海洋覆盖着地球（qiú）三分之二的（de）表（biǎo）面积（jī），它是人类探索和研究的（de）最（zuì）前沿的领域之一。海洋（yáng）不仅在国（guó）际（jì）商业和渔业中扮演重（chóng）要的角色（sè），而且（qiě）还包含了有关气（qì）候的信息，以及（jí）大量急待开发的资源。
水下（xià）无线通（tōng）信是研制海洋观（guān）测系统的（de）关键技术，借（jiè）助海洋观测系统，可以采（cǎi）集有关海洋学的数（shù）据，监测环境（jìng）污染，气候变（biàn）化海底异常地震火山活动，探查海底目标，以及远距（jù）离图像传输。水下无线通信在军（jun1）事中也起（qǐ）到至关重（chóng）要的作用，而且水下无线通信（xìn）也是水（shuǐ）下（xià）传感器网络的关键技术。
水下无线通信主要（yào）可以分成三大类：水下电（diàn）磁波通信、水声通信和（hé）水下量子通信，它们具有不同的特性及（jí）应用场合，下面分（fèn）别进（jìn）行说明（míng）。
一（yī）、水下电磁波通信
⒈ 水下（xià）电磁波传播特点
无（wú）线电波在海（hǎi）水中衰减严重，频率越高衰减（jiǎn）越（yuè）大。水下实验（yàn）表明：MOTE节（jiē）点发射的无线电波在水下（xià）仅能传（chuán）播50～120cm。低频长波无线电波（bō）水下实验可以达到6～8m的通信距离。30～300Hz的超低频（pín）电磁波对海水穿透能力（lì）可（kě）达100多米，但需要很（hěn）长的接收天线，这在体积较（jiào）小的（de）水（shuǐ）下节点上无法实现（xiàn）。因（yīn）此，无线电波（bō）只能实（shí）现短距离的高速通信，不（bú）能满足（zú）远（yuǎn）距离水下组网的要求。
除了海水本身的特性对水下（xià）电（diàn）磁波通信的影响外，海水（shuǐ）的（de）运动对水下电（diàn）磁波通信同样有（yǒu）很大的（de）影响（xiǎng）。水下接收点相（xiàng）移分量均值（zhí）和均方差（chà）均与选（xuǎn）用电磁波的频率有（yǒu）关（guān）。水下接收点（diǎn）相（xiàng）移分（fèn）量的均值随着（zhe）接收点（diǎn）的（de）平均（jun1）深度的增（zēng）加而线性（xìng）增大，电场相移分量的均方（fāng）差大小受海（hǎi）浪的（de）波动（dòng）大小影响（xiǎng），海浪运动的（de）随机性导（dǎo）致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（xià）电磁（cí）波通（tōng）信（xìn）
电磁波作为最（zuì）常（cháng）用的（de）信息载体和探知（zhī）手段，广泛应用（yòng）于陆上通信、电视、雷达、导（dǎo）航等领（lǐng）域。20世纪上半叶，人们始终致力于将模拟通信移至水中。水下电磁通信可追（zhuī）溯至第一次世界大战期（qī）间，当时的法国最先使用电磁波进行（háng）了潜艇（tǐng）通信实验。第二次世界大战（zhàn）期间，美国科学研究发展局曾对潜水（shuǐ）员间（jiān）的短距（jù）离无线电磁通信进行了研究，但由于（yú）水（shuǐ）中电（diàn）磁波的严重衰减（jiǎn），实用的水下（xià）电（diàn）磁通信一度被（bèi）认为（wéi）无法实（shí）现。
