水下通讯技术的分类、特征、应用及其最新研究进展
海洋覆盖着地球三分之二的表面积，它是人类探求和研究的最前沿的领域之一。海洋除了在国际商业和渔业中饰演重要的角色，并且还包含了有关气候的信息，以及大量亟需开发的资源。
水下无线通讯是研发海洋观测系统的关键技术，利用海洋观测系统，可以采集有关海洋学的数据，检测环境污染，气候变化海底异常水灾火山活动，探察海底目标，以及远距离图象传输。水下无线通讯在军事中也起到至关重要的作用，但是水下无线通讯也是水下传感网路的关键技术。
水下无线通讯主要可以分成三大类：水下电磁波通讯、水声通讯和水下量子通讯，它们具有不同的特点及应用场合。
一、水下电磁波通讯⒈水下电磁波传播特性
无线电波在海水中衰减严重宇宙 量子通讯，频度越高衰减越大。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。低频短波无线电波水下实验可以达到6～8m的通讯距离。30～300Hz的超低频电磁波对海水穿透能力可达100多米，但须要很长的接收天线，这在容积较小的水下节点上难以实现。为此，无线电波只能实现短距离的高速通讯，不能满足远距离水下组网的要求。
不仅海水本身的特点对水下电磁波通讯的影响外，海水的运动对水下电磁波通讯同样有很大的影响。水下接收点相移份量均值和均残差均与选用电磁波的频度有关。水下接收点相移份量的均值随着接收点的平均深度的降低而线性减小，电场相移份量的均残差大小受海浪的波动大小影响，海浪运动的随机性造成了电场相移份量的标准差呈对数指数分布。
⒉传统的水下电磁波通讯
电磁波作为最常用的信息载体和窥探手段，广泛应用于陆上通讯、电视、雷达、导航等领域。20世纪上半叶，人们仍然旨在于将模拟通讯移至水底。水下电磁通讯可溯源至第一次世界大战期间，当时的欧洲最先使用电磁波进行了舰艇通讯实验。第二次世界大战期间，德国科学研究发展局曾对潜水员间的短距离无线电磁通讯进行了研究，但因为水底电磁波的严重衰减，实用的水下电磁通讯一度被觉得难以实现。
直到60年代，甚低频（VLF）和超低频（SLF）通讯才开始被各国空军大量研究。甚低频的频度范围在3～30kHz，其似乎可覆盖几千米的范围，但仅能为水下10～15米深度的舰艇提供通讯。由反侦查及潜航深度要求，超低频（SLF）通讯系统投入研发。SLF系统的频度范围为30～300Hz，印度和巴基斯坦等国采用76Hz和82Hz附近的典型频度，可实现对水下超过80米的军舰进行指挥通讯，因而超低频通讯承当着重要的战略意义。并且，SLF系统的地基天线达几十千米，拖曳天线宽度也超过千米，发射功率为兆瓦级，通讯速度高于1bp，仅能下达简单指令，难以满足高传输速度需求。
⒊水下无线射频通讯
射频（RF）是对频度低于10kHz，才能幅射到空间中的交流变化的高频电磁波的简称。射频系统的通讯质量有很大程度上取决于调制方法的选定。前期的电磁通讯一般采用模拟调制技术，极大地限制了系统的性能。近些年来，数字通讯日渐发展。相比于模拟传输系统，数字调制混频具有更强的抗噪音性能、更高的信道耗损容忍度、更直接的处理方式（数字图象等）、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偏差。使用数字技术可将-以下的弱讯号从存在的严重噪音的调制讯号中译码下来，在衰减容许的情况下，才能采用更高的工作频度，因而射频技术应用于浅水近距离通讯成为可能。这对于满足快速下降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讯技术，射频技术具有多项优势：
⑴通信速度高。可以实现水下近距离，高速率的无线双工通讯。近距离无线射频通讯可采用远低于水声通讯（50kHz以下）和甚低频通讯（30kHz以下）的扩频频度。若借助以上的工作频度，配合正交幅度调制（QAM）或多扩频调制技术，将使以上的数据的高速传输成为可能。
