海洋覆（fù）盖着地球三分之二的表面积，它是人类探索和研究（jiū）的最前沿（yán）的（de）领域之（zhī）一。海洋不仅在国际商业和渔业中扮演重（chóng）要的角色，而且（qiě）还包含了有关气候的信息（xī），以（yǐ）及大量急待开发的资源。
水下无线通信是研制（zhì）海洋观测系统的关键技术，借助海洋（yáng）观测（cè）系（xì）统，可以采（cǎi）集（jí）有（yǒu）关海洋学的（de）数据，监（jiān）测（cè）环境污（wū）染，气（qì）候变化（huà）海（hǎi）底异（yì）常地（dì）震（zhèn）火山活（huó）动，探（tàn）查海（hǎi）底目标（biāo），以及远距离（lí）图（tú）像传输。水（shuǐ）下无线通信在军事（shì）中也起到至关重（chóng）要的作用（yòng），而且水下无线通信也是水下传感器网（wǎng）络的关（guān）键技术。
水（shuǐ）下（xià）无线（xiàn）通信主要（yào）可以（yǐ）分成三大类（lèi）：水下电磁波通（tōng）信、水声通信和（hé）水下量子通信，它们具有不同（tóng）的特性及应用场合，下面分别进（jìn）行说明。
一、水（shuǐ）下电磁波通信
⒈ 水下电磁波（bō）传（chuán）播（bō）特点
无线电波在海水中衰（shuāi）减（jiǎn）严重，频（pín）率越（yuè）高衰（shuāi）减（jiǎn）越大。水下实验表明：MOTE节点发射的无线电波（bō）在（zài）水下仅能传播50～120cm。低（dī）频（pín）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（kě）达100多米，但需要很长的接收天线，这（zhè）在（zài）体积较小的（de）水下节点上（shàng）无法实（shí）现。因此，无（wú）线电波只能实现短距离的（de）高速（sù）通信，不能（néng）满足远距（jù）离水下（xià）组网的（de）要求。
除了海水本身的特性对水下电磁波通（tōng）信的（de）影响外，海水的运动对（duì）水（shuǐ）下电（diàn）磁波通信同样有很大的影响（xiǎng）。水下（xià）接收点相移分量均值和均方差均与选用（yòng）电磁（cí）波的频率有（yǒu）关。水下接收点相（xiàng）移（yí）分量的均（jun1）值随着接收点的（de）平（píng）均深度的（de）增加而（ér）线性增大，电（diàn）场相移分量（liàng）的均方差大小受（shòu）海浪的波动大（dà）小影（yǐng）响（xiǎng），海浪运动的随机性（xìng）导致了电场相移分量的（de）标准差（chà）呈对数指数（shù）分布。
⒉ 传统（tǒng）的水下电磁（cí）波通信（xìn）
电磁波（bō）作（zuò）为最（zuì）常（cháng）用（yòng）的信息载体和探知手段，广泛应用于陆上（shàng）通信、电视、雷（léi）达、导航等（děng）领域。20世纪上半叶，人们始终致（zhì）力（lì）于将模拟通信（xìn）移至水中。水下电（diàn）磁通信（xìn）可（kě）追溯（sù）至第一次（cì）世界大战期间（jiān），当时的法国最先使（shǐ）用电磁（cí）波（bō）进行了（le）潜艇（tǐng）通信实验。第二（èr）次世界大（dà）战期间（jiān），美国科学研究发展局曾对（duì）潜（qián）水员间的短距离无线电磁通信进行了研究，但由于水中电（diàn）磁波（bō）的严重（chóng）衰（shuāi）减，实用的水下电磁通信一度被认为无法实现（xiàn）。
