文献综述
电气工程及其自动化
水下无线通信系统的设计
前言：
早在2000年前的春秋战国时期，就出现了烽火台这种原始的通信手段。烽火天白天可以然烟，晚上可以举火。通过简单的“编码”就可以向远处的友军传递敌情，通知后方部队。然而真正意义上的通信起始于1838年摩尔发明了有线电报以后，在这之后的几十年时间里，电话，无线电报相继问世。通信发展在上个世纪末进入了它的黄金时期，微波、卫星通信，计算机局域、广域网络，第三代无线通信等都进入了蓬勃发展的阶段。众所周知，地球上有有70%的面积是海洋，海洋中有大量的资源有待开发，海军也是各个国家重点发展的军事力量，所以，水下无线通信应运而生，水下无线通信是研制海洋观测系统的关键技术。借助海洋观测系统，可以采集有关海洋学的数据，监测环境污染、气候变化、海底异常地震火山活动，探查海底目标，以及远距离图像传输。水下无线通信在军事中也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技术。水下无线通信主要可以分成三大类：水下电磁波通信、水声通信和水下光通信，它们具有不同的特性及应用场合。 主题：
优日1、电磁波通信无人机首推北京天宇创通
自从通信技术出现的那一天起，科学家们就一直把开发电磁波的各个波段、利用电磁波进行通信作为重要的研究方向之一．可以说通信的发展史，就是电磁波的开拓史．电磁波的发现归功于德国物理学家赫兹和英国物理学家麦克斯韦．麦克斯韦指出：“交变的电场会产生交变的磁场，而交变的磁场又会激起交变的电场”．这就是说，只要在空间某处存在一个交变的电场，那么它的周围就会产生一个新的交变磁场，而这个新的交变磁场又会在远处激发一个交变的电场．这种交替变化的电场和磁场称为电磁场．这种交变的电磁场会在空间以电磁波的形式由近及远地传播开去，这就是电磁波．
麦克斯韦在1864年用数学的方法从理论上严格地推导出了电磁波的波动方程，并求得
电磁波的传播速度等于光速．麦克斯韦预言了电磁波的存在．
20年后，德国物理学家赫兹通过实验验证了麦克斯韦的预言，电磁波的确存在，它就像我们身边的桌椅一样是实实在在的．从此，一项划时代的新技术——无线电技术诞生了．不久，各国的学者纷纷开始研究如何利用电磁波作为无线传输信息的工具．1894年，电磁波进入了通信领域，开创了无线通信的新时代．
海水据有导电的性质，因而海水对电磁有屏蔽的作用。海水中含有多种带电离子，所以对平面电磁波
传播而言海水是有耗媒质，这决定了平面电磁波在海水中的传播衰减很大。军用岸对潜艇甚低频单向通信是一种世界各国家海军传统的军用远程单向通信方式，它从发射到接收的海区之间的传播路径是在大气层中，衰减比较小，但从大气层进人海面再到海面以下一定深度接收点的过程中，电磁波场强就会急剧下降。这就决定了水下电磁波通信只能用于远距离的小深度的水下通信。上世纪冷战时期，美国和前苏联分别将岸对潜(艇)单向通信的工作频率，从甚低频的几十千赫兹降到了超低频的100Hz以下，从而实现了100m左右的收信深度。以上两种方式的通信，发射设备的规模宏大，其占地面积以平方千米计，发射机输出功率从几百千瓦到数兆瓦，通信距离可达数千千米甚至超过万米，但收信深度(潜艇能可靠接收信号时艇的水线深度)都较浅，甚低频通信的收信深度仅几米至几十米，超低频通信的收信深度也仅百米左右。
2、水声通信
海洋环境的水声信道是一个极其复杂的时一空一频变随机多径传输信道，同时高环境噪声、窄带宽、低载频、传输延时大等因素制约了数据传输的速率。要实现水声传输的应用，需要解决以下几个问题。
首先，声波在传送过程中会逐渐减弱(幅度衰落)，即接收信号忽大忽小，这是由于沿各途径的信号到达接收器时相位不同相干形成的。根据水声传输在一定的频率间隔，其衰落的相关性显著减低的特性，可以采取降低传输频率和采用频率分集处理的方法，但它的代价是损失了频带资源。
其次是码间干扰问题。由于海水的声速只有1500m/s，同一符号的接收信号以梳状结构分布在较宽的时间轴上，各径间相对延时差较大。如果传播的是没有间隙的脉冲序列，多径将造成接收信号发生不同码元重叠，给判决带来困难。解决的方法是在脉冲序列中，加进时间同步脉冲，在其引导下，同时刻发射的脉冲用不同的频率来表示，使得不同时刻的接收信号频率确定。这样，即便有若干多径形成的干扰码与之混迭，也有以频率为准则来提取信号的方法，即跳频抗多径干扰。水声通信中采取扩频中的跳频方式，根据同步脉冲，按位据