直至60年代，甚低频（VLF）和超低频（pín）（SLF）通信才开（kāi）始被各国（guó）海军大（dà）量研究。甚低频的频（pín）率范围在（zài）3～30kHz，其虽然可覆盖几千米的范（fàn）围，但仅能为水下10～15米（mǐ）深度的潜艇提供通信。由反（fǎn）侦查及潜航深度要求，超低频（SLF）通（tōng）信系统（tǒng）投入研制。SLF系（xì）统的频率范围为（wéi）30～300Hz，美国和俄（é）罗斯（sī）等国采用76Hz和82Hz附近的典型频率，可实现对水下超过80米（mǐ）的潜艇进行指挥通信（xìn），因此超低频（pín）通信承（chéng）担（dān）着重要的（de）战略意义。但是（shì），SLF系（xì）统的地基（jī）天线达几（jǐ）十千米，拖（tuō）曳天线（xiàn）长度也超过千米，发（fā）射功率为兆（zhào）瓦级，通信速率（lǜ）低于1bp，仅能下（xià）达简单指令（lìng），无法满足高传（chuán）输速率需求。
⒊ 水下无线射频通信
射频（Radiofrequency，RF）是对频率高于（yú）10kHz，能够辐射到空间中的（de）交流变化的高（gāo）频电磁波的简（jiǎn）称。射频系（xì）统（tǒng）的通信质量（liàng）有很大程度（dù）上取决（jué）于调（diào）制方式的选取（qǔ）。前期（qī）的电磁通（tōng）信（xìn）通常采用（yòng）模拟调制技术，极大地（dì）限制（zhì）了系（xì）统的（de）性能（néng）。近年来，数字通信日益发展（zhǎn）。相比（bǐ）于模拟传输（shū）系统，数字调制解调具有更强的抗（kàng）噪（zào）声性（xìng）能、更高的信道损耗容忍（rěn）度、更直接的（de）处理形式（数字（zì）图像等）、更高的安全性，可（kě）以支持信源编（biān）码与数（shù）据压（yā）缩、加密等技术，并使用差错控制编（biān）码纠（jiū）正传（chuán）输（shū）误差。使用数字（zì）技术（shù）可将-120dBm以下的（de）弱信号（hào）从存在的（de）严重噪声的（de）调制信号中解调出来，在衰（shuāi）减允许的情（qíng）况下，能够采用更高的（de）工作频率，因此射（shè）频（pín）技术应（yīng）用于浅水近距（jù）离通信成为（wéi）可能。这对于满（mǎn）足快速增长（zhǎng）的近距离高（gāo）速（sù）信息交换（huàn）需求（qiú），具有重（chóng）大的意义。
对比其他近距离水（shuǐ）下通信技术，射频技术具有多项优（yōu）势：
①通信速（sù）率高。可以实现水下（xià）近距离，高速率的无线（xiàn）双工通信。近距离无线射频通信可采（cǎi）用远高于水声通信（50kHz以下）和甚低频通信（30kHz以下）的载波频率。若（ruò）利用（yòng）500kHz以上的（de）工作频率，配合正交幅度（dù）调制（QAM）或多载波调制（zhì）技术，将使100kbps以上（shàng）的数据的高速传输成为（wéi）可能。
②抗噪声能（néng）力强。不受近水水域海浪噪声、工业噪声（shēng）以及自然光（guāng）辐射等干扰，在浑浊、低（dī）可（kě）见度的恶劣水下环境中，水下高速电磁（cí）通信的（de）优势尤其明显。
③水下电磁（cí）波的传播速（sù）度快，传输延迟低（dī）。频率高于10kHz的电磁（cí）波，其传（chuán）播速度比声波高100倍（bèi）以上，且随（suí）着频率的增加，水下电磁波的传播速度迅速（sù）增加。由此可知（zhī），电磁通信将具有较（jiào）低的延（yán）迟，受多径效应和多普（pǔ）勒展宽的影响远（yuǎn）远小（xiǎo）于水（shuǐ）声通信。