直至（zhì）60年代，甚低频（VLF）和超低（dī）频（SLF）通信才（cái）开（kāi）始被各国海军（jun1）大量（liàng）研究（jiū）。甚低频的频率范围在3～30kHz，其虽然（rán）可（kě）覆盖（gài）几千米的（de）范（fàn）围，但仅能（néng）为水下（xià）10～15米（mǐ）深度的潜艇提供通信。由反侦查及潜（qián）航深度要求（qiú），超（chāo）低频（SLF）通信系统投入研（yán）制。SLF系统的频率范围为30～300Hz，美（měi）国和俄罗（luó）斯等（děng）国采用76Hz和82Hz附近的（de）典（diǎn）型频率，可实现对水下超过80米的潜艇（tǐng）进（jìn）行指挥（huī）通信，因此超低频通信承担着重要的战略意义（yì）。但是，SLF系统的（de）地基天线达几十千米（mǐ），拖（tuō）曳天线长度也超过千米（mǐ），发射（shè）功率为兆瓦（wǎ）级，通信（xìn）速率低于1bp，仅能下（xià）达简单（dān）指令（lìng），无法满足高传输（shū）速率需求。
⒊ 水下无线射频通信
射频（Radiofrequency，RF）是对频率（lǜ）高于（yú）10kHz，能够（gòu）辐射到空间（jiān）中（zhōng）的交流（liú）变化的（de）高频电磁波的简称。射频系（xì）统的通（tōng）信质量有很大程度上取决（jué）于调制方式的选取。前期的电磁通信通常采用模（mó）拟调制技术，极大地限（xiàn）制了系统的性能。近年来，数（shù）字通信日益发展。相比（bǐ）于模（mó）拟传输系统，数（shù）字（zì）调制解调具有（yǒu）更强的抗噪声性能、更高的信道损耗（hào）容（róng）忍（rěn）度、更直接的处理形式（shì）（数字图像等）、更（gèng）高的安全性，可以支（zhī）持信源（yuán）编码与数据压（yā）缩、加密等技术，并使用（yòng）差错控制编（biān）码纠（jiū）正传输误差。使用数字技术可将（jiāng）-120dBm以下（xià）的弱信号从存在的严重噪（zào）声的调制信号中解调出来，在衰减（jiǎn）允许的情（qíng）况（kuàng）下，能够采用更高的工作频率（lǜ），因（yīn）此（cǐ）射（shè）频技术（shù）应用于（yú）浅水（shuǐ）近（jìn）距离通信成为可能。这对于（yú）满足快速增长（zhǎng）的近距（jù）离高速信息交（jiāo）换（huàn）需求（qiú），具（jù）有重大的（de）意义。
对比其他（tā）近（jìn）距离水下通信技（jì）术（shù），射（shè）频技术具有多项（xiàng）优（yōu）势：
①通信（xìn）速率高。可以实现水下近距离，高速率的无线双工（gōng）通（tōng）信。近距离无线射频通信可采用（yòng）远高于水声（shēng）通信（50kHz以下（xià））和（hé）甚低频通（tōng）信（30kHz以下）的（de）载波频（pín）率。若利用（yòng）500kHz以上的工作（zuò）频率，配合（hé）正交幅度（dù）调制（QAM）或多载（zǎi）波调制技术，将使100kbps以上的数据的高速（sù）传输成为可（kě）能（néng）。
②抗噪声能力强。不受近水水域海浪（làng）噪声、工业噪声以（yǐ）及自然光辐射等干扰，在浑浊、低可见（jiàn）度的恶劣水下环境中（zhōng），水下高速电磁通（tōng）信的（de）优势尤其（qí）明显。
③水下（xià）电（diàn）磁波的传播（bō）速度快，传输延迟低。频率高于10kHz的电磁波，其（qí）传播速（sù）度（dù）比声波高100倍以上，且（qiě）随着频率（lǜ）的增（zēng）加，水下电磁波（bō）的传播速度迅速增（zēng）加。由此（cǐ）可知，电磁（cí）通信将（jiāng）具有较（jiào）低的延迟，受多径效应和（hé）多普勒展宽的影响远远（yuǎn）小于水声通信。