⑵抗噪音能力强。不受近水水域海浪噪音、工业噪音以及自然光幅射等干扰，在混浊、低可见度的恶劣水下环境中，水下高速电磁通讯的优势尤其显著。
⑶水下电磁波的传播速率快，传输延后低。频度低于10kHz的电磁波，其传播速率比声波高100倍以上，且随着频度的降低，水下电磁波的传播速率迅速降低。由此可知，电磁通讯将具有较低的延后，受时延效应和多普勒串扰的影响远远大于水声通讯。
⑷低的界面及障碍物影响。可轻易穿透水与空气分界面，甚至泥岩与浮冰盖，实现水下与岸上通讯。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构建通讯联接。
⑸无须精确对准，系统结构简单。与激光通讯相比，电磁通讯的对准要求显著增加，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，因而电磁系统容积小，利于安装与维护。
⑹功耗低，供电便捷。电磁通讯的高传输比特率促使单位数据量的传输时间降低，帧率增加。同时，若采用磁祸合天线，可实现无硬联接的高效电磁能量传输，大大降低了水下封闭单元的工作时间，有利于分布式传感器网路应用。
⑺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，才能提升水下通讯的安全性。
⑻对水生生物无影响。愈加有利于生态保护。
⒋水下电磁波通讯的新进展
水下低频射频通讯其实能实现长距离通讯，但其发信台站非常庞大，天线极长，抗毁能力差。1000公里波长的超短波电台，通常都用1/8波长天线，天线宽度达到125公里。诸如，日本1986年建成并投入使用的超短波电台天线矗立135公里。
因此，美DARPA欲采用新的方式，研究使用数百赫兹～3千赫兹的特低频（ULF）电磁波和3～30千赫兹的甚低频（VLF）电磁波在水下传输讯号，项目名称为“机械天线”（AMEBA）。其根本目的是开发微型、全新的ULF/VLF讯号发射机，单兵在陆上、水中、地下均可携带。AMEBA项目研制经费约为2300万欧元，按计划应于2017财年第3季度即将启动，共分为三个阶段，第一阶段为期18个月，第二阶段为期15个月，第三阶段为期12个月，将在大概4年的时间里推出产品。
近些年来，日本在水下声通讯基础技术领域取得了丰硕的成果，编码技术、信道均衡技术、纠错及安全传输方面均取得重大进展。同时在电磁通讯、光通讯等非声通讯基础技术领域也举办了大量的研究工作，取得了一定的进展，为后续方案设计和研制奠定了良好的基础。2016年底至2017年初，美空军和DARPA等机构，面对实际作战场景，在水下声通讯、无线电通讯、光通讯等领域均布署了重大应用项目。一方面得益于近些年基础技术的积累，一方面充分借助空军、DARPA那些善于借助创新思维、攻克困局技术、形成颠覆性作战能力的机构的优势，上述重大项目落地指日可待，未来很可能突破水下通讯和跨域通讯的困局。
二、水声通讯
水声通讯是其中最成熟的技术。声波是水底信息的主要载体，己广泛应用于水下通讯、传感、探测、导航、定位等领域。声波属于机械波（纵波），在水下传输的讯号衰减小（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展至几十公里，适用于室温稳定的深水通讯。
⒈水声信道的特点
声波在水面附近的典型传播速度为1520m/s，比电磁波的速度低5个数目级，与电磁波和光波相比较，声波在海水中的衰减小得多。
水声通讯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特别复杂的介质空间，它具有内部结构和奇特的上下表面，能对声波形成许多不同的影响。
