海洋覆盖着地球三（sān）分（fèn）之二的表面积（jī），它是人类探索（suǒ）和研究的最前沿的领域（yù）之一。海洋不仅在（zài）国际商业（yè）和渔（yú）业中扮演重要的角色（sè），而且还包（bāo）含（hán）了有关气候（hòu）的信息，以及大（dà）量急待开（kāi）发的资源。

水下无线通（tōng）信是研制海洋观测（cè）系统（tǒng）的关键（jiàn）技术（shù），借助海（hǎi）洋（yáng）观（guān）测系统，可以采集有关海洋学的数据（jù），监测环境污染，气候变化海底异常地震火（huǒ）山活动，探查海底（dǐ）目标，以（yǐ）及远距离图像（xiàng）传输。水下无线通信在军事中也起到至关重要的作用（yòng），而（ér）且水（shuǐ）下无线通信（xìn）也是水下（xià）传（chuán）感（gǎn）器网络的关键技术（shù）。

水下（xià）无线通（tōng）信主要可（kě）以分成三（sān）大类：水下电磁（cí）波通信、水声通信和水下（xià）量子通信，它们具有不同的（de）特性及应（yīng）用场合（hé），下面（miàn）分别进行说明（míng）。

一、水下（xià）电磁波通信

⒈ 水下电磁波传播特点

无线电波在海水（shuǐ）中衰减严重（chóng），频率（lǜ）越高衰减越大（dà）。水下实验表明（míng）：MOTE节点（diǎn）发（fā）射的无线电（diàn）波在水（shuǐ）下仅能传播50～120cm。低频长波无线电波水下实验（yàn）可以达到6～8m的通信（xìn）距离。30～300Hz的超低频电磁波对海水穿透能力可达100多米（mǐ），但需要（yào）很（hěn）长（zhǎng）的接收天线，这（zhè）在体积较小（xiǎo）的水下（xià）节点上无法实现。因此，无线（xiàn）电波只能（néng）实现短距离（lí）的高速通信，不能满足远距离水下组网（wǎng）的要求。

除了海水本身的特性（xìng）对水下电磁波通信（xìn）的影响外，海水（shuǐ）的运（yùn）动对水下电磁（cí）波通信同（tóng）样有很大的影响。水下（xià）接收点相移分量均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（suí）着接收点的平均深度的增加而线性增大，电（diàn）场（chǎng）相（xiàng）移分量的均方差大（dà）小受（shòu）海浪的波动大小（xiǎo）影（yǐng）响，海浪运（yùn）动的随机性（xìng）导致（zhì）了电场相移（yí）分量的（de）标（biāo）准差呈对数指数分布。

⒉ 传统的水下电磁波通信

电磁波作（zuò）为（wéi）最常（cháng）用的信息载体（tǐ）和探知手段，广泛应用于陆（lù）上（shàng）通（tōng）信、电视（shì）、雷达、导航等领域。20世纪上（shàng）半叶，人们始终致力于将模拟通信移至水中（zhōng）。水下电磁通信可追溯至（zhì）第一（yī）次世界大（dà）战期间，当时的法国最先（xiān）使用电（diàn）磁波进行了潜艇通信（xìn）实验。第二次世（shì）界大战期间，美国科（kē）学研（yán）究（jiū）发展局曾对潜水员间的短距离无线电磁通信（xìn）进行了研究，但由于水中电磁波的严重衰减，实用的水下电磁通（tōng）信（xìn）一度被认（rèn）为无法实现。

直至60年代，甚低（dī）频（VLF）和超（chāo）低频（SLF）通信才开（kāi）始被各国海军大量研究。甚低（dī）频的频率范围在3～30kHz，其虽然可覆（fù）盖几千（qiān）米的（de）范围，但仅能为水下10～15米深度的潜艇提供通（tōng）信。由反侦查（chá）及潜航深（shēn）度要求，超低（dī）频（SLF）通信系统投（tóu）入研制。SLF系统的频率范围（wéi）为30～300Hz，美国和俄（é）罗（luó）斯等国采用（yòng）76Hz和82Hz附近（jìn）的（de）典型（xíng）频率，可（kě）实现（xiàn）对水（shuǐ）下超过80米的潜艇进（jìn）行（háng）指挥通信（xìn），因此超低（dī）频（pín）通信承担着重要的战（zhàn）略（luè）意义。但（dàn）是，SLF系统的地基天线达（dá）几十千米，拖曳天线（xiàn）长度也超（chāo）过千米，发射功率（lǜ）为兆瓦级，通信速率低于1bp，仅能下达简（jiǎn）单指令，无法满足高传输速率需求（qiú）。

