海洋覆盖着（zhe）地球（qiú）三分之二的表面积，它（tā）是人类探索和研究的最前沿的（de）领（lǐng）域之一。海洋不仅在（zài）国际商业和渔（yú）业中扮演（yǎn）重要的角（jiǎo）色，而且还包含了有（yǒu）关（guān）气候的（de）信（xìn）息（xī），以及大量急待开发的资源。
水下无线通信（xìn）是研制海洋观测系统的（de）关键技术，借助海洋观（guān）测（cè）系（xì）统，可以采集有（yǒu）关（guān）海洋学的数据，监测环境污染，气（qì）候变化海底异常地震火山活动，探（tàn）查（chá）海底目标，以及（jí）远（yuǎn）距离图像传输。水下无线通信在军事中也起（qǐ）到至关重要（yào）的作用，而且水（shuǐ）下无线（xiàn）通信（xìn）也是水下（xià）传感器网络的（de）关键技术。
水（shuǐ）下无线通信主（zhǔ）要可（kě）以分成三大类：水下（xià）电磁波（bō）通信、水声通信和水下（xià）量（liàng）子通信，它（tā）们具有不同的特性及应用（yòng）场合，下面分（fèn）别进行说明。
一（yī）、水（shuǐ）下电磁波（bō）通信
⒈ 水下电磁波传播（bō）特点
无线电波在海水中衰减严重，频率越（yuè）高衰减越大（dà）。水（shuǐ）下实验表明：MOTE节点发射的无线电波（bō）在水下仅能传播50～120cm。低（dī）频长波（bō）无线（xiàn）电（diàn）波（bō）水下实验（yàn）可以达到6～8m的通（tōng）信（xìn）距离。30～300Hz的超低（dī）频电磁波对海水穿透能力可达100多米（mǐ），但需要很长的（de）接收天线（xiàn），这（zhè）在体积较小的水下节点上无法实现。因此（cǐ），无线电波只能实现（xiàn）短距离（lí）的高速通信，不（bú）能满足远距离（lí）水下组网（wǎng）的要求。
除了海水本身的特性（xìng）对（duì）水下电磁波通信的影响外，海（hǎi）水的运动对水下电（diàn）磁波通（tōng）信同样有（yǒu）很大的影（yǐng）响。水（shuǐ）下接收点（diǎn）相（xiàng）移分量均值和均方差均与选用电磁波的频率有关。水（shuǐ）下接收点相移分量的（de）均值随着接收（shōu）点的平（píng）均深度的增（zēng）加而线性增大（dà），电场相移分量的均方差（chà）大（dà）小受海浪的波动（dòng）大小影响，海浪（làng）运动的随机性导致了电场相移分量的标（biāo）准差（chà）呈对数指数分布。
⒉ 传统（tǒng）的水下电磁波通信
电磁波作为最（zuì）常用的信息载体和探知手段，广（guǎng）泛应用于陆（lù）上通信、电视（shì）、雷达、导（dǎo）航等领域。20世（shì）纪上半叶（yè），人们始终致力（lì）于将模拟通信移至水中。水下电磁（cí）通信可追溯至第（dì）一次世界大（dà）战期间，当时的法国最先使用（yòng）电磁（cí）波进（jìn）行了（le）潜（qián）艇通（tōng）信实验。第二次世界大战期间，美国科（kē）学研究发展（zhǎn）局（jú）曾对潜水员间的短距离无线电磁通信进行了研（yán）究，但由于水中电磁波（bō）的严重衰减，实（shí）用的水下电磁（cí）通信一度被认为无法实现。
直（zhí）至60年代，甚（shèn）低频（VLF）和超低（dī）频（SLF）通信才开始（shǐ）被各国（guó）海（hǎi）军大量研究。甚低频的频率范围在（zài）3～30kHz，其（qí）虽然可（kě）覆盖几千米的范（fàn）围，但仅能为水下（xià）10～15米深度的潜艇提供通信。由反侦（zhēn）查及（jí）潜航（háng）深度要求，超低频（SLF）通信（xìn）系统投入研制（zhì）。SLF系统的频率范围为（wéi）30～300Hz，美国和俄罗斯（sī）等国（guó）采用76Hz和82Hz附近的典型频（pín）率，可实现对（duì）水下超过80米的潜艇进行指挥通信，因（yīn）此超（chāo）低频通信承担着重要的战（zhàn）略意义（yì）。但是，SLF系统的（de）地基（jī）天线（xiàn）达（dá）几十千米，拖曳天线长度（dù）也超过千米，发射功率为兆瓦级，通信速率低（dī）于1bp，仅（jǐn）能（néng）下达简单指令，无法满足高传输速（sù）率需求。
⒊ 水下（xià）无线（xiàn）射（shè）频通信
