水下通信概述

       水下无线电磁波通信是指用水作为传输介质，把不同频率的电磁波作为载波传输数据、语言、文字、图像、指令等信息的通信技术。电磁波是横波，在有电阻的导体中的穿透深度与其频率直接相关，频率越高，衰减越大，穿透深度越小；频率越低，衰减相对越小，穿透深度越大。海水是良性的导体，趋肤效应较强，电磁波在海水中传输时会造成严重的影响，原本在陆地上传输良好的短波、中波、微波等无线电磁波在水下由于衰减得厉害，几乎无法传播。目前，各国发展的水下无线电磁波通信主要使用甚低频、超低频和极低频三个低频波段以及无线射频通信。低频波段的电磁波从发射端到接收的海区之间的传播路径处于大气层中，衰减较小，可靠性高，受昼夜、季节、气候条件影响也较小。从大气层进入海面再到海面以下一定深度接收点的过程中，电磁波的场强将急剧下降，衰减较大，但受水文条件影响甚微，在水下进行通信相当稳定。因此，水下无线电磁波通信主要用于远距离的小深度的水下通信场景。

       甚低频通信频率范围为3〜30kHz,波长为10〜100km（甚长波），甚低频电磁波能穿透10〜20m深的海水。但信号强度很弱，水下目标（潜艇等）难以持续接收。用于潜艇与岸上通信时，潜艇必须减速航行并上浮到收信深度，容易被第三方发现。甚低频通信的发射设备造价昂贵，需要超大功率的发射机和大尺寸的天线。潜艇只能单方接收岸上的通信，如果要向岸上发报，必须上浮或释放通信浮标。当浮标贴近水面时，也易被敌人从空中观测到。尽管如此，甚低频仍是目前比较好的对潜通信手段。此外，甚低频的发射天线庞大，易遭受攻击。目前，正在发展具有较高生存能力的机载甚低频通信系统。

       超低频频率范围为30〜300Hz,波长为1000〜10000km（超长波）。超低频电磁波可穿透约100m深的海水，信号在海水中的传播衰减比甚低频小一个数量级。超低频水下

       通信是一种低数据率、单向、高可靠性的通信系统。如果使用先进的接收天线和检测设备，能让水下目标（潜艇）在水下400m深处收到岸上发出的信号，通信距离可达几千海里，但潜艇接收用的拖曳天线也要比接收甚低频信号长。1986年，美国建成超低频电台，系统总跨度达258km,天线总长达135km。超低频通信的频带很窄，传输速率很低，并且只能由岸基向水下目标（潜艇）发送信号。超低频通信一般只能用事先约定的几个字母的组合进行简单的通信，并且发送一封3个字母组合的电报需要十几分钟。但超低频通信系统的抗干扰能力强，核爆炸产生的电磁脉冲对其影响比较小，适用于对核潜艇的通信。

       极低频的频率范围为3〜30Hz,波长为10000〜100000km（极长波）。极低频信号在海水中的衰减远比甚低频或超低频低得多，穿透海水的能力比超低频深很多，能够满足潜艇潜航时的安全深度。此外，极低频对传播条件要求不敏感，受电离层的扰动干扰小，传播稳定可靠，相较于甚低频或超低频，在水中更容易传送。但是极低频每分钟可以传送的数据相对较少，目前只用于向潜艇下达进入/离开海底的简短命令。极低频通信是目前技术上唯一可实现潜艇水下安全收信的通信手段，不受核爆炸和电磁脉冲的影响，信号传播稳定，是对潜指挥通信的重要手段。

       射频是对频率高于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在很大程度上取决于调制方式的选取。前期的电磁通信通常釆用模拟调制技术，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，能够釆用更高的工作频率，因此射频技术应用于浅水近距离通信能满足快速增长的近距离高速信息交换的需求，具有重要的意义。

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釆用远高于水声通信（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，配合正交幅度调制或多载波调制技术，将使100Kbit/s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。对于随机的自然与人为遮挡，釆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，若釆用磁耦合天线，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。

       中长波通信是指利用中长波波段的电磁波为传输媒介，把信息从一个地方传送到另一个地方的一种无线电通信，中长波的频率范围是30〜3000kHz(中、低频)。水下无线中长波通信，是指利用中长波波段的电磁波作为载波进行的水下无线通信。

