海洋覆盖着地球三分之二的表面积，它是人（rén）类探索和研究（jiū）的（de）最前沿的领域之一。海洋不仅（jǐn）在（zài）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（de）信息，以（yǐ）及大量（liàng）急待开发的资源。
水下无线通信（xìn）是研制海（hǎi）洋观测系统的关键技术，借助海洋观测系统（tǒng），可以采集有关海洋学的数据，监测环（huán）境（jìng）污染，气候变化（huà）海底异常地震火山活动（dòng），探查海（hǎi）底目标（biāo），以（yǐ）及远距离图像传（chuán）输。水（shuǐ）下无线（xiàn）通信在（zài）军事中也（yě）起到至关重要（yào）的作用，而且（qiě）水下无（wú）线通信也是水下（xià）传（chuán）感（gǎn）器网络的关键技术。
水下无线通信主要可以分成（chéng）三大类：水下（xià）电磁波通信、水声（shēng）通信和水下量子通信，它们具有不同的（de）特性及应用（yòng）场合，下面（miàn）分别进行说明。
一、水下电磁（cí）波通信
⒈ 水下电磁波传（chuán）播（bō）特点（diǎn）
无线电（diàn）波（bō）在海水中衰减严（yán）重，频率越高衰减越大。水下实验表明（míng）：MOTE节点发射的无线电波在水下仅能（néng）传播（bō）50～120cm。低频长（zhǎng）波无线电波水下实验可（kě）以达到6～8m的通（tōng）信距离。30～300Hz的超低频电（diàn）磁波对海（hǎi）水（shuǐ）穿透能力可达100多米，但需要很长（zhǎng）的接收天线，这在体积（jī）较小的（de）水下节点（diǎn）上无法（fǎ）实现（xiàn）。因此，无线（xiàn）电波只（zhī）能实现短距（jù）离的高速通信，不能满（mǎn）足远距离（lí）水下组网的要（yào）求（qiú）。
除了海水本身（shēn）的（de）特性对水（shuǐ）下电（diàn）磁波通信的影响外，海水的运（yùn）动对水下电磁（cí）波通（tōng）信（xìn）同样（yàng）有很大（dà）的（de）影（yǐng）响。水下接收点相移分（fèn）量均值和均（jun1）方差均与选用电磁波的频率有关（guān）。水下接收点相移分量（liàng）的均值随着接收点（diǎn）的平均深（shēn）度（dù）的增加而线性增大，电场相移（yí）分量的均方（fāng）差大小受（shòu）海浪的波动大小影响（xiǎng），海浪运动（dòng）的随机（jī）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（hé）探知手段（duàn），广（guǎng）泛应用于（yú）陆上（shàng）通信、电（diàn）视、雷（léi）达（dá）、导航等领域。20世纪（jì）上半（bàn）叶，人们始终致力于将模（mó）拟（nǐ）通信（xìn）移至水中。水下电磁通信可追（zhuī）溯至第一次（cì）世界大战期间，当时的（de）法国最先使（shǐ）用电磁波进（jìn）行了潜艇通信实验。第（dì）二次世界（jiè）大战期间，美（měi）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（jìn）行了（le）研究，但由于水中电（diàn）磁（cí）波的严重衰减，实用的水下电磁（cí）通信一度被认为（wéi）无法实（shí）现。
直（zhí）至60年代，甚（shèn）低频（pín）（VLF）和超低（dī）频（SLF）通信才开（kāi）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（jǐ）千（qiān）米的范围，但仅能为水下10～15米（mǐ）深度的（de）潜（qián）艇（tǐng）提供通（tōng）信。由反侦查及（jí）潜航深度要求（qiú），超低频（SLF）通（tōng）信系统投入研（yán）制。SLF系统的频率范围为（wéi）30～300Hz，美国和俄罗斯等国采（cǎi）用76Hz和82Hz附近（jìn）的典型频率（lǜ），可实现对水下超（chāo）过80米的潜艇进行指挥通信（xìn），因此超低频（pín）通信（xìn）承担着重要的战略意义。但是，SLF系统的地基天线达（dá）几十千米，拖（tuō）曳天线长度也（yě）超（chāo）过（guò）千（qiān）米，发（fā）射功率为兆（zhào）瓦级，通信速率低（dī）于1bp，仅能下达简单指令，无法满足高传输速（sù）率需求。