⑴多径效应严重。当传输距离小于水深时，同一杂波内从不同路径传输的声波，会因为路径宽度的差别，形成能量的差别和时间的延后使讯号串扰，致使波形的码间干扰。当带宽为4kHz时，巧米的路径差即会导致10纳秒的信噪比，使每位讯号并发40个干扰讯号。这是限制数据传输速率并降低误分辨率的主要诱因。
⑵环境噪音影响大。干扰水声通讯的噪音包括沿岸工业、水面作业、水下动力、水生生物形成的活动噪音，以及水面波浪、波涛拍岸、暴风雨、气泡带来的自然噪音。这种噪音会严重影响讯号的杂讯。
⑶通信速度低。水下声信道的随机变化特点，造成水下通讯带宽非常有限。短距离、无时延效应下的带宽很难超过50kHz，虽然采用16-QAM等多扩频调制技术，通讯速度只有Ikbps-。当工作于复杂的环境中，通讯速度可能会高于Ikbps。
⑷多普勒效应、起伏效应等。由发送与接收节点间的相对位移形成的多普勒效应会造成扩频偏斜及讯号幅度的增加，与扩频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，会使声讯号形成随机的起伏，严重影响系统性能。
⑸其他。声波几乎难以跨越水与空气的界面传播；声波受湿度、盐度等参数影响较大；隐蔽性差；声波影响水下生物，造成生态破坏。
⒉水声通讯技术
水声信道一个非常复杂的时延传输的信道，但是环境噪音高带宽窄可适用的扩频频度低以及传输的信噪比大。为了克服这种不利诱因，并尽可能地提升带宽借助效率，早已出现多种水声通讯技术。
⑴单边带调制技术。世界上第一个水声通讯系统是日本陆军水声实验室于1945年研发的水下电话，主要用于导弹之间的通讯。该模拟通讯系统使用单边带调制技术，扩频频段为8～15kHz，工作距离可达几公里。
⑵频移键控（FSK）。频移键控的通讯系统从上世纪70年代后期开始出现到目前，在技术上逐步提高频移键控须要较宽的频带长度，单位带宽的通讯速度低，并要求有较高的码率。
⑶相移键控（PSK）。上世纪80年代初，水下声通讯中开始使用相移键控调制方法。相移键控系统大多使用差分相移键控方法进行调制，接收端可以用差分相干方法译码。采用差分相干的差分调相不须要相干扩频，并且在抗频漂、抗时延效应及抗相位慢晃动方面，都优于采用非相干译码的绝对调相。但因为参考相位中噪音的影响，抗噪音能力有所增长。
近些年来，水声通讯在以下两个方面取得了很大的进步：
⑷多扩频调制技术。
⑸多输入多输出技术。
⒊水声通讯的新突破
作为主要的水下通讯方法，水声通讯的技术难度很大，核心问题就是由水声信道的时变性和空变性所带来的强干扰问题，需采用有效的多普勒补偿举措，确保低误分辨率，提升传输速度和通讯距离，用于军用目的还要考虑信息传递的安全和多址接入等问题。2017年水声通讯技术出现突破性发展，通讯速度提升，通讯距离减小，并出台了首部水声通讯标准。
⑴韩国水声通讯技术现传输距离突破
2017年5月，美国水下声通讯技术试验实现传输距离突破，水深100米通讯距离达到30千米，比现有技术传输距离提升了2倍以上。
⑵美国伯克利实验室研制轨道角动量复用技术，实现深海水声通讯速度8倍提高
2017年6月，英国劳伦斯伯克利国家实验室完成螺旋声波多路复用技术陆上实验，验证了声波讯号高效并行传输技术可行性，实现通讯速度8倍提高，为破解远距离水声通讯速度低的困局提供了新途径。
水声通讯（非常是200米及以上距离）的可用带宽限制在20KHz以内的频度范围，这些低频限制了数据传输率，只能达到每秒几十kb的速率。研究人员创造性地采用了广泛应用于联通和计算机网路中的多路复用技术理念，将多路复用轨道角动量首次应用于声学通讯，在单个频度上包装更多的信道，明显增强了信息传输速度。
这项研究在高速声学通讯方面具有巨大潜力。这项技术一旦应用，可成倍提升水声通讯容量，在海洋表面以下本来只能发送文字信息，而扩展容量后甚至可以传输高清影片。该创新方案将造福潜水员、海洋调查船、远程海洋检测器、深海机器人，为导弹、无人潜航器等装备武器水下通讯能力带来急剧跃升。
