水下无线通信的方法与应用 | 欧洲水下声通信技术发展综述

• DARPA寻求先进的水下通信技术
  

• 美国水下蓝绿光通信速率有望显著提高

水下无线通信的方法与应用

来源：溪流的海洋人生

海洋覆盖着地球三分之二的表面积，它是人类探索和研究的最前沿的领域之一。海洋不仅在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信息，以及大量急待开发的资源。

水下无线通信是研制海洋观测系统的关键技术，借助海洋观测系统，可以采集有关海洋学的数据，监测环境污染，气候变化海底异常地震火山活动，探查海底目标，以及远距离图像传输。水下无线通信在军事中也起到至关重要的作用，而且水下无线通信也是水下传感器网络的关键技术。

水下无线通信主要可以分成三大类：水下电磁波通信、水声通信和水下量子通信，它们具有不同的特性及应用场合，下面分别进行说明。

一、水下电磁波通信

⒈ 水下电磁波传播特点

无线电波在海水中衰减严重，频率越高衰减越大。水下实验表明：MOTE节点发射的无线电波在水下仅能传播50～120cm。低频长波无线电波水下实验可以达到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，但需要很长的接收天线，这在体积较小的水下节点上无法实现。因此，无线电波只能实现短距离的高速通信，不能满足远距离水下组网的要求。

除了海水本身的特性对水下电磁波通信的影响外，海水的运动对水下电磁波通信同样有很大的影响。水下接收点相移分量均值和均方差均与选用电磁波的频率有关。水下接收点相移分量的均值随着接收点的平均深度的增加而线性增大，电场相移分量的均方差大小受海浪的波动大小影响，海浪运动的随机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探知手段，广泛应用于陆上通信、电视、雷达、导航等领域。20世纪上半叶，人们始终致力于将模拟通信移至水中。水下电磁通信可追溯至第一次世界大战期间，当时的法国最先使用电磁波进行了潜艇通信实验。第二次世界大战期间，美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行了研究，但由于水中电磁波的严重衰减，实用的水下电磁通信一度被认为无法实现。

直至60年代，甚低频（VLF）和超低频（SLF）通信才开始被各国海军大量研究。甚低频的频率范围在3～30kHz，其虽然可覆盖几千米的范围，但仅能为水下10～15米深度的潜艇提供通信。由反侦查及潜航深度要求，超低频（SLF）通信系统投入研制。SLF系统的频率范围为30～300Hz，美国和俄罗斯等国采用76Hz和82Hz附近的典型频率，可实现对水下超过80米的潜艇进行指挥通信，因此超低频通信承担着重要的战略意义。但是，SLF系统的地基天线达几十千米，拖曳天线长度也超过千米，发射功率为兆瓦级，通信速率低于1bp，仅能下达简单指令，无法满足高传输速率需求。

⒊ 水下无线射频通信

射频（Radiofrequency，RF）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有很大程度上取决于调制方式的选取。前期的电磁通信通常采用模拟调制技术，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的严重噪声的调制信号中解调出来，在衰减允许的情况下，能够采用更高的工作频率，因此射频技术应用于浅水近距离通信成为可能。这对于满足快速增长的近距离高速信息交换需求，具有重大的意义。

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采用远高于水声通信（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（QAM）或多载波调制技术，将使100kbps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，采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，无须精确的对准与跟踪环节，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，若采用磁祸合天线，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的水声对抗干扰免疫。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。

二、水声通信

水声通信是其中最成熟的技术。声波是水中信息的主要载体，己广泛应用于水下通信、传感、探测、导航、定位等领域。声波属于机械波（纵波），在水下传输的信号衰减小（其衰减率为电磁波的千分之一），传输距离远，使用范围可从几百米延伸至几十公里，适用于温度稳定的深水通信。

⒈ 水声信道的特性与影响因子

声波在海面附近的典型传播速率为1520m/s，比电磁波的速率低5个数量级，与电磁波和光波相比较，声波在海水中的衰减小得多。

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多路径效应严重。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，巧米的路径差即会造成10毫秒的时延，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。水下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，即使采用16-QAM等多载波调制技术，通信速率只有Ikbps～20kbps。当工作于复杂的环境中，通信速率可能会低于Ikbps。