⒊ 水下无线射频通（tōng）信

射频（Radiofrequency，RF）是对频率高于10kHz，能够辐射到空间中（zhōng）的交（jiāo）流变（biàn）化的高频电磁波的（de）简称。射频系统的通（tōng）信质（zhì）量有很大（dà）程（chéng）度上（shàng）取（qǔ）决于（yú）调制方式的选取。前（qián）期的（de）电（diàn）磁通信通常采用模拟（nǐ）调制技术，极（jí）大（dà）地限制了（le）系统的性（xìng）能。近年来，数字通信日益发展。相（xiàng）比于模拟传输系统，数（shù）字（zì）调制（zhì）解调具有更强的抗噪声（shēng）性能、更高的信道（dào）损耗容（róng）忍度、更直接的处理形式（shì）（数字（zì）图像（xiàng）等（děng））、更（gèng）高（gāo）的（de）安全性，可以支持信源编码与数据压缩（suō）、加密（mì）等技术，并使用差错控制编（biān）码（mǎ）纠正传输误差。使（shǐ）用数（shù）字技（jì）术可将-120dBm以下的弱（ruò）信号从存在的（de）严重（chóng）噪声的调制信号中解（jiě）调出来，在衰减允许的情况下（xià），能够采用更高的工作频率，因此射频技（jì）术（shù）应用于（yú）浅（qiǎn）水近距离通信（xìn）成为可能。这对于（yú）满足快速增长（zhǎng）的近距（jù）离高速信息交换需求，具有重大（dà）的意义。

对比其他（tā）近距离水下（xià）通（tōng）信技术，射频技术具有多项优（yōu）势：

①通（tōng）信速率（lǜ）高。可以（yǐ）实现水下近距离（lí），高速率的无线双工通信。近距离无线射频通信可采（cǎi）用远高于水声（shēng）通信（50kHz以（yǐ）下）和甚（shèn）低频通信（30kHz以下）的载波频率。若（ruò）利用（yòng）500kHz以上的工作频率，配合正交幅度调制（QAM）或多载波调制技术（shù），将使100kbps以上的数据（jù）的高速传输成为可能（néng）。

②抗（kàng）噪声能力（lì）强（qiáng）。不（bú）受近水水（shuǐ）域海浪噪声、工业（yè）噪声以及自然光辐（fú）射等干扰，在（zài）浑（hún）浊、低可见度的恶劣水下环境中，水下高速电磁通信（xìn）的（de）优势尤其明（míng）显。

③水下电磁（cí）波的传播速（sù）度（dù）快，传输（shū）延迟低。频率高于（yú）10kHz的电（diàn）磁波，其传播速度（dù）比（bǐ）声波高（gāo）100倍以上，且随着（zhe）频率（lǜ）的（de）增（zēng）加，水下（xià）电磁波的（de）传（chuán）播速（sù）度迅速增加。由（yóu）此可（kě）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（xìn）。

④低的界面（miàn）及障碍物影（yǐng）响。可轻易穿透水（shuǐ）与（yǔ）空气分界面，甚至油层与浮（fú）冰层，实（shí）现水下与岸上通信。对于随机的自然与人（rén）为遮（zhē）挡，采用（yòng）电磁技术都可与（yǔ）阴影区内（nèi）单元顺利建立（lì）通信连接。

⑤无（wú）须（xū）精确对准（zhǔn），系统结构简单。与（yǔ）激（jī）光通（tōng）信（xìn）相（xiàng）比（bǐ），电磁通信的对准要求（qiú）明显降低，无（wú）须精确的对准与跟踪环节，省去复杂的机械调节与转动（dòng）单元（yuán），因此电磁系统（tǒng）体积（jī）小（xiǎo），利于（yú）安装与维护。

⑥功耗低，供（gòng）电方便。电（diàn）磁通（tōng）信的高传输（shū）比特率使得单位数据量的传输时间减少，功（gōng）耗降低（dī）。同时，若采用磁祸合天线，可（kě）实现无硬连接的（de）高效电磁能量传输，大大增加了水下封（fēng）闭单元（yuán）的工（gōng）作时间，有利（lì）于分布式传感网络应用。

⑦安（ān）全（quán）性高（gāo），对于军事上已广（guǎng）泛（fàn）采用的水声对抗干扰免疫（yì）。除此之外，电磁波较（jiào）高的水下衰减，能够（gòu）提高水下通信的安全（quán）性。

