与不断（duàn）增长（zhǎng）的水下通信需求形成矛盾。例如，潜航器的控制需要100bps以上（shàng）的数据率（lǜ），水下传感（gǎn）组网的数据（jù）率（lǜ）需求将（jiāng）超过8kps，而传输声音、图像信息则（zé）需要更高的数据传输（shū）速率。由于传播媒（méi）质的不（bú）同采用陆地、空气（qì）中常（cháng）用（yòng）的微波（bō）、超（chāo）短波通信方式，将带来极大的衰减。因此，寻（xún）找更速的无线通信（xìn）技术，成为水下通信研究领域的核心目（mù）标之一。
五、结语
水下无线通信有三（sān）大类：水下电磁波通信（xìn）、水声通信和水下量子（zǐ）通信，它们具有不同（tóng）的特性及应（yīng）用场合。虽（suī）然电（diàn）磁波（bō）在水中的（de）衰减较大，但受水文（wén）条件（jiàn）影响甚微，使得水下电磁波通信相（xiàng）当稳定。水（shuǐ）下电磁（cí）波通信（xìn）的发（fā）展趋势为：既要提高发（fā）射天线辐射效率，又要增加（jiā）发射天线的等效带宽，使之在增加辐射场强的同（tóng）时提高（gāo）传输速率；应用微弱信号放大（dà）和检测技术（shù）抑制和（hé）处理内（nèi）部和（hé）外部的噪声（shēng）干扰，优选调制解调（diào）技术和编（biān）译码（mǎ）技（jì）术来（lái）提（tí）高接收（shōu）机的灵（líng）敏（mǐn）度和可靠性。
此外，已有学者在研（yán）究超窄带理论与技术，力争获得（dé）更高的（de）频带利用率；也有学者正寻（xún）求（qiú）能否突破香农极限的科学依据。
由于（yú）声（shēng）波在水（shuǐ）中的衰减最小，水声（shēng）通信适（shì）用于中长距离的水下无线通信。在目前（qián）及将（jiāng）来（lái）的一（yī）段时间内，水（shuǐ）声通信是水下传感（gǎn）器网络当中主要的（de）水下无线通信（xìn）方式，但是水声（shēng）通信（xìn）技术的（de）数据传输率较低，因此通过克服（fú）多径效应（yīng）等不利因（yīn）素的手段（duàn），达到提（tí）高（gāo）带宽利用效（xiào）率的（de）目的将是（shì）未（wèi）来水声通信技术的发（fā）展方向。
水下光（guāng）通（tōng）信具有数据传输率高的优点（diǎn），但（dàn）是水下光通信受（shòu）环境的影响较大，克服环境的影响是（shì）将来水下光（guāng）通信技术（shù）的发（fā）展方向。
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