海洋覆盖着地球三分之二的表（biǎo）面（miàn）积，它是人类探索和研（yán）究（jiū）的最前沿（yán）的领域之一。海洋不仅在国（guó）际商业和渔业中扮演（yǎn）重要的角（jiǎo）色，而且还包含了有（yǒu）关气候的信息，以（yǐ）及（jí）大（dà）量急（jí）待开发的资源。
水（shuǐ）下（xià）无线通（tōng）信是研制海洋观测系统（tǒng）的关键技（jì）术，借助（zhù）海（hǎi）洋观测系统（tǒng），可以（yǐ）采集有关海洋学的数据，监测（cè）环境污染，气候变化海底异常地震火山活动（dòng），探查海底目标，以及远距离（lí）图像传输。水下（xià）无线通信在军事中也起到至关重要的作用，而且水（shuǐ）下无线通信（xìn）也是（shì）水（shuǐ）下（xià）传（chuán）感器（qì）网络的关（guān）键技术（shù）。
水下无（wú）线通信主（zhǔ）要可以分成三大类（lèi）：水下电磁（cí）波通信、水（shuǐ）声（shēng）通信和水（shuǐ）下量子通信，它们具有不同的特（tè）性及应（yīng）用场（chǎng）合，下面分别（bié）进行说明。
一、水下电磁波（bō）通信
⒈ 水下（xià）电（diàn）磁波传播特点
无线（xiàn）电（diàn）波（bō）在海（hǎi）水（shuǐ）中（zhōng）衰减严重，频（pín）率越高衰减越（yuè）大。水下实验表明：MOTE节点发射的无线电波在水下仅能传播（bō）50～120cm。低频长波无线电波水下实验可（kě）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（dàn）需要（yào）很长的接收天线，这在体积较小的水下（xià）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（néng）满足远距离水下组网的要（yào）求（qiú）。
除了海水本身（shēn）的特性对水下电磁波（bō）通信的影响外，海水的运动对水下电磁（cí）波通信同样（yàng）有很大的影响。水（shuǐ）下接收点相移分量均值和均（jun1）方（fāng）差（chà）均与选用电磁波的频率有关。水下（xià）接收点相移分量的均值随着接收点的（de）平（píng）均深度的增加而线（xiàn）性增大，电场相移分量的均方差（chà）大小受海浪的波动大小影响，海（hǎi）浪运动的随机性导致了电场相移分（fèn）量（liàng）的标（biāo）准差（chà）呈对数指数分布。
⒉ 传统的水下电磁波通信
电磁波作为（wéi）最常（cháng）用（yòng）的信息载体和探知手段，广泛应用于陆上通（tōng）信（xìn）、电视、雷达、导航等领域（yù）。20世（shì）纪上半（bàn）叶，人们始（shǐ）终致力于将模（mó）拟通信移（yí）至水中。水下电磁通信可追溯至第一次（cì）世界大战（zhàn）期（qī）间（jiān），当时的（de）法国最先（xiān）使（shǐ）用电磁波进行了潜艇（tǐng）通信（xìn）实验。第二次世界大战（zhàn）期间，美国科学研究发展（zhǎn）局曾对潜水员间的短距离无（wú）线电磁（cí）通信（xìn）进行了研究，但由于（yú）水中电磁波的严重衰减，实（shí）用的（de）水（shuǐ）下电磁通（tōng）信（xìn）一度被认为无法实现（xiàn）。
直（zhí）至60年代，甚低频（VLF）和超低频（SLF）通信才开（kāi）始被各国海军（jun1）大量研究。甚低（dī）频的频（pín）率范（fàn）围在3～30kHz，其虽然可覆盖几千米的范围（wéi），但仅能为水下10～15米深度的潜艇（tǐng）提供通信。由（yóu）反侦查及潜航深度要求，超低频（pín）（SLF）通信系（xì）统投（tóu）入（rù）研制（zhì）。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（diǎn）型频率，可（kě）实现对水下超过80米的潜（qián）艇进行（háng）指挥通信，因此超（chāo）低频通信承担着重要的战略意义。但是（shì），SLF系统的地基天线达几十千米，拖曳（yè）天线（xiàn）长度（dù）也（yě）超过千米，发（fā）射功率为兆（zhào）瓦级，通信速率低于1bp，仅能（néng）下（xià）达简单指令，无法（fǎ）满足高传输速率（lǜ）需求。
