海洋覆盖着地球（qiú）三分（fèn）之二的表面（miàn）积，它（tā）是（shì）人类探（tàn）索和（hé）研究的最前沿的领域之一（yī）。海洋不仅在国际商（shāng）业（yè）和渔业（yè）中（zhōng）扮演重要的（de）角色，而且还（hái）包含了有关气候的（de）信息，以及大量急待开发的资（zī）源（yuán）。
水下（xià）无线通信（xìn）是研制海洋观测系统的关键技术（shù），借助海（hǎi）洋（yáng）观测系统，可以采集有关海洋学的数据，监测环（huán）境污（wū）染，气（qì）候变化海底异常地震火山（shān）活动（dòng），探查海底目标，以及远距离图像（xiàng）传（chuán）输。水下无（wú）线（xiàn）通信在军事中也起到（dào）至关（guān）重要（yào）的作（zuò）用（yòng），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（wú）线（xiàn）通信主（zhǔ）要（yào）可以分成三大类：水下（xià）电（diàn）磁波（bō）通信、水声（shēng）通信（xìn）和水下量子通信，它们具有不同的特性及应用场合（hé），下面分别进行说明。
一、水（shuǐ）下电磁波通信
⒈ 水下电磁波传播特点
无线电波在（zài）海水中衰减严重，频率越高衰减越大。水下实验表明：MOTE节（jiē）点发射的无线电波（bō）在水下仅能传播50～120cm。低频长波（bō）无线电波水（shuǐ）下实（shí）验可以（yǐ）达（dá）到（dào）6～8m的通信距离（lí）。30～300Hz的超低频电磁波对海水穿透（tòu）能力可（kě）达100多米，但需（xū）要（yào）很长的接收天线，这在体积较小的水下节（jiē）点上无法实（shí）现。因（yīn）此，无线电波只能实现短（duǎn）距离的高速通（tōng）信，不能满（mǎn）足远距离（lí）水下组网（wǎng）的（de）要求。
除了海水本身的特性对水下电磁波（bō）通（tōng）信的影响外，海（hǎi）水的（de）运动对水下（xià）电磁波通信同（tóng）样（yàng）有很大的影响。水（shuǐ）下接收点相移分（fèn）量均值（zhí）和（hé）均（jun1）方差均与（yǔ）选用电（diàn）磁波的频（pín）率（lǜ）有关（guān）。水下接（jiē）收（shōu）点相移分量（liàng）的均值随（suí）着接收（shōu）点的平均（jun1）深度的增加而（ér）线性增大，电场（chǎng）相移分量的均方差大小受海浪（làng）的波动（dòng）大小影响，海（hǎi）浪运动的随机性导（dǎo）致了电（diàn）场（chǎng）相移分量的标准差呈对数（shù）指数分布（bù）。
⒉ 传统（tǒng）的水下电磁波通（tōng）信
电磁波作（zuò）为（wéi）最常用的信息（xī）载体和（hé）探知手段，广泛应用于陆上通信、电视、雷（léi）达、导航等领域。20世纪上半叶，人们始终（zhōng）致力于（yú）将模（mó）拟通信移至水中。水下电磁通（tōng）信可追溯至第（dì）一次世界大战期间（jiān），当时（shí）的法国最先使用电（diàn）磁波进行了潜艇通（tōng）信实验。第二次（cì）世（shì）界大战期（qī）间，美国（guó）科学研究发展局曾对潜水员间的（de）短距离无（wú）线电（diàn）磁通信进（jìn）行了研究，但由于水中电磁（cí）波（bō）的严重衰减，实用的水下电（diàn）磁通信一度被（bèi）认为无法实现。
直（zhí）至60年代，甚低频（VLF）和超低频（SLF）通信才开始被（bèi）各国海军大量研究。甚低频的（de）频率（lǜ）范围在3～30kHz，其虽然可覆（fù）盖几千米的范围，但仅（jǐn）能（néng）为（wéi）水下10～15米深度的潜（qián）艇提供通信。由反侦查及潜航深度要求（qiú），超（chāo）低频（pín）（SLF）通信系统投入研制。SLF系统（tǒng）的（de）频率范围为（wéi）30～300Hz，美国和俄罗斯等国采用76Hz和82Hz附近的典（diǎn）型（xíng）频率，可实现对水下超过80米的（de）潜艇进（jìn）行（háng）指挥（huī）通信，因此超（chāo）低频通信（xìn）承担着重要的战（zhàn）略意义。但是（shì），SLF系统的地基天（tiān）线达几十千米，拖曳天线长（zhǎng）度也超过千米，发射功率为兆（zhào）瓦级，通信速率低于（yú）1bp，仅能下（xià）达简单指令，无（wú）法（fǎ）满足高（gāo）传输速率需求。