④低的界面及障碍物影响。可轻易（yì）穿透水（shuǐ）与空气分界面，甚至油层与浮冰层，实现水下与岸上通信。对（duì）于（yú）随机的自然与人为遮（zhē）挡（dǎng），采用电磁技术（shù）都可与阴（yīn）影区（qū）内（nèi）单元顺利建立通信连接。
⑤无（wú）须精确对准，系统结（jié）构简单。与激光通信相比，电磁通信的对准要求明显降低（dī），无（wú）须精（jīng）确的对准与跟踪（zōng）环节，省去复（fù）杂的机械调节（jiē）与（yǔ）转动（dòng）单元（yuán），因此电磁（cí）系统（tǒng）体积（jī）小，利于安（ān）装与维护（hù）。
⑥功耗低，供（gòng）电方（fāng）便（biàn）。电磁（cí）通信的高传输比特率（lǜ）使得单位数据量（liàng）的传输时间减少，功耗降低。同时（shí），若采用磁祸合天（tiān）线，可实现（xiàn）无硬连接的高效电磁能（néng）量传输，大大（dà）增加了水（shuǐ）下封闭单元的工作时（shí）间（jiān），有利于分布（bù）式传感网络应（yīng）用。
⑦安全性高，对于军事上已广泛（fàn）采用（yòng）的水声对抗干扰免疫。除此之外，电磁波较高的水下（xià）衰减，能（néng）够（gòu）提（tí）高（gāo）水下（xià）通信的安全（quán）性。
⑧对水生生（shēng）物无影（yǐng）响，更加有利于生态保护。
二（èr）、水声通信
水声通信是其中最成熟的技（jì）术。声波是水中信息的主要载（zǎi）体，己广泛应用于水下（xià）通信、传感、探（tàn）测、导航、定位等领域。声波属于机械波（纵波），在水下传输（shū）的信号衰（shuāi）减小（其衰减率为（wéi）电磁波的（de）千分之一），传输距离远（yuǎn），使用范围（wéi）可从几百米延伸至几十公里，适用于温度稳定的深水通（tōng）信。
⒈ 水声信道的特性与影响因子
声（shēng）波在（zài）海面附近（jìn）的典型传（chuán）播速（sù）率（lǜ）为1520m/s，比电磁波（bō）的速率低5个数量级，与电（diàn）磁波和（hé）光波相比较，声波（bō）在海水中的衰减小得多。
水声通信系统的（de）性（xìng）能受复杂的水声信道的影（yǐng）响较大。水声（shēng）信道是由海洋及其边界构（gòu）成的一个（gè）非常（cháng）复杂的（de）介（jiè）质空（kōng）间，它具有（yǒu）内部结构和独特的（de）上下表面（miàn），能（néng）对声波产生许多不同的影响。
①多路（lù）径效应严重。当传输距离大于水深（shēn）时（shí），同一（yī）波束内从不同路径传输的（de）声波，会由于路径长度的差异，产生能（néng）量的差异和时间的延迟使信号展宽（kuān），导（dǎo）致波形的码间（jiān）干扰。当带宽（kuān）为4kHz时，巧米的路径差即会造成10毫秒（miǎo）的时延（yán），使每个信号并（bìng）发40个干扰（rǎo）信（xìn）号（hào）。这是限制（zhì）数据传输速度并增加误码率的主要因素。
②环（huán）境噪声影响大。干扰水声通信的噪声包括沿岸工业、水（shuǐ）面（miàn）作业、水下（xià）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（yǔ）、气泡带来的自然噪声。这些（xiē）噪（zào）声会严重（chóng）影响信号的信（xìn）噪比。
③通信速率低。水下声信道的随机变化特性（xìng），导致水下通信（xìn）带（dài）宽十分有限。短距离、无多径效应下的带宽很难超过50kHz，即使（shǐ）采用（yòng）16-QAM等多（duō）载波（bō）调（diào）制（zhì）技术，通（tōng）信速率只有Ikbps～20kbps。当工作于复杂的（de）环境中（zhōng），通信速率可能（néng）会（huì）低于Ikbps。