④低的界（jiè）面及障碍物（wù）影响（xiǎng）。可轻易穿透（tòu）水与空气分界（jiè）面，甚（shèn）至油层与（yǔ）浮冰层，实（shí）现水下与岸上通信。对于随机的（de）自（zì）然（rán）与人（rén）为遮挡，采用（yòng）电磁技术（shù）都可与阴影区内（nèi）单元顺利（lì）建立通信连接。
⑤无（wú）须精确对（duì）准，系统结构简单。与激光通信（xìn）相比（bǐ），电磁（cí）通信的（de）对准要求明显降（jiàng）低，无须精确的对准与跟（gēn）踪（zōng）环节，省去复杂的机械（xiè）调节与转动单元，因此电磁系统体积小，利于（yú）安装与维（wéi）护。
⑥功耗低，供电方便。电磁通信的高传（chuán）输比特率使得（dé）单位数据量的（de）传输时间减少，功耗降低（dī）。同时，若采用磁祸合（hé）天线，可实现无（wú）硬连接的高效电磁（cí）能量传输，大（dà）大增（zēng）加了（le）水（shuǐ）下封闭单元的工作时间，有利于分布式传感（gǎn）网络应用（yòng）。
⑦安全性高，对于军事（shì）上（shàng）已广泛采（cǎi）用（yòng）的（de）水声（shēng）对抗干扰免疫。除此之外，电磁波较高的水（shuǐ）下衰减，能够提高水下（xià）通信的（de）安全性。
⑧对水生生物无（wú）影（yǐng）响，更加（jiā）有利于生态保护。
二、水声通信
水声通信是其中（zhōng）最成熟的技术。声波是（shì）水中信息的主要载体，己（jǐ）广泛应用于水下通（tōng）信、传感、探测（cè）、导航、定位等领域。声波属于机（jī）械（xiè）波（bō）（纵波），在水下传输（shū）的信号（hào）衰减小（其衰减率为电（diàn）磁波的千分之一），传输距离（lí）远，使用（yòng）范（fàn）围可从几百（bǎi）米（mǐ）延（yán）伸至几（jǐ）十公（gōng）里，适用于（yú）温（wēn）度稳定（dìng）的深（shēn）水通信。
⒈ 水（shuǐ）声信道的特性与影响因子（zǐ）
声波在（zài）海面附近的典型传播（bō）速率（lǜ）为1520m/s，比电磁波的速率（lǜ）低（dī）5个（gè）数量级（jí），与电磁波和（hé）光波相比较，声波在海（hǎi）水中的衰减小得多。
水声（shēng）通信系统的性能受复杂的水声信道的影响较（jiào）大。水声信道是由海洋及其边界构（gòu）成的一个非常（cháng）复杂的介质空间（jiān），它（tā）具有内部结构和独特的（de）上下表面，能对声（shēng）波（bō）产生许多不同的（de）影响。
①多路径效（xiào）应严重（chóng）。当传输距离（lí）大（dà）于（yú）水深时，同（tóng）一波束内从不同路径传输的声波，会由（yóu）于路径长度的差（chà）异，产生能（néng）量的差异和时（shí）间的延迟（chí）使信号展宽（kuān），导致（zhì）波形的码间干扰。当带宽为4kHz时，巧米（mǐ）的路径差即会造成10毫秒的时延，使每个（gè）信号并发40个干（gàn）扰信号。这是限制数据传（chuán）输速度并（bìng）增（zēng）加误码率（lǜ）的主（zhǔ）要因素（sù）。
②环境（jìng）噪声影（yǐng）响大。干扰（rǎo）水声通信的（de）噪声（shēng）包括沿岸工业（yè）、水面（miàn）作（zuò）业、水下动（dòng）力、水生生物产生的活动噪声，以及海（hǎi）面（miàn）波浪、波涛拍岸、暴风雨、气（qì）泡带来（lái）的（de）自然噪声。这些噪声（shēng）会（huì）严重影（yǐng）响信号（hào）的信噪比。