⒊ 水下无线（xiàn）射频（pín）通信
射频（Radiofrequency，RF）是对频率（lǜ）高（gāo）于10kHz，能够（gòu）辐射到空间中（zhōng）的交流变化的高频（pín）电磁（cí）波的简称。射频系统的通信质量有很大程度上取决（jué）于（yú）调制方式的选（xuǎn）取。前期的电磁通信通常（cháng）采用模拟（nǐ）调制技术，极大（dà）地限制了系统的性能。近年来，数字通信（xìn）日益发展。相比于模拟传输系统，数（shù）字调制解（jiě）调（diào）具（jù）有更强的抗噪声性（xìng）能、更高的（de）信道（dào）损（sǔn）耗容忍度（dù）、更直（zhí）接的处理形式（数字图像等）、更高（gāo）的安全性，可以支持信源编（biān）码与数据压（yā）缩、加密等技术（shù），并使用差错控制编码纠（jiū）正传输误差。使（shǐ）用（yòng）数字（zì）技术可将-120dBm以下（xià）的弱信号从（cóng）存在的严重（chóng）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（yòng）更高的工（gōng）作频率，因此射频技术应（yīng）用于浅水近距离通信成为可能。这（zhè）对于满足快（kuài）速增长（zhǎng）的近距离高（gāo）速信息交换需求（qiú），具（jù）有重大的意义（yì）。
对比其他近距离（lí）水下通信技术，射频技术（shù）具有多项优（yōu）势：
①通（tōng）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（xiàn）射频通信可采用（yòng）远（yuǎn）高于水声通信（50kHz以下）和甚（shèn）低（dī）频通信（30kHz以下（xià））的载波（bō）频（pín）率。若利（lì）用500kHz以（yǐ）上的（de）工作频率，配合（hé）正交幅度调制（QAM）或多载波调制技术，将（jiāng）使100kbps以上的（de）数（shù）据的高速传输成为（wéi）可（kě）能。
②抗噪（zào）声能力强。不受近水水域海浪噪声、工业（yè）噪（zào）声以及自（zì）然光（guāng）辐射等（děng）干（gàn）扰，在浑浊、低可见（jiàn）度的恶劣水下环境中，水下高速电（diàn）磁（cí）通信（xìn）的优势尤其明显。
③水（shuǐ）下电磁波的传播速度（dù）快，传输（shū）延迟低。频率高于10kHz的电磁波（bō），其传播（bō）速度比声（shēng）波高100倍以上，且随着频率的（de）增加，水（shuǐ）下电磁波的传（chuán）播速度迅（xùn）速增加。由此可知，电磁通信将（jiāng）具有（yǒu）较低的延迟，受多径效应和多普勒展宽的影响远（yuǎn）远小于水声通信。
④低的界（jiè）面及障碍物影响（xiǎng）。可轻易穿透水与（yǔ）空气分界（jiè）面，甚至油（yóu）层与浮冰层，实现水下与（yǔ）岸上通信。对于随机的自然与人为遮挡，采用电磁技术都可与阴（yīn）影区（qū）内单元顺利建立（lì）通信连接。
⑤无须精（jīng）确对准（zhǔn），系统结（jié）构简单。与激光通信相比，电磁（cí）通信的对准要求（qiú）明显降低，无须精确的对准与（yǔ）跟踪环节，省去复杂的机械（xiè）调节与（yǔ）转（zhuǎn）动单元，因（yīn）此（cǐ）电（diàn）磁系统体积小，利（lì）于安装与维护。
⑥功耗低（dī），供电方便。电磁通信（xìn）的高传输比特（tè）率使得（dé）单位数据量的（de）传输时（shí）间减少，功耗降（jiàng）低。同（tóng）时，若采用（yòng）磁祸合天线，可（kě）实（shí）现无硬连（lián）接的高效电磁能量传输，大大增（zēng）加了水（shuǐ）下封闭（bì）单元的工作时间，有（yǒu）利于分布式传感网络（luò）应用。
⑦安全（quán）性高，对（duì）于军事上已广泛采用的水声对（duì）抗干扰免疫。除此（cǐ）之外，电磁波较高的水下衰减，能够提高水下（xià）通信的安全性（xìng）。
⑧对水生生物无（wú）影响，更加有利于生态保护。
二、水声通信
