海洋覆（fù）盖着地球三（sān）分之二（èr）的表面积（jī），它是人类探索和研（yán）究的最前沿的领域之一。海洋不仅（jǐn）在国（guó）际商业和渔（yú）业中扮演（yǎn）重要的（de）角色（sè），而且（qiě）还（hái）包含了（le）有关气候的（de）信（xìn）息，以（yǐ）及大量急待开发的资源。
水（shuǐ）下（xià）无线通（tōng）信是研制海洋观测系统的关键技术，借助（zhù）海洋（yáng）观测系（xì）统，可以采集有关海洋学的（de）数据（jù），监测环境污染，气候变化海（hǎi）底（dǐ）异常（cháng）地震火山活（huó）动，探查（chá）海底（dǐ）目标，以及远（yuǎn）距离图像传输。水下（xià）无线通信在军事中（zhōng）也起到至关重（chóng）要的作用，而且水下（xià）无线（xiàn）通信也是水下传感器网络的关键技术。
水（shuǐ）下无线通信主要可以分成三大类：水下电磁波通信、水声通（tōng）信（xìn）和水下（xià）量子通信，它们具有不同（tóng）的特性及应（yīng）用场合，下面分别（bié）进行说明。
一、水下电（diàn）磁波通信
⒈ 水（shuǐ）下电（diàn）磁波传（chuán）播特点
无线电波（bō）在海水（shuǐ）中衰减严（yán）重，频率越高衰减越大。水下实验表明：MOTE节点发射的无线电（diàn）波在水（shuǐ）下仅（jǐn）能传播50～120cm。低频长波无（wú）线电（diàn）波水下实（shí）验可以（yǐ）达（dá）到（dào）6～8m的通信（xìn）距（jù）离。30～300Hz的超低频电磁波对海水（shuǐ）穿透能（néng）力可达100多米，但需（xū）要很长的接收天线，这在体积较（jiào）小的水（shuǐ）下节点上无法实现（xiàn）。因此，无线电波（bō）只（zhī）能实现短距离的（de）高（gāo）速通（tōng）信，不能满足远距离水（shuǐ）下组（zǔ）网的要求。
除了（le）海水本身的特性对（duì）水下电（diàn）磁波通信（xìn）的影响外，海水的运（yùn）动对水（shuǐ）下电（diàn）磁波通信同（tóng）样有很大的影响。水下接收点（diǎn）相（xiàng）移分量均值和均方差均与选（xuǎn）用电磁波（bō）的（de）频率有关（guān）。水（shuǐ）下接（jiē）收（shōu）点相移分量的均值随着接收点的（de）平（píng）均深（shēn）度的增加而线性增（zēng）大，电场（chǎng）相移分量的均方差（chà）大小受海浪的波动大小影响，海浪运动（dòng）的随（suí）机性（xìng）导致了电场相移分（fèn）量（liàng）的标准差呈对数指（zhǐ）数分布。
⒉ 传统的水下电（diàn）磁波通信（xìn）
电（diàn）磁波作为最常用的信息载（zǎi）体和探（tàn）知手段，广泛应用于陆上通信、电视、雷达、导航等领域（yù）。20世纪上半（bàn）叶，人（rén）们始终（zhōng）致力于将模拟通信移（yí）至水中。水（shuǐ）下电磁通信可追溯至第一次世（shì）界大战期间（jiān），当时的法国最（zuì）先使用（yòng）电（diàn）磁波进（jìn）行了潜艇通信实验（yàn）。第二次世界大战期间，美国科学（xué）研（yán）究发展局曾（céng）对潜水员（yuán）间（jiān）的（de）短距离无线电磁通信进行了研究，但（dàn）由于水中电磁波的严重衰减，实用的水下电磁通信（xìn）一（yī）度被认为无（wú）法实现。
直至60年代，甚低频（VLF）和超（chāo）低频（pín）（SLF）通信才（cái）开始被各国海军（jun1）大量（liàng）研究（jiū）。甚低频的频（pín）率范围在3～30kHz，其虽然可覆盖（gài）几千米的范围，但仅能为水下10～15米深度的潜艇提供（gòng）通信。由（yóu）反侦（zhēn）查及潜航深度要求，超（chāo）低频（SLF）通信（xìn）系统投入研制。SLF系统的频率范围（wéi）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（qián）艇进（jìn）行指挥通信，因此超低频通信（xìn）承担（dān）着重要的（de）战略意义（yì）。但是，SLF系统（tǒng）的地（dì）基天线达几十千米，拖（tuō）曳天线长（zhǎng）度（dù）也超过（guò）千米（mǐ），发射（shè）功率为兆瓦级，通信速率低（dī）于（yú）1bp，仅能下达（dá）简单指（zhǐ）令，无（wú）法（fǎ）满足（zú）高（gāo）传输速率需求。