      相比其他水下无线通信技术，具有如下优点。

      (1)通信频率高。远高于水声通信(50kHz以下)，也高于甚低频通信(30kHz以下)，能实现大约100Kbit/s的数据传输速率。

      (2)抗干扰能力强。应用扩频技术可以将淹没于噪声中的信息解扩出来，完成通信过程。同时不受水质优劣和海浪等动态因素的影响，不被海水吸收衰减，优于水下光通信。

      (3)传输速度快，传输时延小。发射机在水下可釆用密封方式，数据通过传输线传到发射机上通过天线发射到水中。电磁波频率越高，水下传播速率越快。

      (4)功耗低，供电方便。高数据传输率降低了单位数据量的传输时间，减小了功率的损耗，提高了工作效率。在通信所需的传感器的耗电量方面，5〜10mW即可进行一次水中通信。

      (5)安全系数高，对水中的环境无影响。

      (6)中长波主要以表面波的形式沿地球表面传播，波长很长，受地形地物影响小，衰减慢，传输距离远，通信稳定，数据传输速率较高。

       水声通信是指利用声波在水下传播进行信息的传送，是目前实现水下目标之间进行水下无线中、远距离通信的唯一手段。声波在海面附近的传播速率为1520m/s,比电磁波在真空中的传播速率低5个数量级。与电磁波相比较，声波是一种机械振动产生的波，是纵波，在海水中衰减较小，只是电磁波的千分之一，在海水中通信距离可达数十公里。

       在非常低的频率(200Hz以下)下，声波在水下能传播数百公里，即使20kHz的频率，在海水中的衰减也只是2〜3dB/km。另外，在海平面下600〜2000m存在一个声道窗口，声波可以传输数千公里之外，并且传播方式和光波在光波导内的传播方式相似，目前世界各国潜艇的下潜深度一般是250〜400m,未来潜深将会达到1000m。因此，水声通信是目前最成熟也是很有发展前景的水下无线通信手段。

       水声通信的工作原理是将语音、文字或图像等信息转换成电信号，再由编码器进行数字化处理，然后通过水声换能器将数字化电信号转换为声信号。声信号通过海水介质传输，将携带的信息传递到接收端的水声换能器，换能器再将声信号转换为电信号，解码器再将数字信息解译后，还原出声音、文字及图片信息。图8.1给出了水声通信系统的基本框架。水声换能器是将电信号与声信号进行互相转换的仪器，是水声通信的关键技术之一。

图8.1  水声通信系统的基本框架

       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，路径差即会造成10ms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50kHz,即使釆用16QAM等多载波调制技术，通信速率只有1〜20Kbit/s。当工作于复杂的环境中时，通信速率可能会低于IKbit/So

       (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起伏，严重影响系统性能。

       (5)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。

       水声信道是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，已经提出了多种水声通信技术。

       (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研究实验室于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)频移键控技术。频移键控的通信系统从20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。

       (3)相移键控技术。20世纪80年代初，水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。釆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。

       水声通信技术发展得已经较为成熟，国内外都已研制出水声通信调制器，通信方式主要有OFDM、扩频、多载波调制技术、多输入多输出技术以及其他的一些调制方式。此外，水声通信技术已发展到网络化的阶段，将无线电中的网络技术(AdHoc)应用到水声通信网络中，可以在海洋中实现全方位、立体化通信。

水下光通信，是指利用蓝绿波长的光进行的水下无线光通信，和水声通信及水下无线电磁波通信相比，具有如下优势。

       ⑴光波工作频率高(1012-1014HZ),信息承载能力强，可以组建大容量无线通信链路。

       (2)数据传输能力强，可提供超过1Gbit/s量级的数据速率，能传输语音、图像和数据等信号。

       (3)水下无线光通信不受海水的盐度、温度、电磁和核辐射等影响，抗干扰、抗截获和抗毁能力强。

       (4)光波的波束宽度窄，方向性好，能够避免敌方的侦测，例如，如果敌方想拦截,就必须用另一部接收设备在视距内对准光发射源，必然会造成通信中断，引起发射端警觉。

       (5)光波的波长短，收发天线尺寸小，可以大幅度减少光通信的设备重量。

       (6)对海水的穿透能力强，能实现与水下300m以上深度的潜艇进行通信。

       水下蓝绿激光通信技术也是一种常用的水下通信技术，其通信速率往往较高，但是其缺陷在于通信的距离是十分有限的，而且在对水下蓝绿激光通信技术加以应用的过程中，还需要精确的对准系统以及实时对准。由于海水对于波长450〜530nm的蓝绿激光的吸收较弱，所以在进行水下通信的时候，常常都会将蓝绿激光作为窗口波段来用于水下激光通信。而水下蓝绿激光通信技术主要是通过对水下激光通信系统的应用，并且以激光作为信息的载体，使其具有较高的通信传输速率，而且激光通信具有方向性较好、接收天线较小的优势。但是在将水下蓝绿激光通信技术应用于浅水区域时，往往存在着散射影响、吸收效果严重、自然辐射干扰、高精度瞄准要求等问题。

