科技前沿：⽔下⽆线通信的⽅法与应⽤
⽔下⽆线通信的⽅法与应⽤
海洋覆盖着地球三分之⼆的表⾯积，它是⼈类探索和研究的最前沿的领域之⼀。海洋不仅在国际商业和渔业中扮演重要的⾓⾊，⽽且还包含了有关⽓候的信息，以及⼤量急待开发的资源。
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、⽔声通信和⽔下量⼦通信，它们具有不同的特性及应⽤场合，下⾯分别进⾏说明。
⼀、⽔下电磁波通信
⒈⽔下电磁波传播特点
⽆线电波在海⽔中衰减严重，频率越⾼衰减越⼤。⽔下实验表明：MOTE节点发射的⽆线电波在⽔下仅能传播50～120cm。低频长波⽆线电波⽔下实验可以达到6～8m的通信距离。30～300Hz的超低频电磁波对海⽔穿透能⼒可达100多⽶，但需要很长的接收天线，这在体积较⼩的⽔下节点上⽆法实现。因此，⽆线电波只能实现短距离的⾼速通信，不能满⾜远距离⽔下组⽹的要求。
除了海⽔本⾝的特性对⽔下电磁波通信的影响外，海⽔的运动对⽔下电磁波通信同样有很⼤的影响。⽔下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着接收点的平均深度的增加⽽线性增⼤，电场相移分量的均⽅差⼤⼩受海浪的波动⼤⼩影响，海浪运动的随机性导致了电场相移分量的标准差呈对数指数分布。 ⒉传统的⽔下电磁波通信
电磁波作为最常⽤的信息载体和探知⼿段，⼴泛应⽤于陆上通信、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⾄⽔中。⽔下电磁通信可追溯⾄第⼀次世界⼤战期间，当时的法国最先使⽤电磁波进⾏了潜艇通信实验。第⼆次世界⼤战期间，美国科学研究发展局曾对潜⽔员间
的短距离⽆线电磁通信进⾏了研究，但由于⽔中电磁波的严重衰减，实⽤的⽔下电磁通信⼀度被认为⽆法实现。
直⾄60年代，甚低频（VLF）和超低频（SLF）通信才开始被各国海军⼤量研究。甚低频的频率范围在3～30kHz，其虽然可覆盖⼏千⽶的范围，但仅能为⽔下10～15⽶深度的潜艇提供通信。由反侦查及潜航深度要求，超低频（SLF）通信系统投⼊研制。SLF系统的频率范围为30～300Hz，美国和俄罗斯等国采⽤76Hz和82Hz附近的典型频率，可实现对⽔下超过80⽶的潜艇进⾏指挥通信，因此超低频通信承担着重要的战略意义。但是，SLF系统的地基天线达⼏⼗千⽶，拖曳天线长度也超过千⽶，发射功率为兆⽡级，通信速率低于1bp，仅能下达简单指令，⽆法满⾜⾼传输速率需求。
⒊⽔下⽆线射频通信
射频（Radiofrequency，RF）是对频率⾼于10kHz，能够辐射到空间中的交流变化的⾼频电磁波的简称。射频系统的通信质量有很⼤程度上取决于调制⽅式的选取。前期的电磁通信通常采⽤模拟调制技术，极⼤地限制了系统的性能。近年来，数字通信⽇益发展。相⽐于模拟传输系统，数字调制解调具有更强的抗噪声性能、更⾼的信道损耗容忍度、更直接的处理形式（数字图像等）、更⾼的安全性，可以⽀持信源编码与数据压缩、加密等技术，并使⽤差错控制编码纠正传输误差。使⽤数字技术可将-120dBm以下的弱信号从存在的严重噪声的调制信号中解调出来，在衰减允许的情况下，能够采⽤ 更⾼的⼯作频率，因此射频技术应⽤于浅⽔近距离通信成为可能。这对于满⾜快速增长的近距离⾼速信息交换
能够采⽤更⾼的⼯作频率，因此射频技术应⽤于浅⽔近距离通信成为可能。这对于满⾜快速增长的近距离⾼速信息交换需求，具有重⼤的意义。
对⽐其他近距离⽔下通信技术，射频技术具有多项优势：
①通信速率⾼。可以实现⽔下近距离，⾼速率的⽆线双⼯通信。近距离⽆线射频通信可采⽤远⾼于⽔声通信（50kHz以下）和甚低频通信（30kHz以下）的载波频率。若利⽤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，将使100kbps以上的数据的⾼速传输成为可能。
②抗噪声能⼒强。不受近⽔⽔域海浪噪声、⼯业噪声以及⾃然光辐射等⼲扰，在浑浊、低可见度的恶劣⽔下环境中，⽔下⾼速电磁通信的优势尤其明显。
③⽔下电磁波的传播速度快，传输延迟低。频率⾼于10kHz的电磁波，其传播速度⽐声波⾼100倍以上，且随着频率的增加，⽔下电磁波的传播速度迅速增加。由此可知，电磁通信将具有较低的延迟，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。可轻易穿透⽔与空⽓分界⾯，甚⾄油层与浮冰层，实现⽔下与岸上通信。