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的起伏，严重影响系统性能。

⑤其他。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。

⒉ 水声通信技术

水声信道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。世界上第一个水声通信系统是美国海军水声实验室于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（FSK）。频移键控的通信系统从上世纪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（PSK）。上世纪80年代初，水下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。采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。

近年来，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、水下量子通信

⒈ 水下激光通信

水下激光通信技术利用激光载波传输信息。由于波长450nm～530nm的蓝绿激光在水下的衰减较其他光波段小得多，因此蓝绿激光作为窗口波段应用于水下通信。蓝绿激光通信的优势是拥有几种方式中最高传输速率。在超近距离下，其速率可到达100Mbps级。蓝绿激光通信方向性好，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，美军完成了初级阶段的蓝绿激光通信系统实验。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射作用，对于浑浊的浅水近距离传输，水下粒子造成的散射比空气中要强三个数量级，透过率明显降低。

②光信号在水中的吸收效应严重。包括水媒质的吸收、溶解物的吸收及悬浮物的吸收等。

③背景辐射的干扰。在接收信号的同时，来自水面外的强烈自然光，以及水下生物的辐射光也会对接收信噪比形成干扰。

④高精度瞄准与实时跟踪困难。浅水区域活动繁多，移动的收发通信单元，在水下保持实时对准十分困难。并且由于激光只能进行视距通信，两个通信点间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，水声通信和激光通信应用于浅水领域近距离高速通信时受到局限。

⒉ 水下中微子通信

中微子是一种穿透能力很强的粒子，静止质量几乎为零，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及岩石中，50 年代中期，人们在实验室中也发现了它。

通过实验证明，中微子聚集运动的粒子束具有两个特点：

①它只参与原子核衰变时的弱相互作用力，却不参与重力、电磁力以及质子和中子结合的强相互作用力，因此，它可以直线高速运动，方向性极强；

②中微子束在水中穿越时，会产生光电效应，发出微弱的蓝色闪光，且衰减极小。

采用中微子束通信，可以确保点对点的通信，它方向性好，保密性极强，不受电磁波的干扰，衰减极小。据测定，用高能加速器产生高能中微子束，穿透整个地球后，衰减不足千分之一，也就是说，从南美洲发出的中微子束，可以直接穿透地球到达北京，而中间不需卫星和中继站。另外，中微子束通信也可以应用到例如对潜等水下通信，发展前景极其广阔，但由于技术比较复杂，目前还停留在实验室阶段。

四、水下无线通信的应用

海洋、湖泊等水下区域不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。在传统的陆空通信网络日趋完善的今天，水下通信的应用正在逐渐增多。有缆通信方式使目标的活动区域大大受到限制，且安装、使用、维护繁琐昂贵，因此不适于水下节点间的动态通信。

水下无线通信是以水为媒质，利用不同形式的载波传输数据、指令、语音、图像等信息的技术，其应用方向主要有：

①潜水员、无人潜航器（AUV）、水下机器人等水下运动单元平台间的信息交换。

②海岸检测、水下节点的数据采集、导航与控制、水下生态保护监测等三维分布式传感网应用。

③水下传感网、水下潜航单元与水面及陆上控制或中转平台间的通信。

由此可见，水下无线通信技术在民用、科研及军事领域中前景广阔。由于水下复杂的时空环境，通信系统的有效信息传输率往往成为瓶颈，这与不断增长的水下通信需求形成矛盾。例如，潜航器的控制需要100bps以上的数据率，水下传感组网的数据率需求将超过8kps，而传输声音、图像信息则需要更高的数据传输速率。由于传播媒质的不同采用陆地、空气中常用的微波、超短波通信方式，将带来极大的衰减。因此，寻找更速的无线通信技术，成为水下通信研究领域的核心目标之一，对于国民经济函具意义。