④多普勒效应、起（qǐ）伏效应等。由发送与（yǔ）接收节点（diǎn）间（jiān）的相对位（wèi）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（yǔ）多径效（xiào）应并发的多（duō）普勒（lè）频展将影（yǐng）响信息解码。水媒质内部的随机性不平整，会使声信（xìn）号产生随机的（de）起伏，严重影响系统性能。
⑤其他。声波几乎无法跨越（yuè）水与空（kōng）气的界（jiè）面传播；声波（bō）受温度（dù）、盐度等参数影响较大（dà）；隐蔽性差（chà）；声波影响水下生物，导致生态破坏。
⒉ 水声通信技术
水（shuǐ）声信道一个（gè）十（shí）分复杂的多（duō）径传输（shū）的信（xìn）道（dào），而且环境（jìng）噪（zào）声高带宽（kuān）窄可适（shì）用的载（zǎi）波频率低以（yǐ）及传输的时延（yán）大。为了克服（fú）这些不利因素，并尽可能地提高带宽利（lì）用效（xiào）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（yī）个（gè）水声（shēng）通（tōng）信系统是美国海军水声实验室（shì）于1945年研制的水下电话，主要用于潜艇之间的通信。该模拟（nǐ）通（tōng）信系统使用单边带调制技术，载波频（pín）段为（wéi）8～15kHz，工作（zuò）距（jù）离（lí）可达几公（gōng）里。
②频移键（jiàn）控（kòng）（FSK）。频移键控的（de）通信系统（tǒng）从上世纪70年（nián）代后期开始（shǐ）出现到目前，在技术上逐渐（jiàn）提高频移键控需（xū）要较宽的频（pín）带宽度，单位带宽的通信速（sù）率低（dī），并要求（qiú）有较高的（de）信噪比。
③相（xiàng）移键控（PSK）。上（shàng）世纪80年代（dài）初，水下声通信（xìn）中开始（shǐ）使用（yòng）相移（yí）键（jiàn）控调制方（fāng）式（shì）。相移（yí）键控（kòng）系统大多使用差（chà）分相移键控方式进行调制，接收端可以用差分（fèn）相干方式解（jiě）调。采用差分相（xiàng）干的差分调（diào）相不需要（yào）相干载波，而且（qiě）在（zài）抗频漂、抗多径效应及抗（kàng）相位慢（màn）抖动方面，都优（yōu）于采用非相干解调的绝对调相（xiàng）。但由于参考（kǎo）相位中噪声的影（yǐng）响，抗噪（zào）声能（néng）力有所下（xià）降（jiàng）。
近（jìn）年来，水声通（tōng）信在以下两个方面取（qǔ）得了（le）很大（dà）的进步（bù）：
④多载波调制（zhì）技术。
⑤多输入多输出技术。
三、水下量子通（tōng）信（xìn）
⒈ 水下（xià）激光通信
水下激光通信技术利用激光载波传输信息。由（yóu）于波长450nm～530nm的（de）蓝绿激光在水下的（de）衰减较其他光波段小得多，因此蓝绿激光作为窗口（kǒu）波段（duàn）应用于水下（xià）通信（xìn）。蓝绿（lǜ）激光通信的优势是（shì）拥有几种（zhǒng）方式中最高传输（shū）速率。在超近距离下，其速率可到达（dá）100Mbps级。蓝绿激光通信方向性好，接收天线较小。
70年代初（chū），水下激光技（jì）术（shù）的军（jun1）事（shì）研究开始受到重视。90年（nián）代（dài）初，美（měi）军完成了初级阶段的（de）蓝绿激光通信系统（tǒng）实验。但激光通（tōng）信目前主要应用（yòng）于卫星（xīng）对潜通（tōng）信，水下收（shōu）发系统的研究滞（zhì）后（hòu）。