⑧对水生生物无影响，更加有利（lì）于生态保护（hù）。

二、水声通信

水声通信是其中最成熟（shú）的技术。声波是水中信息的主要载体，己广泛应用（yòng）于水下通（tōng）信、传感、探测、导航、定位等领（lǐng）域。声波属（shǔ）于机械波（纵波），在水下传输（shū）的信（xìn）号衰减小（其衰减（jiǎn）率（lǜ）为电磁波的千（qiān）分之一（yī）），传输距离远，使用范围可从（cóng）几（jǐ）百米（mǐ）延伸至（zhì）几十公里，适用于温度稳定的深水（shuǐ）通信。

⒈ 水声信道的特性与影（yǐng）响因子

声波在海面（miàn）附近（jìn）的典型传播速率为1520m/s，比电磁（cí）波的速率低5个数量（liàng）级，与（yǔ）电（diàn）磁波（bō）和光波相比较，声波在海水（shuǐ）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（de）影响较大。水声（shēng）信道是由海洋及其（qí）边界构成（chéng）的一个非常复杂的介质空（kōng）间，它具有内部结构和（hé）独（dú）特（tè）的上下（xià）表面，能（néng）对声波产生（shēng）许多不（bú）同的影响。

①多路径效应严重。当传输距离大于水深时，同一波束内从不（bú）同路（lù）径传输（shū）的（de）声波，会（huì）由（yóu）于路径（jìng）长度的差异，产生能量的差异和时间的延迟（chí）使（shǐ）信号展宽，导致（zhì）波形的码间干扰。当带宽为4kHz时，巧米（mǐ）的路径（jìng）差即会造成10毫秒（miǎo）的时延，使每个信号并（bìng）发40个（gè）干扰信号。这是限（xiàn）制数据传（chuán）输速（sù）度并增加（jiā）误码率的主要（yào）因（yīn）素（sù）。

②环境噪声影响大（dà）。干扰水声（shēng）通信的噪声包括沿岸（àn）工业、水面（miàn）作业、水下动力、水生生物产生的活动噪声，以及海（hǎi）面波浪、波涛拍（pāi）岸、暴风雨、气泡（pào）带来的自然噪声。这（zhè）些噪声会（huì）严重影响信号的信（xìn）噪比（bǐ）。

③通信速（sù）率低。水下声信道（dào）的（de）随机变化（huà）特性（xìng），导致水下通信带宽（kuān）十（shí）分有（yǒu）限。短（duǎn）距离（lí）、无多径效（xiào）应（yīng）下的带宽很（hěn）难（nán）超过（guò）50kHz，即使采用16-QAM等多载波（bō）调制技术，通信（xìn）速率只有Ikbps～20kbps。当工作于复（fù）杂的环境中，通信速率可能会低（dī）于Ikbps。

④多（duō）普勒效应、起伏效应等。由发送与接收节点间（jiān）的相对（duì）位移产生的多普勒效（xiào）应会导（dǎo）致载波偏移及信号幅度的降（jiàng）低，与（yǔ）多（duō）径效应并发的（de）多普勒频展（zhǎn）将影响信息解码（mǎ）。水媒质内部的（de）随机（jī）性不（bú）平整，会使声信号产生随机的起伏，严重影响系统性能。

⑤其他（tā）。声（shēng）波几乎无法跨越水（shuǐ）与（yǔ）空气的界面传播；声（shēng）波受（shòu）温（wēn）度、盐（yán）度等参数影响（xiǎng）较大；隐（yǐn）蔽性差（chà）；声波影响水下生物（wù），导（dǎo）致生态破坏。

⒉ 水声通信技术

水声（shēng）信道一个十分复杂的多径（jìng）传输的信道，而且环境噪声高带宽（kuān）窄可适（shì）用的载波频率低以及传输的时延（yán）大。为（wéi）了（le）克服这些不利因素，并尽可能地提（tí）高带宽利用效（xiào）率，已（yǐ）经出现多种水（shuǐ）声通信技术（shù）。

①单（dān）边带调制技术。世（shì）界（jiè）上第一个水（shuǐ）声通信系统（tǒng）是美国海军水声实验室于1945年（nián）研制（zhì）的（de）水下电话，主要用于潜艇之间的通（tōng）信（xìn）。该模拟通（tōng）信系统使（shǐ）用（yòng）单边（biān）带（dài）调制技术，载波（bō）频（pín）段为8～15kHz，工作距离可（kě）达（dá）几公里。

②频移（yí）键控（kòng）（FSK）。频移键控的通信（xìn）系统（tǒng）从上（shàng）世纪70年代（dài）后期（qī）开始（shǐ）出现到目前，在技术上逐渐提高频移（yí）键控（kòng）需要较宽的频带宽度，单位带宽（kuān）的通信（xìn）速（sù）率低，并要求有较高的信噪比（bǐ）。