五、结语

水下无线通信有三大类：水下电磁波通信、水声通信和水下量子通信，它们具有不同的特性及应用场合。虽然电磁波在水中的衰减较大，但受水文条件影响甚微，使得水下电磁波通信相当稳定。水下电磁波通信的发展趋势为：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，使之在增加辐射场强的同时提高传输速率；应用微弱信号放大和检测技术抑制和处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来提高接收机的灵敏度和可靠性。

此外，已有些学者在研究超窄带理论与技术，力争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，水声通信适用于中长距离的水下无线通信。在目前及将来的一段时间内，水声通信是水下传感器网络当中主要的水下无线通信方式，但是水声通信技术的数据传输率较低，因此通过克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的将是未来水声通信技术的发展方向。

水下光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。

欧洲水下声通信技术发展综述

来源：蓝海星智库（ID:SICC_LHX）

作者：王晓静

水下声通信技术一直是制约水下装备技术发展的瓶颈技术，其中宽带、高速率水下通信技术，是实现海-空-天的宽频段、网络化通信，促进有人-无人系统的通信和联合作战的关键。欧洲等海军强国的水声通信技术研究起步较早；2008年开始针对水下声通信多个技术方向进行研究；2010年开始研究水下声通信网络；2011年针对数据链路层进行了仿真研究和海试；2013年9月启动SUNRISE项目，在不同水域分别建立5个联合的水下声通信试验平台；2017年确立了首个欧洲通信标准。本文对欧洲水下声通信技术近年的发展进行了阐述，内容包括欧洲在水下声通信领域所面临的挑战，取得的成就，以及未来的发展趋势等。

一、欧洲水下声通信技术所面临的挑战

水下声通信技术经过多年发展，由单载波发展到多载波、由点对点通信发展到网络通信，通信速率不断提高，通信距离不断增大。并考虑与海、陆、空、天的其它通信系统进行互联互通，为构建可靠数据链提供有用的通信技术。但目前水下通信技术仍面临巨大挑战，如：

（一）物理层信号处理方面

水声通信的技术难度很大，核心问题就是由水声信道的时变性和空变性所带来的强多途干扰问题，采用有效的多普勒补偿措施，确保低误码率，努力提高传输速率和作用距离，用于军用目的的还要考虑信息传递的安全和多址接入等问题。短距离的水声通信传输率可达几百kb/s，但水声通信受环境影响很大，远距离水声通信就只能采用低传输率进行。

（二）国际间缺少统一标准，缺乏合作

水声通信技术发展缓慢，市场份额有限，并没有监管机构或标准制定机构，国际上缺乏统一的行业标准。因此，无法公平的比较通信协议、通信算法，不同研发单位的产品之间互操作性差，不利于行业规范化的形成，制约了行业的发展与合作。

（三）典型的软件架构不能提供跨层信息

典型的通信架构在物理层、介质访问层、网络层之间是严格分离的。这在设计水下网络时会显得过于严格，由于水下信道是时变的，且带宽有限，这些影响将导致通信频繁中断，因此不同层的有用信息必须交换，用于联合协议优化。

（四）海试昂贵

海上试验设备成本高，风险较大。试验高度依赖环境，很难控制。

克服水声通信的挑战需从多方面入手，北约海洋研究与试验中心（CMRE）从不同方面入手研究水下通信技术，并且非常重视国际间的合作开发。2008年CMRE针对水声通信技术的多个方面开展了研究。为了解决物理层互操作问题，CMRE开发了JANUS标准。自从2010年开始，研究水声通信网络方面的内容。2011年，针对媒体访问控制方面进行了仿真和海试。之后定义了时延和中断容错协议（DTN），成功开发了轻型DTN用于海试，试图应对水下环境的挑战。2011年至今，开发和演示了一个适用于10-20个节点的中等规模水声网络的布线方案，并且研究了水下网络节点的定位技术，在通信和定位架构中嵌入了时钟同步服务。