③通信（xìn）速率低。水下声信道的随机变化特性，导致水下通信带宽十分（fèn）有限。短（duǎn）距离、无多径效应（yīng）下（xià）的带宽很难超过50kHz，即使（shǐ）采用（yòng）16-QAM等多载波调制技术（shù），通信速率只有Ikbps～20kbps。当（dāng）工作于复杂的（de）环境中，通信速（sù）率可能会低于Ikbps。
④多普勒效应、起伏（fú）效（xiào）应（yīng）等（děng）。由发送与接收节点间的相对位移产生（shēng）的多普勒效应会（huì）导致载波（bō）偏移及信号幅（fú）度的降低，与（yǔ）多径效应并（bìng）发（fā）的多（duō）普勒频展将（jiāng）影（yǐng）响信（xìn）息解码。水媒（méi）质（zhì）内部的（de）随机（jī）性不平整，会使声信号产生随机的起伏（fú），严重影响系统性能。
⑤其他。声波几乎无法跨越（yuè）水与空（kōng）气的界面传播；声波（bō）受（shòu）温（wēn）度、盐（yán）度等（děng）参数影响较大；隐蔽性差；声波影（yǐng）响水下生（shēng）物，导致（zhì）生态破坏。
⒉ 水声通信技术
水声信道一个十分复杂的多径传输的信道，而且环（huán）境噪声（shēng）高带宽（kuān）窄可适用的载波（bō）频率低以及传输的时延大。为了克服这些不利因素，并尽可能地提（tí）高带宽利用效（xiào）率（lǜ），已经出现（xiàn）多种水声通信技术。
①单边带调（diào）制（zhì）技术。世界上第一个水声通信系统是美（měi）国（guó）海军水（shuǐ）声实验（yàn）室于1945年研制的水下电话，主要用于潜艇之（zhī）间的（de）通信。该模拟通信系统使用单边带（dài）调制技（jì）术，载波（bō）频（pín）段（duàn）为（wéi）8～15kHz，工作距离可（kě）达几公里。
②频移键（jiàn）控（FSK）。频移键（jiàn）控的通信系统从上世纪70年代（dài）后期开始出现到（dào）目前，在技术上（shàng）逐渐提高频移键（jiàn）控需要较宽的频（pín）带宽（kuān）度，单位带宽的（de）通信速率低，并要求有较（jiào）高的信（xìn）噪（zào）比。
③相移（yí）键控（PSK）。上世纪（jì）80年（nián）代初（chū），水下（xià）声通信中开始使用相移键控调制方式。相移键控系统大（dà）多（duō）使（shǐ）用差分相（xiàng）移键控方式进（jìn）行调制（zhì），接收端可以用差（chà）分（fèn）相（xiàng）干方式（shì）解调。采用差分相干的差分调相（xiàng）不（bú）需要相干载波，而且在抗频漂（piāo）、抗多（duō）径效应（yīng）及抗相位慢抖动方面，都优于（yú）采用非相干解（jiě）调的绝对调（diào）相。但由于参考（kǎo）相位中噪声的影响，抗噪（zào）声能力有所下降。
近年来，水（shuǐ）声通信在以下（xià）两（liǎng）个方面取得了很大的（de）进步：
④多载波调制技术。
⑤多输入多输出技术。
三、水下（xià）量（liàng）子通信
⒈ 水下激光通（tōng）信
水（shuǐ）下激（jī）光（guāng）通信（xìn）技（jì）术利用激光（guāng）载波（bō）传输信息。由于波（bō）长450nm～530nm的蓝绿（lǜ）激光在水下的衰减较（jiào）其他光波段小（xiǎo）得多（duō），因此蓝绿（lǜ）激光作（zuò）为（wéi）窗（chuāng）口（kǒu）波段（duàn）应用于水下（xià）通信。蓝绿（lǜ）激光（guāng）通信的（de）优势是拥有几种方式中最高传输速（sù）率（lǜ）。在超近距离下（xià），其速（sù）率可到达（dá）100Mbps级。蓝绿激光通信方向性好，接收天线较（jiào）小。