射频（Radiofrequency，RF）是对频率高于10kHz，能够辐射到空间中（zhōng）的交（jiāo）流变化（huà）的高频电磁波的简（jiǎn）称。射频系统（tǒng）的通信质量（liàng）有（yǒu）很大程度上取决于（yú）调制方式的选取。前期（qī）的电磁通（tōng）信通常（cháng）采用模拟调（diào）制技术，极大地限制了系统的（de）性能。近（jìn）年来（lái），数字通（tōng）信日益发展（zhǎn）。相比（bǐ）于模拟（nǐ）传输系（xì）统，数字调制解（jiě）调具有更强的（de）抗（kàng）噪声性能（néng）、更高的信道损（sǔn）耗容忍度（dù）、更直接（jiē）的处（chù）理形式（数字图像等）、更高的安全性（xìng），可以支持（chí）信源编码（mǎ）与数据压缩、加密（mì）等（děng）技术，并使用差错控（kòng）制（zhì）编码纠正传输（shū）误差。使用数字技（jì）术可将（jiāng）-120dBm以（yǐ）下的弱信号从（cóng）存在（zài）的严重噪声的（de）调制信号中解调出来，在衰减允许的（de）情况下（xià），能（néng）够采用更高的工作频率，因此射频技术应用于（yú）浅水近距（jù）离通（tōng）信成（chéng）为可能。这对于满足快速增（zēng）长的近距离高速信（xìn）息（xī）交换（huàn）需求（qiú），具（jù）有重大的意义。
对比（bǐ）其（qí）他近距离水下通信技术，射频（pín）技术具有（yǒu）多项（xiàng）优势：
①通信（xìn）速率高。可以实（shí）现（xiàn）水下近距离，高（gāo）速率的无线双工通信（xìn）。近距离无线射频通信可采用（yòng）远高（gāo）于水声通信（50kHz以（yǐ）下）和甚低频通信（30kHz以下）的载波频率。若利（lì）用（yòng）500kHz以上的工作频率，配合正交幅（fú）度（dù）调制（zhì）（QAM）或多（duō）载波调制技（jì）术，将（jiāng）使100kbps以上的（de）数据（jù）的（de）高速传输成为可能。
②抗（kàng）噪声能力（lì）强。不受近水水域海浪噪声、工业噪声以（yǐ）及自然（rán）光（guāng）辐射等干扰，在浑浊（zhuó）、低可见度的（de）恶劣水下环境中，水下（xià）高（gāo）速电磁通信的优势尤（yóu）其明（míng）显。
③水下电磁（cí）波的传播速度快，传输延迟低。频（pín）率高（gāo）于10kHz的电（diàn）磁波，其传播速度比声（shēng）波高（gāo）100倍以上，且随着（zhe）频率的增（zēng）加（jiā），水下（xià）电磁（cí）波的传播（bō）速（sù）度迅速增加。由此可知，电磁通信将具有较低的延迟，受（shòu）多径效应（yīng）和（hé）多普勒展（zhǎn）宽的影（yǐng）响远远小于（yú）水（shuǐ）声通信。
④低的（de）界面及障碍物（wù）影响。可轻易穿透水（shuǐ）与空气分界面，甚至油（yóu）层与浮（fú）冰层，实现水下与岸（àn）上通信（xìn）。对（duì）于随机的（de）自然与人为遮挡，采（cǎi）用电（diàn）磁技（jì）术都可与阴影区内单元顺利建立通信连接。
⑤无须精（jīng）确对（duì）准，系（xì）统结构（gòu）简单。与激光（guāng）通信相比，电磁（cí）通信的对准要求明（míng）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（yǔ）转（zhuǎn）动单元，因此电磁系统体（tǐ）积小，利于安装（zhuāng）与维护。
⑥功耗（hào）低，供电（diàn）方便。电磁通信的高传输比特率使得（dé）单位数据量的传输（shū）时间减少，功耗降低。同时，若采用（yòng）磁（cí）祸合天线，可实现（xiàn）无硬连接的高效电磁能量传（chuán）输，大大（dà）增加了水下封闭（bì）单（dān）元（yuán）的工作时间，有利于分布式传感网络应用。
⑦安全（quán）性高，对于军事上已（yǐ）广泛采用的水（shuǐ）声对抗干（gàn）扰免疫（yì）。除此之外，电磁波（bō）较（jiào）高的水下衰减，能（néng）够提高水下通信的安全性。
⑧对（duì）水生（shēng）生物无影响，更加有利于生（shēng）态保护。
二（èr）、水（shuǐ）声通信