蓝绿激光（guāng）应用于浅水近距离（lí）通（tōng）信存在固有（yǒu）难点：
①散射影响。水中悬浮颗粒及浮游生物会对（duì）光产生明显的散射作用（yòng），对于浑浊的浅（qiǎn）水近距离（lí）传输（shū），水下粒（lì）子造（zào）成（chéng）的（de）散射比（bǐ）空气中要强（qiáng）三个数量级，透（tòu）过（guò）率（lǜ）明显降低。
②光信（xìn）号在水中（zhōng）的吸收效应严（yán）重。包括水媒质的吸收、溶（róng）解物的吸（xī）收（shōu）及悬浮物的（de）吸收等（děng）。
③背景辐射的干扰。在接（jiē）收信（xìn）号的同时，来自水面外的强（qiáng）烈自然光，以及（jí）水下生物（wù）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（shí）跟（gēn）踪困难。浅水区域活动（dòng）繁多（duō），移动的收发（fā）通信单元，在水下保持实时对准十分困难。并且由于激光（guāng）只能进行视距通信（xìn），两个通信点（diǎn）间随（suí）机的（de）遮挡都会影（yǐng）响通信性能。
由以上分析可（kě）知，由（yóu）于固有的传输特性，水声（shēng）通信（xìn）和激光通信应（yīng）用于浅水领域近距离高速通信时受（shòu）到局（jú）限。
⒉ 水下中微子通信
中微子是一种（zhǒng）穿透能力很强的粒（lì）子，静止质量几（jǐ）乎（hū）为（wéi）零，且（qiě）不带电荷，它大量存在于阳光、宇（yǔ）宙射线、地球（qiú）大（dà）气（qì）层的撞击以（yǐ）及岩石中，50 年（nián）代中期，人（rén）们在实（shí）验室中也发现（xiàn）了它（tā）。
通过实验证明，中微（wēi）子（zǐ）聚集运动的（de）粒子束具有两个特（tè）点（diǎn）：
①它只参与原子（zǐ）核衰变时的弱（ruò）相互作用力，却不参与重（chóng）力、电（diàn）磁力以及质子和中子结合的强相（xiàng）互（hù）作用力，因此，它（tā）可以直（zhí）线高速运动，方向性极强；
②中微（wēi）子束在水中穿越时，会产生光电（diàn）效应（yīng），发出微（wēi）弱的蓝色闪光（guāng），且（qiě）衰减极（jí）小。
采（cǎi）用中微子束通信，可（kě）以确保（bǎo）点对点的通信（xìn），它方向（xiàng）性好，保密性极（jí）强，不（bú）受（shòu）电磁波的干扰（rǎo），衰减极（jí）小。据测定，用（yòng）高能加速器产（chǎn）生高能中微子束，穿透整个地球后，衰减不（bú）足（zú）千分之一，也就是（shì）说（shuō），从南美洲（zhōu）发出（chū）的中微子束，可以（yǐ）直接穿透地球到达北京，而中间不需卫星（xīng）和中继站。另外，中（zhōng）微子束通信也可（kě）以应用到例如对（duì）潜等水下通信，发展（zhǎn）前景极其广阔，但由（yóu）于技术比（bǐ）较（jiào）复杂，目前还停留在（zài）实验（yàn）室（shì）阶（jiē）段（duàn）。
四、水（shuǐ）下无线通信的应用
海（hǎi）洋、湖（hú）泊等水下区域不但蕴含着丰富的资源（yuán），也与人类（lèi）社（shè）会的发展构（gòu）成直接（jiē）的关联。在传统的陆空通（tōng）信（xìn）网络日趋完善的今天，水下通信的应用（yòng）正在逐渐（jiàn）增多。有缆通信方式使（shǐ）目（mù）标的（de）活动区域大（dà）大受到限制，且安装、使用、维（wéi）护繁琐（suǒ）昂贵，因此不（bú）适于（yú）水（shuǐ）下节点间的动态通信。