水声通信是其中最（zuì）成熟的技（jì）术。声波（bō）是水中信息的主要载体，己（jǐ）广泛应用于水下通信、传（chuán）感、探（tàn）测、导航、定位等领域。声波属（shǔ）于（yú）机械波（纵波），在水下传（chuán）输的信号衰减小（其衰减率（lǜ）为电磁波的（de）千分之（zhī）一），传输距（jù）离远（yuǎn），使用范围可从几百米（mǐ）延伸至几十公里，适用于温度（dù）稳定（dìng）的深水通信（xìn）。
⒈ 水声信道的特（tè）性与影响（xiǎng）因子
声波在（zài）海面附近的（de）典型（xíng）传播速率为1520m/s，比电磁（cí）波的速率低（dī）5个数量级，与电磁波和光波相（xiàng）比较，声波在海水中的衰减小得多。
水声（shēng）通信系统的（de）性能（néng）受复杂的水（shuǐ）声信（xìn）道的（de）影（yǐng）响较（jiào）大。水声信道是由海洋及其（qí）边界构成的一个非常复杂的（de）介质空（kōng）间，它具有（yǒu）内部（bù）结（jié）构和（hé）独特（tè）的上（shàng）下表面（miàn），能对声波产（chǎn）生许多不同的（de）影响。
①多路径效应严（yán）重。当传输（shū）距离大于水深时，同一（yī）波束内从（cóng）不同路径传输的声波，会由于路径长度的（de）差（chà）异，产生能量（liàng）的差异和时间的延迟（chí）使信（xìn）号展宽，导致波（bō）形的码间干（gàn）扰。当带宽为4kHz时，巧米的路径差即会造（zào）成10毫秒（miǎo）的（de）时延，使每个（gè）信号并发（fā）40个干扰信号。这是限制数据传输速度（dù）并增加误码率的主要因（yīn）素。
②环境噪声影（yǐng）响大。干扰水声通信的噪声包括沿岸工（gōng）业、水面作业、水下动力、水生生物产生的活动噪声（shēng），以及海面（miàn）波浪、波涛拍岸、暴风雨、气泡带来的自（zì）然噪声。这些噪声会（huì）严重影响信（xìn）号的信噪比。
③通（tōng）信速（sù）率低。水下声（shēng）信（xìn）道的随机变化特性，导致水下通信带（dài）宽十分有限。短（duǎn）距离、无多径（jìng）效应下的带（dài）宽很难超过（guò）50kHz，即使采用（yòng）16-QAM等多载（zǎi）波调制技术，通信速率（lǜ）只有Ikbps～20kbps。当工作于复杂的环境中，通信速率可能（néng）会低于Ikbps。
④多普勒效应、起伏效应（yīng）等。由发（fā）送与接（jiē）收节（jiē）点间（jiān）的相对位（wèi）移产生的多普勒效应会导致载波偏移（yí）及信号幅度的降低，与多径（jìng）效（xiào）应（yīng）并发的多普勒频展将影响信息（xī）解码（mǎ）。水媒质内（nèi）部的随机性不平整，会（huì）使声信号产生随机（jī）的起伏，严重影响系（xì）统性能。
⑤其他。声波几乎无法跨越（yuè）水与空气（qì）的界面传播；声波受温度、盐度等（děng）参（cān）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（xìn）技术（shù）
水声信（xìn）道一个十分复杂的多径传输的信（xìn）道，而且环境噪声高带（dài）宽窄可适用的载波频率低（dī）以及传输的时延大。为了克服这些不利因素，并尽可能地（dì）提高带宽利用效率，已经（jīng）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（shēng）通信系统是美国（guó）海（hǎi）军（jun1）水声（shēng）实（shí）验（yàn）室于1945年研制的（de）水下电（diàn）话（huà），主要用于潜艇之（zhī）间的通信。该模拟通信系（xì）统使用（yòng）单边带（dài）调制技术，载（zǎi）波（bō）频段为8～15kHz，工作距离可达几公（gōng）里。
②频移键（jiàn）控（FSK）。频移键控（kòng）的通信系统从上世纪70年代后期开始（shǐ）出现到目前，在技术（shù）上逐渐提高频（pín）移键控需要较宽的频带宽（kuān）度，单位带（dài）宽的通信速率低，并要求（qiú）有（yǒu）较高的信噪比（bǐ）。