⒊ 水下无线射频通信
射频（Radiofrequency，RF）是（shì）对频率高（gāo）于10kHz，能够（gòu）辐射（shè）到空（kōng）间（jiān）中的交流变化的高频电磁波的简称（chēng）。射频系统的通信（xìn）质量（liàng）有很大程度（dù）上取决于调制方式（shì）的选取。前期的电磁（cí）通信通常采用模拟调制技术，极大地限制（zhì）了系统的性能。近年来，数字通信日益发展。相比于模拟传（chuán）输系统，数字调制（zhì）解调具有更强的抗噪声性能、更（gèng）高（gāo）的（de）信道损耗容忍（rěn）度、更直接的处理（lǐ）形式（数字图像等）、更高的安全（quán）性，可以支持信源编码（mǎ）与数据压缩、加密等技术，并使用差错控制编码纠正（zhèng）传输误差。使用数（shù）字技术可将-120dBm以下的弱信号（hào）从存在（zài）的严（yán）重（chóng）噪声的（de）调制信号中解调出来，在衰（shuāi）减允许的情况下，能够（gòu）采用更高的工作频率（lǜ），因此射频技（jì）术应用于浅水近距（jù）离通信成为可能。这对（duì）于（yú）满足快速增长的近距离高速信息交换需求，具有重大（dà）的意（yì）义。
对比其他近距离水下通信技术（shù），射频技术（shù）具有多项（xiàng）优势（shì）：
①通信速率（lǜ）高。可以实（shí）现水下近距离，高（gāo）速率（lǜ）的无线双工通信。近距离无线射频通信可采（cǎi）用远高于水声通信（xìn）（50kHz以下）和甚低频通（tōng）信（30kHz以下）的载波频率（lǜ）。若（ruò）利用500kHz以上的工作频率，配合正交幅（fú）度调制（QAM）或多载（zǎi）波（bō）调制技术，将使100kbps以（yǐ）上的数据的高（gāo）速传输成（chéng）为可能。
②抗噪声能力（lì）强（qiáng）。不受近水水域海浪噪声、工业噪声以及自然（rán）光辐射等干扰，在浑浊（zhuó）、低可见（jiàn）度（dù）的恶劣（liè）水下（xià）环境中，水下（xià）高速电磁通信的优势尤（yóu）其明（míng）显（xiǎn）。
③水下电（diàn）磁波的传播速度（dù）快，传（chuán）输延（yán）迟低。频率高于10kHz的电磁（cí）波，其传播速（sù）度比声波高100倍以上（shàng），且随着频率的（de）增加，水（shuǐ）下电磁波的传播（bō）速度迅速增加。由（yóu）此可知，电磁通信将具有较低的延迟，受多径（jìng）效应和多（duō）普（pǔ）勒展宽（kuān）的影（yǐng）响远远小（xiǎo）于水声通信。
④低的（de）界面及障碍物影响。可（kě）轻易穿透水（shuǐ）与空气分界面，甚至油层与浮冰层（céng），实现水下与岸上通信。对于（yú）随机的自然与人为遮（zhē）挡，采用（yòng）电磁技术都可与阴（yīn）影区内单元（yuán）顺利建立通信连接。
⑤无（wú）须精确（què）对准，系统结（jié）构（gòu）简（jiǎn）单。与激光通信相比（bǐ），电磁通（tōng）信的对（duì）准要求明显（xiǎn）降低，无须精确（què）的对准与跟踪（zōng）环（huán）节，省去（qù）复（fù）杂的机械调节与转动单元（yuán），因（yīn）此电磁系（xì）统体（tǐ）积小，利于安装与维（wéi）护。
⑥功耗（hào）低，供电方（fāng）便。电磁通信的高传输比特（tè）率使得单（dān）位数据量的（de）传输时（shí）间减少（shǎo），功耗降（jiàng）低。同（tóng）时，若采用磁祸合天线，可实现无硬连接（jiē）的高效电磁能量传输，大大增加（jiā）了水下（xià）封闭单元的工作（zuò）时（shí）间（jiān），有利于分布式（shì）传感网络应用。
⑦安全性（xìng）高，对于军事上（shàng）已（yǐ）广泛采用的水声（shēng）对抗干扰免疫（yì）。除此之（zhī）外，电磁波（bō）较高的水下衰减，能够提高水下通信的安（ān）全（quán）性。
⑧对水（shuǐ）生（shēng）生物无影（yǐng）响，更加有利于生态保护。
二（èr）、水声（shēng）通（tōng）信