⒊ 水下（xià）无线射频（pín）通信（xìn）
射频（Radiofrequency，RF）是（shì）对（duì）频率高（gāo）于10kHz，能够（gòu）辐射到（dào）空（kōng）间中的交流变化的高频（pín）电磁（cí）波的简（jiǎn）称。射频系（xì）统的通信质量有很大程度（dù）上取（qǔ）决于（yú）调制方（fāng）式的选取。前期（qī）的电磁通信通常采（cǎi）用模拟调制（zhì）技（jì）术，极（jí）大地限（xiàn）制了系（xì）统的性能。近（jìn）年来，数字通信（xìn）日益发（fā）展。相比于模拟传输系统（tǒng），数（shù）字调制（zhì）解调（diào）具（jù）有更强的抗噪声性能、更高的（de）信（xìn）道损耗容忍度、更直接的处理形式（数字图（tú）像（xiàng）等）、更高的（de）安全性，可以支持信源编码与数据压（yā）缩、加密等（děng）技术，并使用差错控制编码（mǎ）纠正传输（shū）误差（chà）。使（shǐ）用数字（zì）技术可将-120dBm以下的弱（ruò）信号从（cóng）存在的严（yán）重噪声的调（diào）制信号中解调出来（lái），在衰减允许的（de）情（qíng）况下，能（néng）够采用更高的工作频率，因（yīn）此射频技术（shù）应用（yòng）于浅水近距离通（tōng）信成为可能（néng）。这对于满足快速增长的近距（jù）离高速信息交换（huàn）需求，具有重大的意义（yì）。
对比其（qí）他近距离（lí）水下通信（xìn）技（jì）术（shù），射频技术具有多项（xiàng）优势：
①通信速（sù）率高。可以实现水（shuǐ）下（xià）近距离（lí），高速率的无线双（shuāng）工通信（xìn）。近距离（lí）无线射频通信可采用远高于（yú）水声通信（50kHz以下（xià））和甚低频通信（30kHz以下）的载（zǎi）波频率。若利用500kHz以上的工作频率，配合正交幅度调制（QAM）或（huò）多载波调制（zhì）技（jì）术，将使100kbps以上的（de）数据的高速传输成（chéng）为可能。
②抗（kàng）噪（zào）声能力强。不（bú）受近水水域海（hǎi）浪噪声（shēng）、工业噪声以及自然光辐射等干（gàn）扰，在浑浊（zhuó）、低可见度（dù）的恶劣水下环境中（zhōng），水下高速（sù）电磁通信的优势尤其明显。
③水下（xià）电（diàn）磁波的（de）传播速度快（kuài），传输延迟低。频率高（gāo）于（yú）10kHz的电磁（cí）波，其传播（bō）速度比（bǐ）声波（bō）高100倍以上，且随着频率的增加，水（shuǐ）下电磁波（bō）的传（chuán）播速度（dù）迅速增加。由此可知（zhī），电（diàn）磁通信（xìn）将具（jù）有较低的延迟，受（shòu）多径效（xiào）应（yīng）和（hé）多普勒展宽（kuān）的（de）影响远远小于水声通（tōng）信。
④低的（de）界面及障碍（ài）物影响。可轻（qīng）易（yì）穿（chuān）透水与空气分界（jiè）面，甚至油层与浮冰层，实现水下与岸上（shàng）通（tōng）信。对于随机的自然与人为遮挡，采用（yòng）电磁技术都可与阴影（yǐng）区（qū）内单（dān）元（yuán）顺（shùn）利建立（lì）通信连（lián）接。
⑤无须精确（què）对准，系统结构简单。与激光通信相（xiàng）比，电磁通信的对准要求（qiú）明显降低，无须精确的对准与（yǔ）跟踪（zōng）环（huán）节（jiē），省去复杂的机械调（diào）节与转（zhuǎn）动单元，因此电磁（cí）系（xì）统体积小，利于安装与维护。
⑥功耗低，供电方便。电磁（cí）通信的高传输比特率（lǜ）使得单位数据（jù）量（liàng）的传输时（shí）间减少，功耗（hào）降低。同时（shí），若采用磁（cí）祸合天线，可实现无硬连接的高（gāo）效电磁能量传输，大（dà）大增加了（le）水下封（fēng）闭单元（yuán）的工（gōng）作时间，有利于分布（bù）式传感网络应用。
⑦安全性高，对于（yú）军事上已广泛（fàn）采用（yòng）的水声对抗干扰免（miǎn）疫。除此之外，电磁（cí）波较高的水下衰减，能够提高水下（xià）通（tōng）信的安全性。
⑧对水生生物（wù）无影响，更加有利（lì）于生态保（bǎo）护。
二、水声通信