③相移键控（PSK）。上世纪80年代初，水（shuǐ）下声通（tōng）信中开始使（shǐ）用相移（yí）键控调制方式。相移键控（kòng）系（xì）统大多使用差分相移键控方式进（jìn）行调制，接收（shōu）端可（kě）以用差分相干方（fāng）式解调。采用差分（fèn）相干的差（chà）分（fèn）调相不需要相干载波，而（ér）且在抗频漂、抗多径效应及抗相位慢抖动方面，都优于（yú）采用非相干解（jiě）调的绝对调相。但由于（yú）参考相位中噪声的（de）影响，抗噪（zào）声能力有所下降（jiàng）。
近年（nián）来，水声通信在以（yǐ）下两个方面取得了很大的进（jìn）步（bù）：
④多载波调制技术。
⑤多输入（rù）多输出技术。
三、水（shuǐ）下量子通（tōng）信
⒈ 水下激（jī）光（guāng）通信
水下激光通（tōng）信技（jì）术利用激（jī）光载波传输信息。由于波长450nm～530nm的蓝（lán）绿激光在水下（xià）的衰减较其他（tā）光波段（duàn）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（tōng）信的优势是拥有几种（zhǒng）方式（shì）中最高传输速（sù）率。在超近距离下，其速率可（kě）到达100Mbps级。蓝绿激（jī）光通信方向性好，接收天（tiān）线较小。
70年（nián）代初，水下（xià）激光技（jì）术的军事研究（jiū）开始受到重视（shì）。90年代初（chū），美军完（wán）成了（le）初级阶段（duàn）的蓝（lán）绿激光通信系（xì）统实验。但激光通信目前主（zhǔ）要应用（yòng）于卫（wèi）星对潜通信，水下收发（fā）系统的研（yán）究滞（zhì）后。
蓝绿激光应用于浅水近（jìn）距离通信（xìn）存在固（gù）有难点：
①散射影响。水中悬浮颗粒（lì）及浮游生（shēng）物会（huì）对光产生明显的散射作用，对（duì）于浑浊（zhuó）的浅水近距（jù）离（lí）传输，水下粒子（zǐ）造成的（de）散射比空气中要（yào）强三个数量级，透（tòu）过（guò）率明显降低。
②光信号在水中的吸收（shōu）效应严重。包括水媒质的吸收（shōu）、溶解物的吸收及悬浮物的吸收等。
③背景（jǐng）辐射的干扰（rǎo）。在（zài）接（jiē）收信（xìn）号（hào）的同时，来自水面外的强烈自然光，以及（jí）水下（xià）生（shēng）物的辐射光也会（huì）对接收信噪比（bǐ）形成干扰。
④高（gāo）精度瞄准（zhǔn）与实时跟踪困难（nán）。浅水（shuǐ）区域活动（dòng）繁多，移动（dòng）的收发通信单元（yuán），在水下保持实时对准十分困难（nán）。并且由（yóu）于（yú）激光只能进行视（shì）距通信，两个通信（xìn）点间（jiān）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（hé）激光通信（xìn）应用于浅水领（lǐng）域近距离（lí）高速（sù）通信时受到局限（xiàn）。
⒉ 水下中微子（zǐ）通（tōng）信
中微子是一种穿（chuān）透（tòu）能力很强的粒子，静止质量（liàng）几（jǐ）乎（hū）为零，且不带（dài）电荷（hé），它大量存在于阳光（guāng）、宇宙射线、地球大气（qì）层的（de）撞击以及岩石中，50 年代中（zhōng）期，人（rén）们在（zài）实验（yàn）室中也发现了它。
通过实（shí）验证明，中（zhōng）微子聚集运动的粒子束（shù）具有（yǒu）两个特（tè）点：
①它只参与原子（zǐ）核（hé）衰（shuāi）变时的弱相互（hù）作用（yòng）力，却（què）不参与（yǔ）重力、电磁力以及质子和中子结合的强相互（hù）作用力（lì），因此，它可以直线高速运动，方向性极强（qiáng）；
②中微（wēi）子束在水中穿越时，会产（chǎn）生光电（diàn）效应，发出微弱的蓝色闪光，且（qiě）衰减极小。
采用中微子束通信，可（kě）以确保点对点的通信，它方（fāng）向（xiàng）性好，保密性极强，不受电（diàn）磁波的干扰，衰减极小。据测定，用高能加（jiā）速器产（chǎn）生高能中微子束，穿透（tòu）整个地球（qiú）后，衰减不（bú）足千分之一，也（yě）就是说（shuō），从南美洲发出的中微子（zǐ）束，可（kě）以（yǐ）直接穿透地球到达北（běi）京（jīng），而中间不需（xū）卫（wèi）星和中继站（zhàn）。另外，中（zhōng）微（wēi）子束通信也（yě）可以应（yīng）用到（dào）例（lì）如（rú）对潜等水下通信，发展前景极其（qí）广阔，但由于技术比较复杂（zá），目（mù）前还停留在实验（yàn）室阶段。