水声通信是（shì）其（qí）中最成熟的（de）技术。声波是水（shuǐ）中信息的主要载体，己广泛应（yīng）用（yòng）于水下通信、传感、探测、导航（háng）、定（dìng）位等领域。声波属于（yú）机械波（纵波），在（zài）水下传输的信号衰减小（其衰减率为（wéi）电磁波的（de）千（qiān）分之一），传（chuán）输距离远，使用范围（wéi）可从几百米延伸至几十公里，适用于（yú）温度（dù）稳定（dìng）的（de）深水（shuǐ）通信（xìn）。
⒈ 水声信道（dào）的（de）特（tè）性与影响（xiǎng）因子
声波在海面附近的典型传播（bō）速率为1520m/s，比电磁波的速率低5个数量（liàng）级，与电磁波和光（guāng）波相比较（jiào），声波在海（hǎi）水（shuǐ）中的（de）衰（shuāi）减（jiǎn）小得（dé）多（duō）。
水声通信系统的性（xìng）能受复（fù）杂的水（shuǐ）声信道（dào）的影响较大。水声（shēng）信道（dào）是由海洋及其边（biān）界构成的一个非（fēi）常复杂的介（jiè）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（tóng）的影响（xiǎng）。
①多路径效应严重。当（dāng）传输距（jù）离大于水深（shēn）时，同一波束内从不同路径传输的声波（bō），会由于路径长度的差异，产生能量（liàng）的差异（yì）和（hé）时（shí）间（jiān）的（de）延迟使信号展宽，导致（zhì）波形的码间干扰（rǎo）。当带宽为（wéi）4kHz时，巧米的路径（jìng）差即会（huì）造（zào）成10毫（háo）秒的时延，使每个信号（hào）并发40个干扰信号。这是限制数据传输速度并（bìng）增加误（wù）码率的（de）主要因素。
②环境噪声影响大（dà）。干扰（rǎo）水（shuǐ）声通信的噪声包括（kuò）沿岸工业、水面作业、水下（xià）动力、水（shuǐ）生生物（wù）产（chǎn）生的活动噪声，以（yǐ）及海面（miàn）波浪、波涛（tāo）拍岸、暴（bào）风（fēng）雨（yǔ）、气泡带来的自然噪声。这些噪声会严重影响信号的（de）信噪（zào）比。
③通信速率（lǜ）低。水下声信（xìn）道的随（suí）机变化特性，导致水下（xià）通信带宽十分有限。短距（jù）离、无多径效应下的带（dài）宽很难（nán）超过50kHz，即使采用16-QAM等多载波调制技术（shù），通信速（sù）率只有Ikbps～20kbps。当工作于复杂（zá）的（de）环境（jìng）中（zhōng），通（tōng）信速率（lǜ）可能会低于（yú）Ikbps。
④多（duō）普（pǔ）勒效（xiào）应、起伏效应等。由（yóu）发送与接收节点间的相对位移产生（shēng）的多（duō）普勒效应会导致（zhì）载波偏移及信号幅（fú）度的降低，与多径效应（yīng）并发的（de）多普勒频展将影（yǐng）响（xiǎng）信（xìn）息解码。水媒质内部的（de）随机性不平（píng）整，会（huì）使声信号产（chǎn）生随机（jī）的起伏，严重（chóng）影响系统性（xìng）能。
⑤其（qí）他。声波几乎无法跨越水与空气的界面（miàn）传播（bō）；声波受温（wēn）度、盐度等（děng）参数影响较大；隐蔽性差（chà）；声波影响（xiǎng）水下生物，导（dǎo）致（zhì）生态破坏。
⒉ 水声通信技术
水声（shēng）信道一个十分复杂的（de）多径（jìng）传输的信道，而且（qiě）环境噪声高带（dài）宽窄可适用的载波频率低以及传输（shū）的时（shí）延大。为了（le）克服这些不（bú）利因（yīn）素，并尽可能地提高（gāo）带宽利用（yòng）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（yī）个水声通（tōng）信系统是美国海军（jun1）水声实（shí）验（yàn）室于1945年研制的（de）水下（xià）电话（huà），主（zhǔ）要用于潜艇（tǐng）之间（jiān）的通信。该模拟通信系统使（shǐ）用单边（biān）带调制（zhì）技术，载波频段（duàn）为8～15kHz，工作距（jù）离（lí）可达几公里。
②频移键（jiàn）控（kòng）（FSK）。频移（yí）键控的通信系统从上世纪（jì）70年代后期（qī）开始出现到目前，在（zài）技术上逐渐提高频移键控（kòng）需要较宽的（de）频带宽度，单位带宽（kuān）的通信速率低，并要求有较高的（de）信噪比。