水声（shēng）通信是其中最成熟的技术。声波是水中（zhōng）信息的主要载（zǎi）体（tǐ），己广（guǎng）泛应用于（yú）水下（xià）通信、传感（gǎn）、探（tàn）测、导航、定（dìng）位等领（lǐng）域。声波属于机械波（纵波），在水（shuǐ）下传输的信号衰减小（其（qí）衰减率（lǜ）为电磁波的千分之一），传输距离远，使用范围可（kě）从几百米延伸至几十（shí）公里，适用于温度稳定的深水通（tōng）信。
⒈ 水声信道的特性与影（yǐng）响（xiǎng）因子
声波在海面附近的典型传播速率为（wéi）1520m/s，比电（diàn）磁波的速率低5个数量（liàng）级，与电磁波和（hé）光波（bō）相比较，声波在（zài）海水中的（de）衰减小得多。
水声通信系统的性能受复杂（zá）的（de）水声信道的影响较大。水声信道是由（yóu）海洋及其边界（jiè）构成的一个非常复杂的介质（zhì）空间，它具有（yǒu）内部结（jié）构和独特的上（shàng）下表面，能对声波产生许多不（bú）同的影（yǐng）响。
①多（duō）路径（jìng）效（xiào）应严重。当传输（shū）距离大于（yú）水深时（shí），同一波束内从不同路径传输（shū）的声（shēng）波，会由（yóu）于路径长度（dù）的（de）差异，产生能量的差异和时间的延（yán）迟使信号展宽，导致波形的码间干扰。当带宽为（wéi）4kHz时，巧（qiǎo）米的路（lù）径（jìng）差即会造成10毫秒的时延，使每（měi）个信号并（bìng）发40个干扰信号。这是限（xiàn）制数据传输速度并（bìng）增加误（wù）码（mǎ）率的主要（yào）因（yīn）素。
②环境噪声（shēng）影（yǐng）响大。干扰水声（shēng）通（tōng）信的噪声包括沿岸（àn）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（miàn）波浪、波涛拍岸、暴风雨、气泡带来的（de）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（xià）声信道（dào）的随机变化特性，导（dǎo）致水下（xià）通信带宽十分（fèn）有限。短距离（lí）、无（wú）多（duō）径效应下的带宽很（hěn）难超过50kHz，即使（shǐ）采用16-QAM等多载波调（diào）制技术（shù），通信（xìn）速率（lǜ）只有Ikbps～20kbps。当工作于复杂的（de）环境中（zhōng），通信速率可能会低于Ikbps。
④多普勒效应、起伏（fú）效应等。由发送（sòng）与接收节点间（jiān）的（de）相对位移产生（shēng）的多普勒（lè）效（xiào）应会导致载波偏移及（jí）信号幅度的降（jiàng）低，与多径效应并（bìng）发的多普勒频展（zhǎn）将影响信息解码。水媒质内部的随机性不平整，会（huì）使声（shēng）信号产生随机（jī）的起伏（fú），严重影响系（xì）统性能。
⑤其（qí）他。声波几乎无法跨越（yuè）水与空气的界面传（chuán）播；声波受温度、盐度等参数影响较大（dà）；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（yī）个十（shí）分复杂的多径传输（shū）的（de）信（xìn）道，而且环境（jìng）噪声高带宽窄可（kě）适（shì）用的载波频（pín）率低以及传输的时延（yán）大。为了克服这些不利因素，并尽可能（néng）地提高带宽利用效率，已经出现多种（zhǒng）水声通信技（jì）术。
①单边带（dài）调制技术。世界上第（dì）一个水声通信系（xì）统（tǒng）是（shì）美国海军水声实验（yàn）室于1945年（nián）研制（zhì）的水下电话，主要用（yòng）于潜艇之间的通信。该模拟（nǐ）通信系统使（shǐ）用单（dān）边带调制技术，载（zǎi）波频段为8～15kHz，工（gōng）作距离可达几（jǐ）公里（lǐ）。
②频移键控（FSK）。频移（yí）键控（kòng）的（de）通信系统从上世（shì）纪70年代（dài）后期开始出现到目前，在技（jì）术上逐（zhú）渐（jiàn）提高频移键控需（xū）要较（jiào）宽的频带宽度，单位带宽（kuān）的通信（xìn）速率低，并要求有较（jiào）高的信噪比。