70年代初（chū），水下激光技术的军（jun1）事研究开始受到重视。90年代（dài）初，美军完成了初级阶段的蓝绿（lǜ）激光通信系统（tǒng）实验。但（dàn）激光通信目（mù）前主要应用于（yú）卫星（xīng）对（duì）潜通信，水（shuǐ）下收发系统（tǒng）的研究滞后。
蓝绿激光应用于浅水近距离通信存在固有难（nán）点：
①散射影响。水中悬浮颗粒及浮游生物会（huì）对光产生明显的散射作用，对于浑浊的（de）浅水近距离传输，水下粒子造成的（de）散射比空气中要强三（sān）个数量（liàng）级，透过率明显降低（dī）。
②光信号在水（shuǐ）中的吸收效应严重。包括水媒质的（de）吸收、溶解物的吸收及悬浮物（wù）的吸收等。
③背（bèi）景辐射（shè）的（de）干扰。在接收信（xìn）号的同时，来自水面（miàn）外的强烈自然（rán）光，以（yǐ）及水下生物的（de）辐射光也会对接收信噪比形成（chéng）干扰。
④高精度（dù）瞄准（zhǔn）与实时跟踪困（kùn）难。浅水区域活动繁多，移（yí）动的收发通（tōng）信（xìn）单元，在水下保持实时（shí）对准十分困难。并且由于激（jī）光只（zhī）能进行视（shì）距（jù）通信，两个（gè）通信（xìn）点间（jiān）随机的遮挡都会（huì）影（yǐng）响通信性能。
由（yóu）以上分析可知，由（yóu）于固有（yǒu）的传输特性，水声通信和激光（guāng）通信应（yīng）用于浅水领域近距离（lí）高速通信时受到局限。
⒉ 水下中微子通信
中微子是一种穿（chuān）透（tòu）能（néng）力很强的粒（lì）子，静止质量几乎（hū）为零，且不（bú）带电荷，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 年代中期，人们在实验室中也发（fā）现了（le）它。
通过实验证明，中（zhōng）微子（zǐ）聚集（jí）运动的粒子束具有两个特（tè）点：
①它只参（cān）与原子核衰变时的弱相（xiàng）互（hù）作用力，却不参与重力、电磁力以及质子和中子结（jié）合的强相互（hù）作（zuò）用力（lì），因（yīn）此（cǐ），它可以直（zhí）线（xiàn）高速运（yùn）动，方向性极强；
②中微子（zǐ）束在水中（zhōng）穿越（yuè）时，会产（chǎn）生（shēng）光（guāng）电效（xiào）应，发出微弱（ruò）的（de）蓝色闪光，且衰减（jiǎn）极小。
采用中微子束通信，可以确保点对（duì）点的通信，它方向性好，保密性（xìng）极强，不（bú）受（shòu）电磁波的干扰（rǎo），衰减极小（xiǎo）。据测定，用高能加速器产（chǎn）生高能（néng）中微（wēi）子束，穿透整（zhěng）个地球后，衰减不足（zú）千分之（zhī）一，也（yě）就是（shì）说（shuō），从南美（měi）洲发出的（de）中微子（zǐ）束，可（kě）以（yǐ）直（zhí）接穿透地（dì）球到（dào）达北京，而中间不需（xū）卫星和中继站。另外，中微（wēi）子束通信也可（kě）以应用到（dào）例如对潜等水下通信，发展前景极其广（guǎng）阔，但由于技术比（bǐ）较复杂（zá），目前还停留在（zài）实验室阶段。
四（sì）、水下无线通信的应用
海洋（yáng）、湖（hú）泊等水下区（qū）域不但蕴含着丰富的（de）资源，也与人类社会的发展构成（chéng）直接（jiē）的关联。在传统的陆空通信（xìn）网络日趋完善的今天，水下（xià）通信的应用正（zhèng）在（zài）逐渐增多。有缆通信方式（shì）使（shǐ）目标的活动（dòng）区域大大受到（dào）限制（zhì），且安装、使用、维护繁（fán）琐昂贵，因此不适于水下节点间的动态通信。