⒊ 水（shuǐ）下无（wú）线射频通信
射频（Radiofrequency，RF）是（shì）对（duì）频率高（gāo）于10kHz，能够辐射到空间中的交流变化的高（gāo）频电（diàn）磁（cí）波的简称。射频系统（tǒng）的通信（xìn）质量（liàng）有很大程度上取决于调制方式的选（xuǎn）取。前期的（de）电磁（cí）通信通常采用模拟（nǐ）调（diào）制技术，极大（dà）地限（xiàn）制了系统的性能。近年来，数字通信日益发展（zhǎn）。相比（bǐ）于（yú）模（mó）拟传输系统，数字调制（zhì）解调具有更强的抗（kàng）噪声性能、更高的信道损（sǔn）耗（hào）容忍度、更（gèng）直接的处理形式（数（shù）字图（tú）像等（děng））、更高的安全性（xìng），可以（yǐ）支持（chí）信源编（biān）码与数据压缩、加密等技术，并使用差错控制（zhì）编码纠正（zhèng）传输误差。使用数字技术可（kě）将-120dBm以下（xià）的弱（ruò）信（xìn）号从存在的严重噪声的（de）调制信号中（zhōng）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（pín）技术应用于浅水近距离通信成为可能。这对于满足快速（sù）增长的近距（jù）离高速（sù）信息交换（huàn）需求（qiú），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（jù）有多项（xiàng）优势：
①通信（xìn）速率（lǜ）高。可以实现水下（xià）近（jìn）距（jù）离，高速率的（de）无线双工通信。近距离无线射（shè）频通信（xìn）可采用（yòng）远（yuǎn）高（gāo）于水声通（tōng）信（50kHz以下）和甚（shèn）低频通信（30kHz以下）的载波频率。若利用500kHz以上（shàng）的（de）工作频率（lǜ），配（pèi）合正交幅度调制（QAM）或多载波调（diào）制技（jì）术，将使（shǐ）100kbps以上的数据的高速传输成（chéng）为可能。
②抗噪声能力强。不（bú）受近水水域海浪噪声（shēng）、工业噪声以及自然光辐射（shè）等干扰，在浑浊、低（dī）可见度的（de）恶劣水下环境中，水下高速（sù）电磁通信的优势（shì）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（diàn）磁波，其传播速度比声（shēng）波高100倍以（yǐ）上，且随着频率的增（zēng）加，水下电磁波的传播速度迅速增加。由此可知，电（diàn）磁通信将具有（yǒu）较（jiào）低的（de）延（yán）迟（chí），受多径效（xiào）应（yīng）和多普勒（lè）展宽的影响（xiǎng）远远（yuǎn）小于水声通信。
④低的（de）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（bīng）层，实现水下与岸上通信。对于随机的自然与（yǔ）人为遮（zhē）挡，采用电（diàn）磁技术都（dōu）可（kě）与阴影区内单元顺利建立通（tōng）信连接。
⑤无须精确对（duì）准，系统结构简单。与激光通信（xìn）相（xiàng）比，电磁通信的对准要求明显降低，无（wú）须精确的（de）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（tǐ）积小，利于（yú）安装（zhuāng）与（yǔ）维护。
⑥功耗（hào）低（dī），供（gòng）电方便。电磁通信的高传输比特率使得单位（wèi）数据（jù）量的（de）传输（shū）时间减少，功（gōng）耗降（jiàng）低。同时，若采用磁祸合天线，可实（shí）现无硬连接的高效电磁能量传（chuán）输，大大增加了水下封闭单元的（de）工作时间，有利于分布（bù）式（shì）传感网络（luò）应用。
⑦安全性高，对（duì）于军事上已广泛采（cǎi）用的水声对抗干扰免疫。除（chú）此之外，电（diàn）磁波较高的水下（xià）衰减，能够提（tí）高水下通信的安全（quán）性。
⑧对水生生物（wù）无影响，更（gèng）加有（yǒu）利（lì）于生态保护（hù）。