③相移（yí）键控（PSK）。上世纪80年（nián）代初，水下声通信（xìn）中开始使用相移（yí）键控调制方式（shì）。相移键控系统大多使用差分相移键控方式（shì）进行调制，接（jiē）收端可以用差分相干方式解调。采（cǎi）用差分相干的差（chà）分调（diào）相不需要相干（gàn）载波（bō），而且在抗频漂（piāo）、抗多径效应（yīng）及抗相（xiàng）位慢抖动方面，都优（yōu）于（yú）采用非相干解调的绝对调相。但由于参（cān）考相位中噪声的影响，抗（kàng）噪声能力有所下降。
近年（nián）来，水声通信在以下（xià）两个方面取得（dé）了很大的进步：
④多载波调制技术。
⑤多输入多（duō）输出技术（shù）。
三、水下（xià）量子通信
⒈ 水下激光通信
水下激光（guāng）通信技术利用激光载波传输（shū）信息。由于波长（zhǎng）450nm～530nm的（de）蓝绿激光在水下的衰减较（jiào）其他光波段小得（dé）多，因此蓝绿激光作为窗（chuāng）口波段应用于水下通信（xìn）。蓝（lán）绿激光通信的优势是（shì）拥有几种方式中（zhōng）最高传输速率。在超近距离下，其速率可到达100Mbps级。蓝绿激（jī）光通（tōng）信方（fāng）向性（xìng）好，接收天线较小。
70年代初，水下激光技术的军事（shì）研究开始受到重视。90年代（dài）初，美（měi）军完成了初级阶段的（de）蓝（lán）绿激光（guāng）通信系统实验。但激光通（tōng）信目前（qián）主要应（yīng）用于卫星对（duì）潜通（tōng）信，水下收发系统的研（yán）究滞后。
蓝绿激光应（yīng）用（yòng）于浅水近距离通信存（cún）在（zài）固有难点：
①散射影响。水中悬浮颗粒（lì）及浮游生物会对（duì）光产（chǎn）生明显的散射作用，对于浑浊（zhuó）的（de）浅水近距离传输（shū），水下粒子造成的散（sàn）射比空气中要强（qiáng）三个（gè）数量级，透过率明显降低。
②光信号在水中（zhōng）的吸收效应严重。包括（kuò）水媒质的吸收（shōu）、溶（róng）解物的吸收及悬浮物的吸收等。
③背景（jǐng）辐射（shè）的干扰。在接收信（xìn）号的同时（shí），来自水（shuǐ）面外（wài）的（de）强烈（liè）自然光，以及水下生物的辐（fú）射光也会对接收（shōu）信（xìn）噪比形成干扰（rǎo）。
④高精度瞄准与（yǔ）实时跟踪困难。浅（qiǎn）水区（qū）域（yù）活动繁多（duō），移动的收发（fā）通信单元，在水下保持（chí）实（shí）时对准十分困难。并且由（yóu）于激光只能进行视（shì）距通（tōng）信（xìn），两个通信点间随（suí）机的遮挡都会影响通信性能（néng）。
由以上分（fèn）析可知，由于固有的传输特（tè）性，水声通信和激光通信（xìn）应用于浅水（shuǐ）领域近距离高速通信时受到局限。
⒉ 水下（xià）中微子通信（xìn）
中微子（zǐ）是一种穿透能力很强的粒子，静止（zhǐ）质量几乎为（wéi）零，且不（bú）带电（diàn）荷，它大量存在于阳光、宇宙射线、地球大（dà）气层的撞击（jī）以及（jí）岩石中，50 年代中期（qī），人们在（zài）实验室中也发现（xiàn）了它（tā）。
通（tōng）过实验（yàn）证明，中微子聚集运动（dòng）的粒子束（shù）具有两个特点：
①它（tā）只参与（yǔ）原子（zǐ）核衰变时（shí）的弱相互作用（yòng）力（lì），却不参与（yǔ）重力、电磁力以及质（zhì）子和中子结合的强相互作用力，因此，它可以直线高速运（yùn）动（dòng），方向性极强；
②中（zhōng）微子束在（zài）水（shuǐ）中穿越时，会产生光电效应，发出微弱（ruò）的蓝色闪光，且衰（shuāi）减极小。
采用中微子束通信，可（kě）以确保点对点的（de）通信，它方向性好，保密性极强，不受电（diàn）磁（cí）波的干（gàn）扰（rǎo），衰减极小。据测定，用（yòng）高能加（jiā）速器（qì）产生高能中（zhōng）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（chū）的中（zhōng）微子束，可（kě）以直接（jiē）穿（chuān）透地球到达北京，而中间（jiān）不需卫星和中继站。另外，中微子束通信也（yě）可以（yǐ）应用到例如对潜等水（shuǐ）下通（tōng）信，发展（zhǎn）前景极（jí）其（qí）广阔，但由于技术比较复杂，目前还停留在实验（yàn）室阶段。