已知频率来检测信号，可以有效地解决多径干扰引起的码间干扰。
另一个问题是水声数据传输速率较低，无法满足现代作战中要求的实时数据传送。要提高传输速率，主要通过研究声学调制解调器来解决，通常的做法是采用16进制频移键控(MFSK)、二重频率分集和扩展频谱等方式，国内在这方面的研究已取得了较大的进展。
ss53ss水声通信技术在军事方面的用途是十分明显的。作为用声波连接互联网的遥控传感器，可通过潜艇随时发射在其上方海区并可自行销毁，或通过装在无人驾驶装置上网络节点，可以实现对海域进行巡航。作为像耳目一样的小型军队，可以隐蔽地侦察敌人的活动，把海军的侦察监控能力扩展到那些派有人驾驶的船只去会太危险的地方。这些装置可提供侦察，例如潜水艇无法探测的浅水区域，在进攻前完成扫雷或摸清敌方的舰艇，侦察敌方的水中布防等。
可以说水声传输技术进步的重大意义，不但在于它展现了水下无线电通信的前景，更在于它应用前景的广阔。其主要应用范围如下：
(1)潜艇与潜艇之间的双向通信；
(2)潜艇与舰艇编队的双向通信；
(3)潜艇与岸基、卫星的双向通信；
33dxdx(4)侦察探测及水中军事设施等；
(5)遥测、遥控数据；指挥大厅控制台
(6)潜水钟上无线通信；
(7)海洋探测。
3、水下光通信
近10年来，随着水下光学或声学成像传感探测技术的快速发展，以及自主式水下机器人(AUV)、无线传感器网络系统等技术的El益普及，为获取连续、系统、高时空分辨率、大时空尺度的海洋要素观测
资料提供一种全新的水下探测方法。但是，这些观测技术的应用需要高数据传输速率的无线通信技术支持以实现观测数据的实时传输及控制指令的及时交换。比如，高清晰度的视频信号实时传输需要13 Mbps的传输容量。在军事方面，特别是在海上战争过程中，水下潜艇、水面舰艇、监测传感器之间的声音、图像、综合数据等信息的无线交换速率更为重要，而传统的水声通信技术虽然具有传输距离远、性能可靠等优点，但是水声通信技术存在着传输速率低、带宽窄、延时较长、功耗和体积大等缺陷，即使在近距离范围内，也难以达到Mbps的传输速率。因此，发展高效的近距离水下信息传输技术已成为海洋监测亟待解决的问题。
光学通信技术与水下声学通信技术相比可以克服水下声学通信的带宽窄、受环境影响大、可适用的载波频率低、传输的时延大等不足。首先，由于光波频率高，其信息承载能力强，可以实现水下大容量数据传输，目前可见光谱的水下通信实验可以达到传输千兆量级的码率；其次，光学通信具有抗干扰能力强，不易受海水温度和盐度变化影响等特点，具有良好的水下电子对抗特性；第三，光波具有较好的方向性，如被拦截，会造成通信链路中断，使用户会及时发现通信链路出现故障，因此具有高度的安全保密性；第四，光波波长短，收发天线尺寸小，可以大幅度减少发射与接受装备的尺寸和重量，并且目前光电器件的转换效率不断提升，功耗不断降低，这非常适合水下探测系统设计对有效载荷小型化、轻量化、低功耗的要求口。因此，将光学无线通信技术应用于水下通信中已经受到越来越多的人的关注。
总结：
电磁波在水中的衰减较大，但受水温条件影响甚微，使得水下电磁波通信相当稳定。水下甚低频和超低频单向通信适用于军用岸对潜(艇)通信；水下高频通信适用于短距离的水下无线通信。水下电磁波通信的发展趋势为：既要提高发射天线辐射效率，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高传输速率；应用微弱信号放大和检测技术、抑制和处理内部和外部的噪声干扰，优选调制解调技术(尤其重视已调波在频域上能量高度集中的调制方法)和编译码技术来提高接收机的灵敏度和可靠性。此外，已有些学者在研究超窄带理论与技术，力争获得更高的频带利用率；也有学者正寻求能否突破香农极限的科学依据。
由于声波在水中的衰减最小，水声通信适用于中长距离的水下无线通信。在目前及将来的一段时间内，水声通信是水下传感器网络当中主要的水下无线通信方式。但是水声通信技术的数据传输率较低，因此通过克服多径效应等不利因素的手段，达到提高带宽利用效率的目的将是未来水声通信技术的发展方向。
水下光通信具有数据传输率高的优点，但是水下光通信受环境的影响较大。克服环境的影响是将来水下光通信技术的发展方向。
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