城市表层土壤重金属污染分析对于随机的⾃然与⼈为遮挡，采⽤电磁技术都可与阴影区内单元顺利建⽴通信连接。
⑤⽆须精确对准，系统结构简单。与激光通信相⽐，电磁通信的对准要求明显降低，⽆须精确的对准与跟踪环节，省去复杂的机械调节与转动单元，因此电磁系统体积⼩，利于安装与维护。
⑥功耗低，供电⽅便。电磁通信的⾼传输⽐特率使得单位数据量的传输时间减少，功耗降低。同时，若采⽤磁祸合天线，可实现⽆硬连接的⾼效电磁能量传输，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安全性⾼，对于军事上已⼴泛采⽤的⽔声对抗⼲扰免疫。除此之外，电磁波较⾼的⽔下衰减，能够提⾼⽔下通信的安全性。
⑧对⽔⽣⽣物⽆影响，更加有利于⽣态保护。
⼆、⽔声通信
⽔声通信是其中最成熟的技术。声波是⽔中信息的主要载体，⼰⼴泛应⽤于⽔下通信、传感、探测、导航、定位等领域。声波属于机械波（纵波），在⽔下传输的信号衰减⼩（其衰减率为电磁波的千分之⼀），传输距离远，使⽤范围可从⼏百⽶延伸⾄⼏⼗公⾥，适⽤于温度稳定的深⽔通信。
⒈⽔声信道的特性与影响因⼦
声波在海⾯附近的典型传播速率为1520m/s，⽐电磁波的速率低5个数量级，与电磁波和光波相⽐较，声波在海⽔中的衰减⼩得多。
⽔声通信系统的性能受复杂的⽔声信道的影响较⼤。⽔声信道是由海洋及其边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，能对声波产⽣许多不同的影响。
①多路径效应严重。当传输距离⼤于⽔深时，同⼀波束内从不同路径传输的声波，会由于路径长度的差异，产⽣能量的差异和时间的延迟使信号展宽，导致波形的码间⼲扰。当带宽为4kHz时，巧⽶的路径差即会造成10毫秒的时延，使每个信号并发40个⼲扰信号。这是限制数据传输速度并增加误码率的主要因素。
②环境噪声影响⼤。⼲扰⽔声通信的噪声包括沿岸⼯业、⽔⾯作业、⽔下动⼒、⽔⽣⽣物产⽣的活动
噪声，以及海⾯波
②环境噪声影响⼤。⼲扰⽔声通信的噪声包括沿岸⼯业、⽔⾯作业、⽔下动⼒、⽔⽣⽣物产⽣的活动噪声，以及海⾯波浪、波涛拍岸、暴风⾬、⽓泡带来的⾃然噪声。这些噪声会严重影响信号的信噪⽐。
③通信速率低。⽔下声信道的随机变化特性，导致⽔下通信带宽⼗分有限。短距离、⽆多径效应下的带宽很难超过
杏仁脱皮机50kHz，即使采⽤16-QAM等多载波调制技术，通信速率只有Ikbps～20kbps。当⼯作于复杂的环境中，通信速率可能会低于Ikbps。
北斗卫星导航仪④多普勒效应、起伏效应等。由发送与接收节点间的相对位移产⽣的多普勒效应会导致载波偏移及信号幅度的降低，与多径效应并发的多普勒频展将影响信息解码。⽔媒质内部的随机性不平整，会使声信号产⽣随机的起伏，严重影响系统性能。
⑤其他。声波⼏乎⽆法跨越⽔与空⽓的界⾯传播；声波受温度、盐度等参数影响较⼤；隐蔽性差；声波影响⽔下⽣物，导致⽣态破坏。
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，⽽且环境噪声⾼带宽窄可适⽤的载波频率低以及传输的时延⼤。为了克服这些不利因素，并尽可能地提⾼带宽利⽤效率，已经出现多种⽔声通信技术。
①单边带调制技术。世界上第⼀个⽔声通信系统是美国海军⽔声实验室于1945年研制的⽔下电话，主要⽤于潜艇之间的通信。该模拟通信系统使⽤单边带调制技术，载波频段为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年代后期开始出现到⽬前，在技术上逐渐提⾼频移键控需要较宽的频带宽度，单位带宽的通信速率低，并要求有较⾼的信噪⽐。
家用智能豆腐机③相移键控（PSK）。上世纪80年代初，⽔下声通信中开始使⽤相移键控调制⽅式。相移键控系统⼤多使⽤差分相移键控⽅式进⾏调制，接收端可以⽤差分相⼲⽅式解调。采⽤差分相⼲的差分调相不需要相⼲载波，⽽且在抗频漂、抗多径效应及抗相位慢抖动⽅⾯，都优于采⽤⾮相⼲解调的绝对调相。但由于参考相位中噪声的影响，抗噪声能⼒有所下降。
近年来，⽔声通信在以下两个⽅⾯取得了很⼤的进步：
④多载波调制技术。
⑤多输⼊多输出技术。
三、⽔下量⼦通信
⒈⽔下激光通信