③相移键（jiàn）控（kòng）（PSK）。上世纪（jì）80年代初，水下声通信中开始（shǐ）使用相移键控调制方式。相（xiàng）移键控系统大多使（shǐ）用差分相移键控方式进行调制，接收端可以用差（chà）分相干（gàn）方式（shì）解调。采用差分相干的差分（fèn）调相不需要相干载波，而且在抗频（pín）漂、抗多径效应（yīng）及抗相位（wèi）慢抖动方面，都（dōu）优于（yú）采用非相（xiàng）干解调（diào）的（de）绝对调相（xiàng）。但由于参（cān）考（kǎo）相位（wèi）中噪声的影响，抗噪声（shēng）能力有所下降（jiàng）。
近年来，水声通（tōng）信在以下两（liǎng）个方面取得了（le）很大的进步（bù）：
④多载（zǎi）波调制技术。
⑤多输入（rù）多输出技术。
三、水（shuǐ）下量子通信
⒈ 水下（xià）激光通信
水下激光通信技（jì）术利用激光（guāng）载波传输信（xìn）息（xī）。由于波长450nm～530nm的蓝绿（lǜ）激光在水下（xià）的衰（shuāi）减较其他光波段小得多（duō），因此蓝（lán）绿（lǜ）激光作为窗口波段应用于水（shuǐ）下通信。蓝（lán）绿（lǜ）激光通信的优势是拥（yōng）有几（jǐ）种（zhǒng）方式中最高传输速（sù）率。在超近距离下（xià），其速率可到达100Mbps级。蓝绿（lǜ）激光（guāng）通信方向性好，接收天线较小。
70年代初，水下激光技（jì）术的军事研究开始受到重（chóng）视。90年代初，美军完成（chéng）了初级阶段的（de）蓝（lán）绿激光通信系统实验（yàn）。但（dàn）激光通（tōng）信目前主要应用于卫星对潜（qián）通信，水下收发系统的研究（jiū）滞后。
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（sàn）射（shè）作用，对（duì）于浑浊的（de）浅水近距离传输，水（shuǐ）下粒（lì）子造（zào）成的（de）散射比空（kōng）气中要（yào）强三个数量级，透过率明显降低。
②光信（xìn）号在水中的吸收效应严重。包括水媒质的吸收、溶解物的吸（xī）收及悬（xuán）浮物（wù）的吸收等。
③背景辐（fú）射的干扰。在接收信号的同时，来自水面外的强烈自然（rán）光，以及（jí）水下生物（wù）的辐射光（guāng）也（yě）会对接收信（xìn）噪比形成干扰（rǎo）。
④高（gāo）精度瞄准与实时（shí）跟踪（zōng）困难（nán）。浅水区域活动繁多，移动的收发通信单元（yuán），在水下保持实时对准十分困难。并且（qiě）由于（yú）激光只能进行视距通信，两个通信点间随机的遮（zhē）挡都会影响通（tōng）信性能。
由（yóu）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（yīng）用（yòng）于（yú）浅水（shuǐ）领（lǐng）域（yù）近距离高速通（tōng）信时受到局限。
⒉ 水下中微子通信
中（zhōng）微子是一种（zhǒng）穿透能力很强的粒（lì）子，静止质量几乎为零，且不带电荷，它大（dà）量存（cún）在（zài）于阳光、宇宙射线、地球大气层（céng）的撞击以及岩石中，50 年（nián）代中期，人（rén）们（men）在实验室中也发现了它。
通（tōng）过实验证明，中（zhōng）微子（zǐ）聚（jù）集运动的（de）粒子束具有（yǒu）两个特点：
①它只参与原子核（hé）衰（shuāi）变时的弱相互作（zuò）用力，却（què）不参与重力（lì）、电磁力以及质子和中子（zǐ）结合的强相互作用（yòng）力，因此（cǐ），它可以直线高速运动（dòng），方向（xiàng）性极强；
②中（zhōng）微子束在（zài）水（shuǐ）中穿（chuān）越时，会产（chǎn）生光电效（xiào）应，发出（chū）微弱（ruò）的蓝色闪光，且衰（shuāi）减极小。
采用中微子束（shù）通信，可以确保（bǎo）点对点的通信，它方向性好（hǎo），保密性极强，不受（shòu）电（diàn）磁（cí）波的干扰，衰减极小。据测定，用高能加速器（qì）产生高能中（zhōng）微子束，穿透（tòu）整个（gè）地球后（hòu），衰减不足千分（fèn）之一（yī），也（yě）就是说，从南美洲发出的中微子束（shù），可以直接穿透地球到达北京，而（ér）中间不需卫（wèi）星和中继站。另外，中微子束通信也（yě）可（kě）以应用到例如对潜（qián）等水下通信，发展前景（jǐng）极其广阔，但由于技（jì）术比较复杂，目前还停留（liú）在实验（yàn）室阶段（duàn）。