四、水下无线通信的应用
海洋、湖泊等水下区域不（bú）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（tǒng）的陆空通信网络日趋完善的今天，水下（xià）通信的应用正在逐渐增多。有缆通信（xìn）方式使目标的活动区（qū）域（yù）大大受（shòu）到限制，且（qiě）安装、使（shǐ）用、维（wéi）护繁（fán）琐（suǒ）昂贵，因此（cǐ）不适于水下节点间的动态（tài）通（tōng）信。
水下无线通（tōng）信是以水为媒质，利用不同形（xíng）式的（de）载波传输（shū）数据、指令、语音、图像等信息的技（jì）术，其（qí）应用方向主要（yào）有：
①潜水员、无人潜航器（AUV）、水下机（jī）器人等水（shuǐ）下运动单元平台间的信息交换。
②海岸检测、水下节点的（de）数据采（cǎi）集、导航（háng）与（yǔ）控制、水下生态保护（hù）监测等（děng）三维分布式传感网应用（yòng）。
③水下传感网、水（shuǐ）下（xià）潜航单元与水面及陆上控（kòng）制或中转平台间的通信（xìn）。
由此（cǐ）可见，水下无（wú）线通信技术在民（mín）用、科研及军事领（lǐng）域（yù）中前景广阔。由于（yú）水（shuǐ）下复杂（zá）的时（shí）空环境（jìng），通信系统的有效信息（xī）传（chuán）输（shū）率往往成为瓶颈，这与不断增（zēng）长的（de）水（shuǐ）下通信需求形成矛盾（dùn）。例如，潜航（háng）器的控制（zhì）需要100bps以上的数据（jù）率（lǜ），水（shuǐ）下传感组网的数据率需（xū）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（sù）率。由于传（chuán）播（bō）媒质（zhì）的不同采用陆地（dì）、空气中常用的微波、超短（duǎn）波通信方式，将带来极大的衰减。因此，寻找更速的无线（xiàn）通信技术，成为（wéi）水下通信研究领域的核心目标之（zhī）一。
五、结语
水下无线通信有三大（dà）类（lèi）：水下电磁波通信（xìn）、水（shuǐ）声通信和（hé）水下量子（zǐ）通信，它们具有（yǒu）不同的特性及应用场（chǎng）合。虽然电磁（cí）波在水中（zhōng）的衰减较大，但受（shòu）水文条件影响甚（shèn）微，使得水下电（diàn）磁波通信相当稳定。水（shuǐ）下电磁波通信的发展（zhǎn）趋势（shì）为：既要提高发射天线辐（fú）射效率（lǜ），又要增加发射天线的等效（xiào）带宽，使（shǐ）之在增（zēng）加辐射场强（qiáng）的同时（shí）提（tí）高（gāo）传（chuán）输（shū）速率；应用微弱信号放大和检测技术抑（yì）制和（hé）处理内部和外部的噪声（shēng）干扰，优选（xuǎn）调制解调技术（shù）和编译码（mǎ）技术来提高（gāo）接收机的（de）灵敏度（dù）和可靠性（xìng）。
此（cǐ）外（wài），已有学者在研究超窄带（dài）理论与（yǔ）技术，力争获得（dé）更高的频带（dài）利用率；也（yě）有（yǒu）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（xìn）适用于（yú）中长距离的水下无线通（tōng）信。在目前及将来（lái）的一段时间（jiān）内，水声通信是水下传感器网络当中主要（yào）的水下无线通信方式，但（dàn）是水声（shēng）通信技术的数据（jù）传输率较低，因此通过克服多径效应（yīng）等（děng）不（bú）利因（yīn）素的手段，达到提高带宽（kuān）利用效率的（de）目的（de）将是未（wèi）来水声通信技术的发展方向。
水下光通（tōng）信（xìn）具有数据传输率（lǜ）高的优点，但（dàn）是水下（xià）光（guāng）通信受环（huán）境的影响较大，克服环境（jìng）的（de）影响是将来（lái）水下光通（tōng）信技术的发展方向。
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