⽔下激光通信技术利⽤激光载波传输信息。由于波长450nm～530nm的蓝绿激光在⽔下的衰减较其他光波段⼩得多，因此蓝绿激光作为窗⼝波段应⽤于⽔下通信。蓝绿激光通信的优势是拥有⼏种⽅式中最⾼传输速率。在超近距离下，其速率可到达100Mbps级。蓝绿激光通信⽅向性好，接收天线较⼩。
70年代初，⽔下激光技术的军事研究开始受到重视。90年代初，美军完成了初级阶段的蓝绿激光通信系统实验。但激光通信⽬前主要应⽤于卫星对潜通信，⽔下收发系统的研究滞后。
蓝绿激光应⽤于浅⽔近距离通信存在固有难点：
蓝绿激光应⽤于浅⽔近距离通信存在固有难点：
①散射影响。⽔中悬浮颗粒及浮游⽣物会对光产⽣明显的散射作⽤，对于浑浊的浅⽔近距离传输，⽔下粒⼦造成的散射⽐空⽓中要强三个数量级，透过率明显降低。
②光信号在⽔中的吸收效应严重。包括⽔媒质的吸收、溶解物的吸收及悬浮物的吸收等。
③背景辐射的⼲扰。在接收信号的同时，来⾃⽔⾯外的强烈⾃然光，以及⽔下⽣物的辐射光也会对接收信噪⽐形成⼲扰。
④⾼精度瞄准与实时跟踪困难。浅⽔区域活动繁多，移动的收发通信单元，在⽔下保持实时对准⼗分困难。并且由于激光只能进⾏视距通信，两个通信点间随机的遮挡都会影响通信性能。
由以上分析可知，由于固有的传输特性，⽔声通信和激光通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
中微⼦是⼀种穿透能⼒很强的粒⼦，静⽌质量⼏乎为零，且不带电荷，它⼤量存在于阳光、宇宙射线、地球⼤⽓层的撞击以及岩⽯中，50 年代中期，⼈们在实验室中也发现了它。
通过实验证明，中微⼦聚集运动的粒⼦束具有两个特点：
①它只参与原⼦核衰变时的弱相互作⽤⼒，却不参与重⼒、电磁⼒以及质⼦和中⼦结合的强相互作⽤⼒，因此，它可以直线⾼速运动，⽅向性极强；
②中微⼦束在⽔中穿越时，会产⽣光电效应，发出微弱的蓝⾊闪光，且衰减极⼩。电子交易系统
采⽤中微⼦束通信，可以确保点对点的通信，它⽅向性好，保密性极强，不受电磁波的⼲扰，衰减极⼩。据测定，⽤⾼能加速器产⽣⾼能中微⼦束，穿透整个地球后，衰减不⾜千分之⼀，也就是说，从南美洲发出的中微⼦束，可以直接穿透地球到达北京，⽽中间不需卫星和中继站。另外，中微⼦束通信也可以应⽤到例如对潜等⽔下通信，发展前景极其⼴阔，但由于技术⽐较复杂，⽬前还停留在实验室阶段。
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四、⽔下⽆线通信的应⽤
海洋、湖泊等⽔下区域不但蕴含着丰富的资源，也与⼈类社会的发展构成直接的关联。在传统的陆空通信⽹络⽇趋完善的今天，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⼤⼤受到限制，且安装、使⽤、维护繁琐昂贵，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，利⽤不同形式的载波传输数据、指令、语⾳、图像等信息的技术，其应
⽤⽅向主要有：
①潜⽔员、⽆⼈潜航器（AUV）、⽔下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、⽔下⽣态保护监测等三维分布式传感⽹应⽤。
③⽔下传感⽹、⽔下潜航单元与⽔⾯及陆上控制或中转平台间的通信。
由此可见，⽔下⽆线通信技术在民⽤、科研及军事领域中前景⼴阔。由于⽔下复杂的时空环境，通信系统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，潜航器的控制需要100bps以上的数据率，⽔下传感组⽹的数据率需求将超过8kps，⽽传输声⾳、图像信息则需要更⾼的数据传输速率。由于传播媒质的不同采⽤陆地、空⽓中常⽤的微波、超短波通信⽅式，将带来极⼤的衰减。因此，寻更速的⽆线通信技术，成为⽔下通信研究领域的核⼼⽬标之⼀，对于国民经济函具意义。
五、结语
⽔下⽆线通信有三⼤类：⽔下电磁波通信、⽔声通信和⽔下量⼦通信，它们具有不同的特性及应⽤场合。虽然电磁波在⽔中的衰减较⼤，但受⽔⽂条件影响甚微，使得⽔下电磁波通信相当稳定。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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