水声（shēng）通信是其中（zhōng）最（zuì）成（chéng）熟的（de）技（jì）术。声（shēng）波是水中信（xìn）息的主要载体（tǐ），己广泛应用（yòng）于水下通信、传感、探测、导航、定（dìng）位（wèi）等领域。声波属于机械波（bō）（纵波（bō）），在水下传输的信号衰减小（xiǎo）（其衰减率（lǜ）为电磁波的千（qiān）分之一），传输距离（lí）远，使用（yòng）范围（wéi）可从几（jǐ）百米延伸至几十（shí）公里，适用于温度稳（wěn）定的深水通信。
⒈ 水声信道的特性与（yǔ）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（bō）的速率低5个数（shù）量级，与电（diàn）磁波和光波（bō）相比较，声波在海水（shuǐ）中的衰减小得多。
水声通（tōng）信系统的性能（néng）受复杂的水声信道的（de）影响较大。水声（shēng）信（xìn）道（dào）是由海（hǎi）洋（yáng）及其边（biān）界（jiè）构成（chéng）的一（yī）个非常复杂的介质空（kōng）间，它具有（yǒu）内部结构和独特的上（shàng）下表面，能对声波产生许多不同的影响。
①多路（lù）径效应严重。当传（chuán）输距离大（dà）于水深时（shí），同（tóng）一波（bō）束内（nèi）从不同路径传输的（de）声波，会（huì）由于路（lù）径长度的差异，产生能量的差异和时间的延迟使信号（hào）展（zhǎn）宽，导致波形的码（mǎ）间干扰。当带宽为（wéi）4kHz时，巧米的路径差（chà）即会造成10毫秒（miǎo）的时延，使每（měi）个信（xìn）号并发40个（gè）干扰信号。这是限制数据传输速度（dù）并增加误（wù）码率的主要因素。
②环（huán）境噪声影响大（dà）。干扰水（shuǐ）声通信（xìn）的（de）噪声包括沿岸工业、水面作业（yè）、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（pào）带来（lái）的自然噪声。这些（xiē）噪声会严重影响信号的信噪（zào）比。
③通信（xìn）速率（lǜ）低。水下（xià）声（shēng）信（xìn）道的（de）随机变化特性（xìng），导致水（shuǐ）下（xià）通信带宽（kuān）十（shí）分（fèn）有限。短距离、无多径（jìng）效应下的带（dài）宽很难超过50kHz，即使（shǐ）采用16-QAM等多载（zǎi）波调制（zhì）技术，通信速率（lǜ）只有Ikbps～20kbps。当工作于复杂的环境中，通信（xìn）速率可能（néng）会低（dī）于Ikbps。
④多普勒效（xiào）应、起伏效应（yīng）等。由发送（sòng）与接收节点间（jiān）的相对位移（yí）产生的多普勒效（xiào）应会导致载（zǎi）波（bō）偏移及信号幅度的（de）降低（dī），与多径效（xiào）应并发的多普勒频展将（jiāng）影响信（xìn）息解码。水媒质内（nèi）部的随机性不平整（zhěng），会使声信号产生（shēng）随机的（de）起伏（fú），严重影响系（xì）统性能。
⑤其他。声波几乎无法跨越水与（yǔ）空气的界面传播（bō）；声波受温度、盐度等（děng）参数影（yǐng）响较大；隐（yǐn）蔽性差；声波影响水下生物，导致生（shēng）态（tài）破（pò）坏。
⒉ 水声通信技术
水声信道一个（gè）十分复杂的多径传输的（de）信道，而且（qiě）环（huán）境（jìng）噪声（shēng）高带宽窄（zhǎi）可适用的载波频（pín）率低以及传输的时延（yán）大。为了（le）克服这些（xiē）不利（lì）因素，并（bìng）尽可（kě）能地（dì）提高带（dài）宽利用效率，已经出现（xiàn）多种水声通信技术。
①单（dān）边带调制技术。世（shì）界（jiè）上第一个（gè）水（shuǐ）声通信系统是美国海（hǎi）军（jun1）水声（shēng）实验室于1945年研制的水下（xià）电话，主要用于潜艇（tǐng）之间的（de）通信。该模拟通（tōng）信系统使（shǐ）用单边带调制（zhì）技术，载波频段为（wéi）8～15kHz，工作距（jù）离（lí）可达几公里。
②频移键控（FSK）。频移键控的（de）通信（xìn）系（xì）统从上世纪70年（nián）代后（hòu）期开始出现到目（mù）前，在（zài）技术上（shàng）逐渐提高频移键控需要较宽的频带宽度，单位带宽（kuān）的（de）通信速率低，并（bìng）要求有较高的信噪比。