水下无线（xiàn）通信（xìn）是以水为（wéi）媒质，利用不同形式的载波传（chuán）输数据（jù）、指（zhǐ）令、语（yǔ）音（yīn）、图像等信息的技术，其应用方向（xiàng）主要有：
①潜水员、无人潜航（háng）器（AUV）、水下机（jī）器人等（děng）水下（xià）运（yùn）动（dòng）单（dān）元（yuán）平台间的信息交换。
②海岸检测、水（shuǐ）下（xià）节点的（de）数据（jù）采集、导（dǎo）航与控制、水（shuǐ）下生（shēng）态保护（hù）监测等三维分布（bù）式传感网应（yīng）用。
③水（shuǐ）下（xià）传感（gǎn）网、水下潜航（háng）单元与水（shuǐ）面及陆上控制或中转平台间的通信。
由此可见，水（shuǐ）下无线（xiàn）通信技术（shù）在民用（yòng）、科研及军事领域（yù）中前景广阔。由于水下复杂（zá）的时（shí）空环境（jìng），通信系统的有效信息传输率往往成为瓶颈，这（zhè）与不（bú）断增长的（de）水（shuǐ）下通信需（xū）求形成矛盾。例如，潜航器的控制需要（yào）100bps以上的数据率，水下传感组网的数据率（lǜ）需求（qiú）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（bō）媒（méi）质（zhì）的不同采用陆地、空气中常用的微波（bō）、超短波通（tōng）信方（fāng）式，将（jiāng）带来极大的衰（shuāi）减。因此，寻找更速的无线（xiàn）通信技术，成为水下通信研（yán）究领域的核心目标之一（yī）。
五、结语
水下无线（xiàn）通信有（yǒu）三大类：水下电磁波通信、水声通信和水下量子通信（xìn），它们具有不（bú）同的特性及应用场合。虽然电磁波在（zài）水（shuǐ）中的衰（shuāi）减较大，但受水文条件影响甚微，使得水下（xià）电磁波通（tōng）信相当（dāng）稳定。水下电磁波通信的发展趋势为（wéi）：既要提高（gāo）发射天线辐射（shè）效率，又（yòu）要增加（jiā）发射天线的等效带宽，使之在增加辐射场强的同时提高传（chuán）输速率；应用（yòng）微弱信（xìn）号放大（dà）和检测技术抑制和处理内部（bù）和外部的（de）噪声干扰，优选（xuǎn）调制解调技术（shù）和编（biān）译码技术来（lái）提高接收机的（de）灵敏（mǐn）度和可靠性。
此外，已有学者（zhě）在研究超（chāo）窄带理论与技（jì）术，力争获得更（gèng）高（gāo）的频带利用率；也有学者正寻求能否突（tū）破香（xiāng）农极限（xiàn）的科学依据。
由于声（shēng）波在水（shuǐ）中的衰（shuāi）减最小，水声通信适用于中长距离的水下（xià）无（wú）线（xiàn）通信。在目前及将来的一段时间内（nèi），水声通信是水下传感器网络当（dāng）中主（zhǔ）要的水下无线通信方式（shì），但是水声通信技（jì）术的数据传输率（lǜ）较低，因此通过（guò）克服多径效应等不利因素的手（shǒu）段，达（dá）到提高带宽利用效率的目的（de）将是未（wèi）来水声（shēng）通（tōng）信技术的发展方（fāng）向。
水（shuǐ）下光（guāng）通信（xìn）具有数（shù）据传输率高的优点，但是水（shuǐ）下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（guāng）通信技（jì）术的发（fā）展（zhǎn）方向。
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