二、水声（shēng）通信
水声通信是其中最成熟（shú）的技术。声波是水中信息（xī）的主要（yào）载体，己（jǐ）广泛应用于水下通信、传（chuán）感、探测、导航、定位等领域（yù）。声波属于机（jī）械（xiè）波（纵波），在水下传输的信号衰减小（其衰（shuāi）减率为电磁（cí）波的千（qiān）分之一），传（chuán）输距离远，使用范围可从几（jǐ）百米延伸至几十公里，适用于温（wēn）度稳定的深水通（tōng）信。
⒈ 水（shuǐ）声信道的特性与影响因子
声（shēng）波在海面附近（jìn）的典型传播速（sù）率为1520m/s，比电磁波的速率低5个数量级，与电磁波和（hé）光波相比较，声波在（zài）海水中的衰（shuāi）减小得多。
水声通信系统（tǒng）的性（xìng）能受复杂（zá）的（de）水声信道的影响较大。水（shuǐ）声（shēng）信道是由海洋及其边（biān）界（jiè）构成的一（yī）个（gè）非常复杂的介质空间，它（tā）具有内部结构和独特（tè）的上下表面，能对声（shēng）波产（chǎn）生许多不同的影响。
①多路径效应严重。当传（chuán）输距（jù）离（lí）大（dà）于水深时，同一波束内从不同路（lù）径传输（shū）的声波，会由于（yú）路径长度的差异，产（chǎn）生能量的差（chà）异和时间的延迟使信号展宽，导（dǎo）致波形的码间干扰。当（dāng）带（dài）宽（kuān）为4kHz时，巧米的路径差即（jí）会造成10毫（háo）秒的时延，使每个（gè）信号并发40个干扰信号。这（zhè）是限制数（shù）据传输（shū）速度并增（zēng）加误码率的主要因素。
②环境（jìng）噪声影响大。干扰水声通信的噪声包括沿岸工业、水面作（zuò）业、水下（xià）动力、水生生物产生的（de）活动噪声，以及海面波浪、波涛拍岸、暴风雨、气泡带来的（de）自然噪（zào）声。这（zhè）些噪声会（huì）严重影（yǐng）响（xiǎng）信号（hào）的信噪（zào）比。
③通信速率低（dī）。水下声信道的随机（jī）变化特（tè）性，导致水下通（tōng）信带宽十（shí）分有限。短（duǎn）距离、无多径效应（yīng）下的（de）带宽很难超（chāo）过50kHz，即使（shǐ）采用16-QAM等多载波调制技（jì）术（shù），通信（xìn）速率只有Ikbps～20kbps。当工（gōng）作于（yú）复杂（zá）的环境中，通信速（sù）率可能会低于Ikbps。
④多普勒效应、起伏效应（yīng）等。由发送与接收（shōu）节点间的相（xiàng）对位移产生（shēng）的多普勒（lè）效（xiào）应（yīng）会导致（zhì）载波偏移及（jí）信号幅度的降低，与（yǔ）多（duō）径效（xiào）应并发的多普勒频（pín）展将影响信息（xī）解码。水媒质内（nèi）部（bù）的随机性（xìng）不平整，会使声信号（hào）产生（shēng）随机的起伏，严重影响系统性能（néng）。
⑤其他。声波几乎无法（fǎ）跨越水与（yǔ）空气的界面传播；声波受（shòu）温度、盐度等参数影（yǐng）响（xiǎng）较大；隐蔽性差（chà）；声波影响水下生物，导致生态破坏。
⒉ 水声（shēng）通信技术
水声信（xìn）道一个（gè）十分（fèn）复（fù）杂（zá）的多径传输（shū）的信道，而且环境噪声高带宽窄可适（shì）用的载波频率低以（yǐ）及传输的时延大。为了克服这些（xiē）不（bú）利因素，并（bìng）尽可能地提高带宽利用效率，已经出（chū）现多种水（shuǐ）声通信（xìn）技术。
①单（dān）边带调制技术。世（shì）界上第一（yī）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（yào）用于潜艇（tǐng）之间（jiān）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（jǐ）公里。
②频移键控（FSK）。频（pín）移键控的通信系（xì）统从上世纪70年代（dài）后期开始（shǐ）出现到目前，在技术上（shàng）逐渐提高频移键控需要较宽（kuān）的频带宽（kuān）度（dù），单（dān）位带宽的通信速率低，并要求有较高的信噪比。