③相（xiàng）移（yí）键控（kòng）（PSK）。上世（shì）纪80年（nián）代初，水下声通信（xìn）中开始使（shǐ）用相移（yí）键控调制（zhì）方式。相移键控系统大多使用差分相移键控方式进行调制（zhì），接收（shōu）端可以用（yòng）差分（fèn）相干（gàn）方式解调。采用差分相干的差（chà）分（fèn）调相不（bú）需（xū）要相（xiàng）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（fēi）相干解调的（de）绝对调（diào）相。但（dàn）由于参考相位中噪声的影响，抗（kàng）噪声能力有所下降（jiàng）。
近（jìn）年（nián）来（lái），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（liàng）子通信
⒈ 水下激光（guāng）通信
水下（xià）激光（guāng）通信技术利用激光（guāng）载波传（chuán）输信息（xī）。由（yóu）于波长450nm～530nm的（de）蓝绿激光在水下的衰减较其他光波段小得多（duō），因此蓝绿激光作为窗口波段（duàn）应用于水下通信。蓝绿激光通信的（de）优（yōu）势是（shì）拥有几种方式中最高传输速率。在超近距离下（xià），其速率可（kě）到达100Mbps级。蓝绿激光通信方（fāng）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（měi）军完成了初（chū）级阶段的蓝绿激（jī）光通（tōng）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（jiū）滞后。
蓝绿激光应用（yòng）于浅水近距离通信（xìn）存（cún）在（zài）固有难点：
①散射影响。水中（zhōng）悬浮颗粒及（jí）浮游生物会对光（guāng）产生明显的散射作用，对于浑浊的浅（qiǎn）水近距离传输，水（shuǐ）下粒子造成的（de）散射比空气中（zhōng）要强（qiáng）三个数量（liàng）级，透过（guò）率明显降低（dī）。
②光信号在水（shuǐ）中（zhōng）的吸收效应严（yán）重（chóng）。包括水（shuǐ）媒质（zhì）的吸收、溶（róng）解物的吸收及悬浮物的吸收等。
③背（bèi）景（jǐng）辐射的干扰（rǎo）。在接（jiē）收信号的同（tóng）时，来自水面外的强（qiáng）烈自（zì）然光，以及水（shuǐ）下生物的辐（fú）射光也会对（duì）接（jiē）收信噪比形（xíng）成干扰。
④高精度瞄准（zhǔn）与实时跟踪困难。浅水区域活动繁多，移动的收发（fā）通（tōng）信单元，在水下（xià）保（bǎo）持实时对准十分困难。并且由于激光只能进（jìn）行视距通信，两（liǎng）个通信点（diǎn）间随机（jī）的遮挡都会影响通信性能（néng）。
由以上分析可知，由于固有的传输特性，水（shuǐ）声（shēng）通信（xìn）和激（jī）光通（tōng）信应（yīng）用于浅水领（lǐng）域近距离高速（sù）通（tōng）信时（shí）受到局限。
⒉ 水下中微子通信
中微子是一种穿透能力很（hěn）强的（de）粒子（zǐ），静（jìng）止质量几（jǐ）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（yǐ）及岩（yán）石（shí）中，50 年代中期，人们（men）在实验室（shì）中也发现了它。
通过实验证明，中（zhōng）微子（zǐ）聚（jù）集运动的粒子束具（jù）有两个特点：
①它只参（cān）与原子核（hé）衰（shuāi）变时的弱相（xiàng）互作用（yòng）力，却不参与重力、电磁力以及（jí）质子（zǐ）和中子结合的强相互作用力，因（yīn）此（cǐ），它可以直线高速运动（dòng），方（fāng）向性极强；
②中微子束在水中穿越时，会产生光电效应，发（fā）出（chū）微弱的蓝色闪光，且衰减（jiǎn）极（jí）小。