二、建立标准，促进合作

北约为28个国家的联盟组织，合作至关重要。与陆地通信系统相比，水声通信系统市场规模较小，目前还没有统一的监管部门，这导致了没有一个统一的标准，也缺乏合作。CMRE作为学术界和工业界的催化剂，能够促成水下通信领域的合作。自从2008年以来，CMRE就致力于开发和推广JANUS标准。2015年，JANUS标准草案已经提交给北约标准化办公室，2017年被批准为北约首个水下通信标准。虽然可以在物理层通过建立标准解决互操作的问题，但还有不同层间的通信协议等问题需要考虑。例如建立一个通用软件架构，包含不同层之间的通信协议。CMRE已经提出了一个软件定义的开放式架构调制解调器（SDOAM），意图是使研究组织、制造商、用户通过开发和采用一定的标准达成共识，促进合作，有利于水下通信领域的良性发展。

三、水下通信技术试验

在水下通信领域，CMRE的优势是其海试能力。科学家和工程师定期进行海试，以检查设备、验证新技术、采集数据。

（一）舰载试验

CMRE的试验活动离不开“莱昂纳多”号和“联盟”号试验船。“联盟”号试验船是一艘专门设计的舰船，用于水下研究和试验。“联盟”号试验船93米长，提供400平米的封闭试验空间，可容纳25名工作人员。该船装备了甲板操作架、多功能绞车、起重机和工作艇。“莱昂纳多”号是世界上最小的试验船，28米长，可容纳10名工作人员。

自从2008年开始，这两艘试验船就定期的进行水下通信试验。一般每年CMRE支持的水下通信项目都会进行一次舰载海试。试验中采集的数据用于新概念可行性的验证和新方案性能的评估。

“莱昂纳多”号试验船

“联盟”号试验船

（二）近海观测网（LOON）

早在2009年，CMRE就确定需要开发样机试验通信方案以节约海试成本。CMRE开发了一个物理测试平台近海观测网络（LOON），包括海床上一系列小的平台，每一个小平台均配备了各种通信设备，彼此连接，并通过光缆与岸基设备连接。最重要的是LOON被连接到互联网，世界各地的合作者可以直接访问。这大大降低了试验成本，而且可以获取真实的试验数据来测试新的通信技术。这也为长期的海试提供了便利。该系统的主要优点是降低了数据采集的成本，缺点是该系统电缆和功率的限制。

（三）机器人物理逻辑连接节点项目（MORPH）

2012年，欧盟“第七框架计划”内项目MORPH启动，项目为期4年，该项目开发了一个新的概念，即一个机器人系统由很多空间上分开的移动机器人模块组成，这些模块携带不同且互补的资源，这些模块依靠信息流的虚拟链路连接，可以重新配置，以适应不同的复杂地形。信息流主要依靠水下通信来实现，由CMRE负责研发该项目中的水下通信网络，基于商业的调制解调器提供网络通信和节点定位功能。

（四）SUNRISE项目

2013年，欧洲启动了SUNRISE项目，SUNRISE一词表示传感、监控、连接水下世界，水下通信技术为其主要研究内容。SUNRISE项目共有8个合作伙伴，其中6个来自于欧洲，分别为项目的协调者罗马大学、北约海洋研究与试验中心、Nexse软件工程公司（罗马）、Evologics公司（德国柏林）、荷兰特温特大学、葡萄牙波尔图大学；其余两家合作伙伴分别为土耳其SUASIS公司和美国纽约州立大学布法罗分校。SUNRISE项目很大程度上受LOON启发，在欧洲和美国建立了5个试验平台，便于水下通信技术领域的试验与合作。

四、未来的发展方向

物理层属于水下通信系统的基础，也是制约水下通信技术发展的瓶颈。在此方面，未来将研究先进的信号处理技术和灵巧的接收机，以增加信道容量。除了声学通信，光通信和电磁通信等非声通信技术也成为了研究的热点，希望在特殊场合或作为声学通信的补充手段而应用。此外，水下通信网络、水下通信安全问题也为未来的发展重点。

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