四（sì）、水下无线通（tōng）信的应（yīng）用
海洋、湖泊等（děng）水（shuǐ）下区域（yù）不但（dàn）蕴含着丰富的资源（yuán），也与人类（lèi）社会的（de）发展构成直接的关联。在（zài）传统的陆（lù）空通信网络日趋完（wán）善的今天，水下通信的应用（yòng）正在逐渐增多。有（yǒu）缆通信方（fāng）式使目标的（de）活动区域大（dà）大受到限制，且安装（zhuāng）、使用、维（wéi）护繁琐昂贵，因此不适于水下节点（diǎn）间的动态通信。
水（shuǐ）下无线通信是以水为媒质，利用不同形（xíng）式的载波传输数据（jù）、指令、语音、图像等信息（xī）的技术，其应（yīng）用方向主要有：
①潜水（shuǐ）员（yuán）、无人潜（qián）航器（AUV）、水下机器（qì）人等（děng）水（shuǐ）下运动单元平台间的信息（xī）交换。
②海岸检测、水（shuǐ）下节点的（de）数据采集、导（dǎo）航与控制、水下生态保护监测等（děng）三维分（fèn）布式传感网应用。
③水（shuǐ）下传（chuán）感网（wǎng）、水下潜航（háng）单元与水（shuǐ）面（miàn）及陆上控制或中转平台（tái）间的通信。
由（yóu）此可见（jiàn），水（shuǐ）下无线通（tōng）信技术在民用、科（kē）研及军事领域（yù）中（zhōng）前景（jǐng）广阔。由于水下（xià）复（fù）杂的时（shí）空环境，通信（xìn）系统（tǒng）的有效信息传输率往（wǎng）往（wǎng）成为瓶颈，这与不断增长的水下通信（xìn）需求形成矛盾。例如，潜航器的控制需要（yào）100bps以上的数（shù）据率，水下传感组（zǔ）网的数据率需求（qiú）将超（chāo）过8kps，而传输声音（yīn）、图像（xiàng）信息则（zé）需要（yào）更高（gāo）的数据传输速率。由于传播媒质的不同采（cǎi）用（yòng）陆地、空（kōng）气中常用的微波、超短（duǎn）波通信（xìn）方式，将带来极大（dà）的衰减。因（yīn）此，寻找（zhǎo）更速的无线通（tōng）信技术，成为水下（xià）通信研究领域的（de）核心（xīn）目（mù）标（biāo）之一。
五、结语
水下无线通信（xìn）有三大类：水下电磁（cí）波（bō）通信、水声（shēng）通信和水下（xià）量子（zǐ）通信，它（tā）们具（jù）有不同的特性及应用场合。虽然（rán）电（diàn）磁（cí）波在水中的衰减较大，但受水文条件影响甚微（wēi），使（shǐ）得水下电磁波通信相当稳定。水下电磁波通信（xìn）的发展（zhǎn）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（zēng）加（jiā）辐（fú）射场（chǎng）强的同时提高传（chuán）输速率；应用微弱信号放大和检（jiǎn）测技术抑制和处（chù）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（shù）来提高接收机的灵敏度和可靠性。
此（cǐ）外，已有学者在研究超窄带（dài）理论与（yǔ）技术（shù），力争获得更高（gāo）的频带利用（yòng）率；也（yě）有学者正寻求（qiú）能（néng）否突破香农极限的科学依据。
由（yóu）于声波（bō）在水中（zhōng）的衰减最小，水（shuǐ）声通信适用（yòng）于中长距离的水下无线（xiàn）通信。在（zài）目（mù）前（qián）及将来的一（yī）段时间内，水声通（tōng）信（xìn）是水下传感器网（wǎng）络当中主要（yào）的（de）水下无线通信方式，但是水声通信（xìn）技术的数据传输率较低，因此通过克服多径（jìng）效（xiào）应等（děng）不利因素的手段，达到提高（gāo）带宽利用效率的目的将是（shì）未来水声通信技术的发展方向（xiàng）。
水下光（guāng）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（yǐng）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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