四、水下（xià）无线通信的应用
海洋（yáng）、湖泊等水（shuǐ）下区域不（bú）但蕴含（hán）着丰（fēng）富（fù）的资（zī）源，也与人（rén）类社会的发展构成直（zhí）接的关联。在传统的陆空通信网络（luò）日趋完善的今天，水下（xià）通信的（de）应用正在逐渐增多。有缆通（tōng）信方（fāng）式使目标的活动区域大大受到限制，且安（ān）装、使（shǐ）用（yòng）、维（wéi）护繁琐（suǒ）昂贵，因（yīn）此（cǐ）不适于水（shuǐ）下（xià）节（jiē）点（diǎn）间的动态（tài）通信。
水（shuǐ）下无线通信是（shì）以水为媒（méi）质，利用不同形式的载波传输数据、指（zhǐ）令、语音（yīn）、图（tú）像等（děng）信息的技术，其应用方（fāng）向（xiàng）主要有：
①潜水员（yuán）、无人潜航器（AUV）、水下机器人（rén）等水（shuǐ）下运动单元平台间（jiān）的信（xìn）息交换。
②海岸检测、水下节点的数（shù）据（jù）采集（jí）、导航与控制、水下生态（tài）保（bǎo）护监测等三（sān）维分布式传感网应用（yòng）。
③水下（xià）传感网（wǎng）、水下潜航单元与水面及陆上控制或中（zhōng）转平（píng）台间的通信。
由此可见，水下无线（xiàn）通（tōng）信技术在民用、科（kē）研及军事领域（yù）中前（qián）景广阔。由于水下复杂的时空环境，通信系统的有效信（xìn）息传输（shū）率（lǜ）往（wǎng）往（wǎng）成为瓶颈（jǐng），这与不断增长的水下通信需求形成（chéng）矛（máo）盾。例如，潜航器的控制需要100bps以上的数据率，水下传感组网（wǎng）的数（shù）据率需求将（jiāng）超过8kps，而传输声音、图像信息则需要更高的数（shù）据传（chuán）输速率。由于传播（bō）媒（méi）质的不同采（cǎi）用（yòng）陆地、空气中常用的微（wēi）波（bō）、超短波通信方式，将带来极大的衰减。因此，寻找（zhǎo）更速的无线通信技术（shù），成为水下（xià）通信研（yán）究领域的核心目标之（zhī）一。
五、结（jié）语
水下无线通信有三大类：水下电磁波通（tōng）信（xìn）、水声通信和水（shuǐ）下量子通信，它们具有不同的特性及（jí）应（yīng）用场合。虽然（rán）电磁（cí）波在水（shuǐ）中的衰减较大（dà），但受（shòu）水文条件影响（xiǎng）甚（shèn）微，使得水（shuǐ）下电磁（cí）波通信相当稳定。水下电磁波（bō）通信的（de）发展趋势为：既要提高（gāo）发射天线辐射效率，又（yòu）要增（zēng）加发射天线的等（děng）效带宽，使之在增加辐射（shè）场强的同时提高传输速率；应用微（wēi）弱信号放大和检测技术抑（yì）制和处理内部和外部的噪声干扰（rǎo），优选（xuǎn）调制解（jiě）调技术（shù）和（hé）编译（yì）码技术来提高接收机的灵敏度和（hé）可（kě）靠性。
此外，已有学（xué）者在研究超窄带（dài）理论与（yǔ）技术，力争（zhēng）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（shì）用于中长距离的水下无（wú）线通（tōng）信。在目前及将来的一段时间（jiān）内（nèi），水声通信是水（shuǐ）下传（chuán）感器（qì）网络当中主（zhǔ）要的水下无（wú）线通信方（fāng）式，但是水声（shēng）通信技（jì）术（shù）的（de）数据传输（shū）率（lǜ）较低，因此通过克（kè）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（mù）的将是未（wèi）来水声通信技术的发展方向（xiàng）。
水下光通信具有数据传（chuán）输率（lǜ）高的优点，但是水下（xià）光通信受环境的影响较大，克服（fú）环境的影响是将来水下光通信技术的（de）发（fā）展方向。
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