③相移键控（kòng）（PSK）。上（shàng）世纪80年代初（chū），水（shuǐ）下声（shēng）通信中开（kāi）始使用相（xiàng）移键控调制方式（shì）。相移键控系统（tǒng）大多使用差分相移键控方式（shì）进行调制，接收端可以用差分相（xiàng）干（gàn）方式解调（diào）。采用差分相干的（de）差（chà）分调（diào）相不（bú）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（miàn），都优于（yú）采用非相干解调的绝对调相（xiàng）。但由于（yú）参（cān）考相位中噪声的（de）影（yǐng）响，抗噪声能力有所下（xià）降（jiàng）。
近年来，水声（shēng）通信（xìn）在以下两个方面取得（dé）了很大的进步：
④多载波（bō）调制技术。
⑤多输入多输（shū）出技术。
三、水下量子通信
⒈ 水下激光通（tōng）信
水下激光通（tōng）信技术利用激光载波传输信息。由于波长450nm～530nm的蓝绿激光（guāng）在水下的衰减（jiǎn）较其他光波段小得（dé）多（duō），因此蓝绿激光作为窗（chuāng）口波段应用于水下通（tōng）信。蓝绿激光通信的优势是拥有几种方式中最（zuì）高传输（shū）速率（lǜ）。在（zài）超近距（jù）离下，其速率可到达（dá）100Mbps级。蓝绿（lǜ）激光通信方向性好，接收天线较小。
70年代初（chū），水下激光技术的（de）军事研（yán）究开始受到重视。90年代初，美（měi）军完（wán）成（chéng）了初级阶（jiē）段的（de）蓝（lán）绿激光通（tōng）信系统（tǒng）实验。但（dàn）激光通（tōng）信目前主（zhǔ）要应用于卫星对潜通信，水下收发系统的研究滞后。
蓝绿（lǜ）激（jī）光应（yīng）用于浅（qiǎn）水近（jìn）距离通信存在固有难点：
①散射（shè）影响。水（shuǐ）中悬浮颗粒及浮游生物会对光产生明显的散射（shè）作用（yòng），对于浑（hún）浊（zhuó）的（de）浅（qiǎn）水近距（jù）离（lí）传输，水下粒子造成（chéng）的散射比空气中要（yào）强三（sān）个数量级，透过（guò）率明（míng）显降低（dī）。
②光信号在水中（zhōng）的吸收效（xiào）应严重（chóng）。包括水媒质的（de）吸（xī）收、溶解物的（de）吸收及悬浮（fú）物（wù）的吸收等（děng）。
③背（bèi）景辐射的干扰（rǎo）。在接收信号的（de）同时，来自水面外（wài）的（de）强烈自然（rán）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（jīng）度瞄（miáo）准与实（shí）时跟踪（zōng）困难。浅水区域活动繁多，移（yí）动的收发通信单元，在水下保持实时（shí）对（duì）准十分困难。并且由于激光只能进行视距通信，两（liǎng）个通信点间（jiān）随机的遮挡都（dōu）会影响通信性能。
由以上分析可知，由于固有的传输特（tè）性，水（shuǐ）声通信和激（jī）光通（tōng）信应用于浅水领域近距离高（gāo）速通信时（shí）受到局（jú）限。
⒉ 水下中微（wēi）子通信
中微（wēi）子是一种穿透（tòu）能力（lì）很强的粒子，静止质量几乎为零，且（qiě）不带电荷，它大量存在于（yú）阳（yáng）光、宇宙射线、地（dì）球大气层（céng）的撞击（jī）以及岩石（shí）中，50 年代（dài）中期，人们（men）在实验室中也发现了它。
通过实（shí）验证明，中微子聚（jù）集（jí）运动的（de）粒子（zǐ）束具有（yǒu）两个特（tè）点：
①它（tā）只参与（yǔ）原子核衰变（biàn）时的弱（ruò）相互作用力（lì），却不（bú）参（cān）与重力、电磁力（lì）以及质子和中子结合的强相互作用力，因（yīn）此，它可以（yǐ）直（zhí）线高速运动，方向性（xìng）极强；
②中微子束在水中穿越时，会产生（shēng）光电效应，发出微弱（ruò）的蓝色闪光，且衰减（jiǎn）极小。
采用（yòng）中微（wēi）子束通信，可以确保点（diǎn）对点的通信，它方向性好，保密性极（jí）强，不受电磁波的（de）干扰，衰减极小（xiǎo）。据测定（dìng），用高能加速器产生高能（néng）中微子束，穿透整个地（dì）球后，衰减（jiǎn）不足（zú）千分之一，也就是说，从南（nán）美洲发出的中微（wēi）子束，可以直接穿透地（dì）球（qiú）到达北京，而（ér）中间不需卫星和（hé）中继站。另（lìng）外，中微子束通（tōng）信也可以应用到（dào）例如对（duì）潜等水下通信，发展前景极其（qí）广阔（kuò），但由于（yú）技术比较复杂，目前还停留在实验室阶段（duàn）。