       中微子通信是指利用中微子基石粒子携带信息进行通信的传输技术。中微子是原子核内的质子或中子发生衰变时产生的，大量存在于光、宇宙射线、地球大气层的撞击以及岩石中。中微子的质量极小，几乎为零，比电子的质量还要小近10个数量级。同时，中微子不带电荷，是一种体积极小且稳定的中性基本粒子。中微子粒子束具有两个特点，一是只参与原子核衰变时的弱相互作用力，并不参与电磁力、重力以及中子和质子结合的强相互作用力，与其他粒子之间没有什么牵制的作用力，在固体中运动不受阻挡，损耗非常小，具有极强的穿透力，能够以近似光的速度直线传播，在传播过程中不会发生折射、反射和散射等现象，几乎不产生衰减，极易穿透钢铁、海水乃至整个地球，而不会停止、减速以及改变方向，方向性极强。二是中微子粒子束穿越海水时，会产生光电效应，发出微弱的蓝色光，并且衰减很小。

       中微子具有极强的穿透能力，非常适合水下通信的需求，完成岸上与水下任意深处的通信联络。并且不易被侦察、干扰、截获和摧毁，不会污染环境，不受电磁干扰和核爆炸辐射的影响，具有通信容量大、保密性好、抗干扰能力强等优点。1933年，奥地利物理学家泡利提出了“中微子”假说。1956年，欧美科学家证明了中微子的存在。1968年，美国在地下金矿中建造了一个大型中微子探测器，探测到来自太阳的中微子。1984年美国一艘核潜艇进行水下环球潜行时，正是采用中微子通信保证了联系。1998年6月5日，日本科学家首次发现了中微子振荡的确切证据。2012年3月，美国科学家首次利用中微子穿过大地成功传送了信息。2013年11月21日，多国研究人员利用埋在南极冰下的粒子探测器，首次捕捉到源自太阳系外的高能中微子。据科学测定，高能中微子束在穿透地球后，衰减也不足千分之一，利用中微子进行水下通信，可使潜艇在深海任意深度实时不间断地接收报文。近年来，人们对中微子探测器和中微子振荡进行了大量的实验研究，为水下中微子通信提供了理论基础。

       量子通信是利用量子相干叠加、量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信技术，具有时效性高、抗干扰性能强、保密性和隐蔽性能好等优点。量子通信技术在实际应用中已经取得了一些成果，在陆地通信中已经可以实现144km的传输。随着量子中继设备的不断发展，量子通信的传输距离将有更大的突破。2014年4月，我国开始建设世界上最远距离的光纤量子通信干线——连接北京和上海，光纤距离达到2000kmo量子通信的天然安全性，满足了水下军事通信的基本要求，量子隐形传态通信与传输介质无关是水下通信的安全保证。相比于传统水下经典通信，量子通信具有抗毁性强、安全性好、传输效率高的优势。2014年4月，中国海洋大学史鹏及其团队发表报告，认为水下量子通信在短距离内是可能的，并计算出光子在保存其携带的量子信息的同时，进行水下量子通信能最远传输125m。因此，将量子通信技术用于水下目标的通信，对于提高信息传输的准确性、保证信息安全性具有较高的价值。

       引力波是指时空曲率中以波的形式从辐射源向外传播的扰动，会以引力辐射的形式传递能量。引力波的频率为10〜32Hz,极其微弱。

       引力波通信是指利用引力波来传播信号，完全不同于电磁波通信。电磁波是由于电荷的振动产生的，而引力波则是由物质的振动而产生的，是一种以光速传播的横波，具有很强的穿透力，没有任何物质能阻挡引力波的传播因］。引力波在通过介质时，能量被介质损耗一半的距离很大，在水中是1029km,在铁中是1030km,即使整个宇宙中充满了铁，利用引力波也可进行贯通宇宙通信，可见引力波将是一种极好的极远距离通信载波。另外，引力波的能量与振动频率的6次方成正比，加快物质的振动频率可提高发射能量，进而扩大引力波的通信距离。