③相移（yí）键控（PSK）。上世纪（jì）80年代初（chū），水下声通信中开始使用相移键控调（diào）制方式（shì）。相移键控系统大多使用差分相移键控（kòng）方式（shì）进行调制，接收端可以（yǐ）用差分相干方式（shì）解调。采用差分相干的差（chà）分调相不需要相干（gàn）载波（bō），而且在抗频漂、抗多径效应及抗（kàng）相（xiàng）位慢抖动方面，都优于（yú）采用非相干解调（diào）的绝对调相。但由于参考相位中噪声的影（yǐng）响，抗噪声能（néng）力有所下（xià）降。

近年（nián）来，水声通（tōng）信在以（yǐ）下两个（gè）方面取得了很大的进步：

④多载（zǎi）波调制技（jì）术。

⑤多输入多（duō）输（shū）出技术。

三、水下量子通信

⒈ 水下（xià）激（jī）光通信

水下激光通信技（jì）术（shù）利用激光（guāng）载波传输信息。由于波长（zhǎng）450nm～530nm的蓝绿激光在水（shuǐ）下的衰减较其（qí）他光波（bō）段小得（dé）多，因此蓝（lán）绿（lǜ）激光作为窗（chuāng）口波段应用（yòng）于（yú）水下通信。蓝绿（lǜ）激光通信的优势是拥有（yǒu）几种（zhǒng）方式中最高传输速率。在（zài）超近距离下，其速率可到达100Mbps级（jí）。蓝绿激（jī）光通信方向性好，接收天线较小。

70年代初，水下（xià）激光技术的军事研究（jiū）开始受到重视（shì）。90年代初（chū），美军完成了初级阶段的蓝绿激光通信系统实验。但激（jī）光（guāng）通信目（mù）前主要应用于卫星对潜通信，水下收发系统的研究滞后。

蓝绿激光应用于浅（qiǎn）水近（jìn）距离通（tōng）信存在固有难点：

①散射影响。水中悬（xuán）浮颗粒及浮游生物会对光产生明显的散射作用，对于浑浊的浅水近（jìn）距离传输，水下粒子造（zào）成的散射比空气中（zhōng）要强三个数量级，透过率明（míng）显降低。

②光信（xìn）号在水（shuǐ）中的吸收效应严重。包（bāo）括水媒质（zhì）的吸收、溶解物的吸收及悬浮物的吸收等。

③背景（jǐng）辐射的干扰。在接收信号的同时，来自水面外的强（qiáng）烈自然光，以及（jí）水下生物的（de）辐射光也会对接收信噪比（bǐ）形成干扰（rǎo）。

④高精度瞄准与（yǔ）实时跟（gēn）踪困难。浅水（shuǐ）区域活动繁多，移动的收发通信（xìn）单元，在水下保持实时（shí）对准（zhǔn）十（shí）分困难。并且由于激光（guāng）只（zhī）能进行视距通信，两个（gè）通信点间（jiān）随机的遮挡都（dōu）会影响通信性能。

由以上（shàng）分析可知（zhī），由于固（gù）有的传输特性，水声通（tōng）信和激光通信应用于（yú）浅水领域近距离高速通信（xìn）时受到局限。

⒉ 水下中微子通信

中微子是一种穿透能力很强的粒（lì）子，静止质量几乎为零，且不（bú）带（dài）电（diàn）荷，它大（dà）量存在于阳（yáng）光、宇宙（zhòu）射线（xiàn）、地球大气层的撞击以及岩石中，50 年（nián）代中期，人（rén）们在实验室中也发现（xiàn）了它。

通过实（shí）验证明，中（zhōng）微子聚集运动的粒子束具有两个特点：

①它只（zhī）参（cān）与（yǔ）原子核衰变时的弱相互（hù）作用力，却不参（cān）与重力（lì）、电磁（cí）力（lì）以（yǐ）及质子和中子（zǐ）结合的强（qiáng）相互作用力，因（yīn）此，它可以（yǐ）直线高速运动（dòng），方（fāng）向性极强；

②中（zhōng）微子束在水中穿越时，会（huì）产（chǎn）生光电效应，发出微弱的蓝色闪光，且衰减极小。

采用中微子束（shù）通（tōng）信（xìn），可以确保点（diǎn）对点的（de）通（tōng）信，它方（fāng）向性好，保密（mì）性极强，不受电磁波（bō）的干（gàn）扰，衰减（jiǎn）极（jí）小。据测（cè）定，用高能加速器（qì）产生高能中微子束（shù），穿透整（zhěng）个地球后（hòu），衰减（jiǎn）不足千分（fèn）之一，也就是（shì）说，从南美洲发出（chū）的中微（wēi）子束，可以直接穿透地球到达北京，而中间不（bú）需卫（wèi）星和（hé）中继站。另外（wài），中微子束（shù）通（tōng）信（xìn）也可以（yǐ）应（yīng）用到例如对潜等水下通信（xìn），发（fā）展（zhǎn）前（qián）景极其（qí）广（guǎng）阔，但由于（yú）技术比（bǐ）较复杂，目前还停留在实验室阶段。