采用中（zhōng）微子束通信，可以确保点对点的（de）通信（xìn），它方（fāng）向性好，保密性（xìng）极强，不（bú）受电磁波（bō）的干扰（rǎo），衰减极小。据测定（dìng），用高能加速器产生高能（néng）中微子束，穿透整个（gè）地球后，衰减不足千分之一，也就是说（shuō），从南美洲发出（chū）的中微子（zǐ）束，可（kě）以直接穿透地球到（dào）达（dá）北（běi）京，而（ér）中间（jiān）不需卫星（xīng）和中继站。另外，中微（wēi）子束通信也可以（yǐ）应用到例（lì）如对潜等水（shuǐ）下通信，发展前景（jǐng）极（jí）其广阔（kuò），但由于技术比较复杂，目前还停（tíng）留在（zài）实验（yàn）室阶段。
四（sì）、水下无线（xiàn）通信（xìn）的应用（yòng）
海（hǎi）洋、湖泊等水下区域不但蕴（yùn）含着丰富的资（zī）源，也（yě）与人（rén）类社会的发展构成直接的关联。在传统的陆空通信（xìn）网络日趋（qū）完善的（de）今天，水下（xià）通信（xìn）的应（yīng）用正在逐渐增多。有缆（lǎn）通信方式（shì）使目标的活动区（qū）域大（dà）大受到限制，且（qiě）安（ān）装、使用、维护繁（fán）琐昂贵（guì），因（yīn）此不适（shì）于水下节点间（jiān）的动态通信。
水下无线通信是（shì）以水为媒质，利用不同形式的载（zǎi）波传输数据、指令、语音、图像（xiàng）等信息的技术，其（qí）应用方向主要有：
①潜水员、无（wú）人潜航器（AUV）、水下机器（qì）人等水下运动单元平（píng）台间的信（xìn）息交换。
②海岸检测、水下节点的数据采（cǎi）集、导航与控制、水下生态保（bǎo）护（hù）监测等三维（wéi）分布式传感网应用。
③水下传感网、水下潜航单元与水（shuǐ）面及陆上控制或（huò）中转平台（tái）间的通信。
由此（cǐ）可见，水下（xià）无线通信技术在民用、科（kē）研及（jí）军事领域中（zhōng）前景广阔。由于水下复杂的（de）时空环境，通信系统的有（yǒu）效信息（xī）传输率往（wǎng）往成为瓶颈，这与不断（duàn）增长的水下通信需求形成矛盾。例如，潜航（háng）器的控制需要（yào）100bps以上的数据率，水下传感组网的数（shù）据率（lǜ）需求将超过8kps，而传输声（shēng）音（yīn）、图像信息则需要（yào）更高（gāo）的（de）数（shù）据传输速率。由于传播媒质的不（bú）同（tóng）采用陆地、空气中常（cháng）用的微波（bō）、超短波通（tōng）信方式，将带来极大的衰减。因此，寻找更速的无线通（tōng）信技术，成为（wéi）水下通信研究（jiū）领域的核心目标之一。
五、结语
水下（xià）无线通信有（yǒu）三大类：水下电磁波通信、水声通信和水（shuǐ）下量子（zǐ）通信，它们具有不同的特性及应用场合。虽然（rán）电磁波在（zài）水中的（de）衰减较（jiào）大，但（dàn）受水文条件影响甚微，使得水下电磁波通信相当（dāng）稳定。水下电磁波（bō）通（tōng）信的发展（zhǎn）趋（qū）势为：既要提高（gāo）发射天线辐射（shè）效率，又要增加发射天线的等效带宽，使之在（zài）增加辐射场强的同（tóng）时提高传输（shū）速率；应用微（wēi）弱信（xìn）号放大和（hé）检测技术抑制和（hé）处理内（nèi）部和外部的（de）噪声（shēng）干（gàn）扰，优（yōu）选调制（zhì）解调技术和编译码技术来提高（gāo）接收机的灵敏度和可靠（kào）性。
此外，已有学者在研究超窄带理论与技术（shù），力争获得更高的（de）频带（dài）利（lì）用率；也（yě）有学者正寻求能否突破香农（nóng）极限（xiàn）的科学依据。
由于声波在水中的衰减最小，水声通（tōng）信（xìn）适用于中长距离（lí）的水（shuǐ）下无线（xiàn）通信。在（zài）目前及（jí）将来的一段时（shí）间内，水声通信是（shì）水下传（chuán）感器网络当中（zhōng）主要的水下无（wú）线通信方式，但是水声通信技（jì）术的数（shù）据传输（shū）率较低，因此通过（guò）克服多径效应（yīng）等不利因素（sù）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（jì）术的发展方向。
水（shuǐ）下光通（tōng）信具有数据传输率高（gāo）的优点，但是（shì）水下光通信（xìn）受环境（jìng）的影响较大，克服环境的影响是（shì）将来（lái）水下光通信技术的发展方（fāng）向。
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