四、水下无线通信的应用
海洋、湖（hú）泊等水下区域不但蕴（yùn）含（hán）着丰富（fù）的资源，也与人类（lèi）社会（huì）的发展构成直（zhí）接的关联。在传统的（de）陆空通信网络日（rì）趋完善的今天（tiān），水下通信的应（yīng）用正在逐渐增多（duō）。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（hù）繁琐昂贵，因此不适于（yú）水下节点间的动态（tài）通信。
水下无线通（tōng）信是以水（shuǐ）为媒质，利用不同（tóng）形式的载波传输数据、指令、语音、图像等信息的技术（shù），其应用方向主（zhǔ）要有：
①潜（qián）水员、无人潜航（háng）器（AUV）、水下机器人等（děng）水下运（yùn）动单元平台（tái）间的信息交（jiāo）换。
②海岸检测、水下节点的数据采集、导航与控制、水（shuǐ）下生态保护（hù）监（jiān）测（cè）等三维分布（bù）式传感（gǎn）网应用。
③水下传感网、水（shuǐ）下潜航单元与水面及陆上控制或（huò）中转（zhuǎn）平台间的（de）通信（xìn）。
由此可见，水下（xià）无线通信（xìn）技术在民用、科研（yán）及（jí）军事领域中前景广阔。由于（yú）水下复（fù）杂（zá）的时空环（huán）境，通信系（xì）统的有效信息（xī）传输（shū）率（lǜ）往往成为瓶颈（jǐng），这与不断增长的水（shuǐ）下通信（xìn）需求形成（chéng）矛盾。例（lì）如，潜（qián）航器的控制（zhì）需要（yào）100bps以上的数（shù）据率，水下传感组网的数据率（lǜ）需求将超过8kps，而（ér）传输声音、图像信息（xī）则需要更高的数（shù）据传输速（sù）率。由于传播媒质的（de）不（bú）同采用陆（lù）地、空气中常用的微波、超短波通信（xìn）方式，将带来极大（dà）的衰减。因（yīn）此，寻找更速的无线通（tōng）信技术，成为水下通信（xìn）研究领域的核心目标之一（yī）。
五、结语
水下无线（xiàn）通（tōng）信有三（sān）大类：水下电磁波通信、水声通信和水（shuǐ）下量（liàng）子通信，它们具有不同的特性（xìng）及（jí）应用场合。虽然电磁波（bō）在水中（zhōng）的衰减（jiǎn）较大，但受水文（wén）条件影响甚微，使得水（shuǐ）下电磁波通信相当稳定。水下（xià）电磁波通信的（de）发展趋势为（wéi）：既（jì）要提高发（fā）射天线辐射效（xiào）率（lǜ），又（yòu）要增加发射天（tiān）线（xiàn）的等效带宽，使（shǐ）之在增加辐射场强（qiáng）的同时（shí）提高（gāo）传输速率（lǜ）；应（yīng）用（yòng）微弱信号放大和检（jiǎn）测技术（shù）抑制和处（chù）理内部和外部（bù）的噪声干（gàn）扰，优选调制（zhì）解调技术和编译码技术来提高接（jiē）收机（jī）的（de）灵敏度和可（kě）靠性。
此（cǐ）外，已有学者在研（yán）究超窄带理论与技术，力争获得更高的频带利用率（lǜ）；也有学者正寻求能否突（tū）破香农极限（xiàn）的科学依据。
由于（yú）声（shēng）波在水中的衰减（jiǎn）最小，水声通信适用于（yú）中长距离的水下无线通信（xìn）。在（zài）目前（qián）及将来（lái）的（de）一段时间内（nèi），水（shuǐ）声通信是水下传感器网络（luò）当中主要的水（shuǐ）下无线通信方（fāng）式，但是水声（shēng）通信技术的数据传输率较低，因此通过克服多径（jìng）效应（yīng）等不利因素的手段，达到（dào）提高带宽利用效率的目的将是未（wèi）来水（shuǐ）声通（tōng）信技术的发展方向。
水下光通信具有数据传输率高的优点（diǎn），但是水下光通（tōng）信受（shòu）环境（jìng）的影（yǐng）响较大，克服环境的（de）影响是将来水下光通信技术的发展（zhǎn）方（fāng）向。
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