四、水下无线通信的应用

海（hǎi）洋（yáng）、湖（hú）泊（bó）等（děng）水下区（qū）域不但蕴含着丰富的资源，也与人类社会（huì）的发展构成直接的（de）关联。在传统的陆空（kōng）通（tōng）信网络（luò）日趋完善的今天，水下通（tōng）信的应（yīng）用正在逐（zhú）渐增多。有（yǒu）缆通信（xìn）方（fāng）式使目标的（de）活动区域大大受到限（xiàn）制，且安装（zhuāng）、使用、维护（hù）繁（fán）琐（suǒ）昂贵（guì），因（yīn）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（bú）同形式的（de）载波（bō）传输数据、指令（lìng）、语音、图像等信（xìn）息的技（jì）术，其应用方向（xiàng）主要有：

①潜水员、无（wú）人潜航（háng）器（qì）（AUV）、水下机（jī）器人（rén）等（děng）水下（xià）运动单元（yuán）平（píng）台间的信息交换。

②海岸检测、水下节点（diǎn）的数据采集、导航与控制、水下（xià）生态保护监测等三维分（fèn）布（bù）式传（chuán）感（gǎn）网应用。

③水下传感（gǎn）网、水下潜航单元（yuán）与水面及陆上控制或中（zhōng）转平台间的通信。

由此可见，水下无线（xiàn）通信技术在民用、科研及（jí）军事（shì）领域中前景广阔（kuò）。由于水下复杂的（de）时空环（huán）境，通（tōng）信（xìn）系统的有效信息传（chuán）输率往往成为瓶颈，这与不断（duàn）增长的水下（xià）通信需（xū）求（qiú）形（xíng）成矛盾（dùn）。例如，潜航器的控制需要100bps以上（shàng）的数据率，水下（xià）传感（gǎn）组网的数据（jù）率需求（qiú）将（jiāng）超过8kps，而传输声音、图（tú）像（xiàng）信息则需要更高的数据传输（shū）速率。由（yóu）于传播媒（méi）质的不同（tóng）采用（yòng）陆地、空气中常用的微（wēi）波、超短波通信方式（shì），将带来极大（dà）的衰减（jiǎn）。因此（cǐ），寻找更速的无线通信技术，成为水下（xià）通信研究领（lǐng）域的核心目标之一。

五、结语

水下无线通信有三大类：水下电磁波（bō）通信、水声通信和水下量（liàng）子（zǐ）通信，它们具（jù）有不同的特性及应用场合。虽然电（diàn）磁波（bō）在水中的衰减较大，但受（shòu）水文条（tiáo）件影响甚（shèn）微，使得水下电磁波通信相当稳定（dìng）。水下电磁波通信的发展趋（qū）势为：既要（yào）提高（gāo）发射天线辐射效率，又要增加发射天线的等效带宽，使之在增加辐射场强的同时提（tí）高传（chuán）输速率；应用微（wēi）弱信号放大和检测（cè）技术抑（yì）制和处理内部和外（wài）部的（de）噪（zào）声干扰（rǎo），优选调制解调技术和（hé）编译码技（jì）术来提高接收机的（de）灵敏度和可靠性。

此外，已有学者在研究超窄带理论与技术，力争获得（dé）更高的频带利（lì）用率；也有学者（zhě）正寻（xún）求能否突破香（xiāng）农极限的科学依据。

由（yóu）于声波在水中的衰减最小，水声通信适用于（yú）中长距离的（de）水下无（wú）线通信。在目前及将来的（de）一段时间内，水声通信是水（shuǐ）下传感器网络当中（zhōng）主要的水（shuǐ）下无（wú）线通信方式，但（dàn）是水声通信技术的数据传输率较低（dī），因此通过克服多径效（xiào）应等不利因（yīn）素（sù）的手段，达到（dào）提高带宽利用效率的目的将是未来水声通信技术（shù）的发展（zhǎn）方向。

水下光（guāng）通信具（jù）有数据传输率高的优点，但是水（shuǐ）下（xià）光通信受环境的影响较大，克（kè）服（fú）环境的影响是将来水下光通信技术的发展方向。

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