水下无线通信是以水为媒质，利用不同形式的载（zǎi）波传输数据、指令（lìng）、语音、图（tú）像等信息的（de）技术，其应用方向主要有：
①潜水员、无人潜航器（AUV）、水下机（jī）器人等水下运动单元平台间的信息交换。
②海岸（àn）检测、水下节点的数（shù）据采集（jí）、导航与控制、水下（xià）生态保护（hù）监测（cè）等三维分布式传感（gǎn）网应用（yòng）。
③水下传感网（wǎng）、水下潜航单（dān）元与（yǔ）水（shuǐ）面及（jí）陆（lù）上控制或（huò）中转平台间的通信（xìn）。
由此可见，水下无线通信技术在民用、科研及（jí）军事领域中前景广阔。由于水（shuǐ）下复杂的时空环境（jìng），通信系统的有效信息传输率往往（wǎng）成为瓶颈，这与（yǔ）不断增（zēng）长的水下通信需求形成矛盾。例如，潜航器的（de）控制需要100bps以上的数据率（lǜ），水下传（chuán）感（gǎn）组网的数据率（lǜ）需求将超过8kps，而传输声音、图（tú）像信息则需要（yào）更高的数据传输（shū）速率（lǜ）。由于传播媒质（zhì）的（de）不同采用陆地、空气中常用的微波、超短（duǎn）波通信方式，将带来极大的衰减。因（yīn）此，寻找更速的无线通信技术（shù），成为水下通信研究领域的核心目（mù）标之一。
五（wǔ）、结语
水下无线通信有三大（dà）类：水下电磁波通信、水声通（tōng）信和水下量子通信，它们具（jù）有不（bú）同的特性及应用场合（hé）。虽（suī）然（rán）电（diàn）磁波在水中的衰减较大，但受水文条件影（yǐng）响甚微，使（shǐ）得水下（xià）电磁波通信相（xiàng）当稳（wěn）定。水下电（diàn）磁波通信的发展趋势为：既要提高发射天线（xiàn）辐射（shè）效率（lǜ），又要增加发射天线的等效带宽，使（shǐ）之在增加（jiā）辐射场强的同时提高传（chuán）输速率；应用微弱（ruò）信号放大和检测（cè）技术抑（yì）制和处理（lǐ）内部和（hé）外（wài）部的噪声干扰，优选调制（zhì）解调（diào）技术和（hé）编译码技术来提高接收机的灵敏度和可靠性。
此外，已（yǐ）有学者（zhě）在研究超窄带理（lǐ）论与（yǔ）技术，力争获得更高的（de）频带利用（yòng）率；也有（yǒu）学（xué）者正寻求能（néng）否突破香（xiāng）农极（jí）限的科学（xué）依（yī）据。
由于声波在水中的衰减最小，水声通信适用于中长（zhǎng）距离的水下无线通信。在目（mù）前及将来的（de）一段（duàn）时间（jiān）内，水声通信是水下（xià）传（chuán）感器网络当中（zhōng）主要的水下（xià）无线（xiàn）通（tōng）信（xìn）方式，但是水（shuǐ）声通（tōng）信技术的数据传输（shū）率较（jiào）低，因此通过克服多径效应等不利因素的手（shǒu）段，达到提高带宽利用效（xiào）率的（de）目的将（jiāng）是未来水声通信技术的发展方（fāng）向。
水下光通信具有数据传输率（lǜ）高（gāo）的优点，但是水下光通信受（shòu）环境的影响（xiǎng）较（jiào）大（dà），克服环境的影响是将来水下光通信技术（shù）的发展方（fāng）向。
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