⑶北约推出首个国际层面认可的水下通讯合同
俄军于2017年5月2日推出首个国际层面认可的水下通讯合同–JANUS合同。
JANUS合同实际是一套将信息编码为声音的方式，可以很便捷地整合涉足用或民用、北约或非俄军系统中，用于反舰战、反水雷战、海上保卫及救援等行动。该合同的采纳将改变不同国家、制造商的水下系统难以兼容的现况。
三、水下量子通讯⒈水下激光通讯
水下激光通讯技术借助激光扩频传输信息。因为波长450nm～530nm的蓝绿激光在水下的衰减较其他光波段小得多，因而蓝绿激光作为窗口波段应用于水下通讯。蓝绿激光通讯的优势是拥有几种方法中最高传输速度。在超近距离下，其速度可抵达级。蓝绿激光通讯方向性好，接收天线较小。蓝绿激光水下通讯具有海水穿透能力强、数据传输速度快、方向性好、设备轻巧且抗查获和抗核幅射影响能力好等优点，得到快速发展和广泛研究业界和军事部门仍然在持续研究。
70年代初，水下激光技术的军事研究开始遭到注重。90年代初，苏军完成了中级阶段的蓝绿激光通讯系统实验。但激光通讯目前主要应用于卫星对潜通讯，水下收发系统的研究滞后。蓝绿激光应用于浅水近距离通讯存在固有难点：
⑴散射影响。水底漂浮颗粒及底栖生物会对光形成显著的散射作用，对于混浊的浅水近距离传输，水下粒子引起的散射比空气中要强三个数目级，透过率显著减少。
⑵光讯号在水底的吸收效应严重。包括水媒质的吸收、溶解物的吸收及漂浮物的吸收等。
⑶背景幅射的干扰。在接收讯号的同时，来自海面外的强烈自然光，以及水下生物的幅射光也会对接收杂讯产生干扰。
⑷高精度瞄准与实时跟踪困难。浅水区域活动繁杂，联通的收发通讯单元，在水下保持实时对准非常困难。但是因为激光只能进行视距通讯，两个通讯点间随机的遮挡还会影响通讯性能。
由以上剖析可知，因为固有的传输特点，水声通讯和激光通讯应用于浅水领域近距离高速通讯时遭到局限。
目前，对潜蓝绿激光通讯最大穿透海水深度可达到600米，远比甚低频和特低频等射频讯号强，且数据传输速度可达100Mb/s量级，远低于射频讯号。其不足之处在于光源易被敌军的可视侦察手段窥探，且通讯设备复杂，技术难度较大。目前基本上尚处于研发、试用阶段，前景堪忧。
2017年7月，业界在在蓝绿激光水下无线通讯中取得了突破性进展。俄罗斯国立海洋研究开发机构在台湾防卫省的资金支持下在水深700米至800米的海洋环境完成了水下联通物体间蓝绿激光无线通讯，通讯距离超过100米，通讯速度达20MbB/s（这一速率可实时传输视频画面）。这喻示着该技术向实用化又迈出坚实的一步。这一技术将来有望应用于海底侦测等水下作业、海底观测仪器与船舶及无人机之间的通讯以及导弹通讯等军事领域。
⒉水下中微子通讯
中微子是一种穿透能力很强的粒子，静止质量几乎为零，且不带电荷宇宙 量子通讯，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觉了它。
通过实验证明，中微子集聚运动的粒子束具有两个特征：
⑴它只参与原子核衰变时的弱互相斥力，却不参与重力、电磁力以及质子和中子结合的强互相斥力，因而，它可以直线高速运动，方向性极强；
⑵中微子束在水底穿越时，会形成光电效应，发出微弱的白色闪光，且衰减极小。
采用中微子束通讯，可以确保点对点的通讯，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，用高能加速器形成高能中微子束，穿透整个月球后，衰减不足千分之一，也就是说，从南非洲发出的中微子束，可以直接穿透月球抵达南京，而中间不需卫星和中继站。另外，中微子束通讯也可以应用到诸如对潜等水下通讯，发展前景十分宽广，但因为技术比较复杂，目前还逗留在实验室阶段。
⒊水下量子通讯的新发展
量子通讯技术是以单光子为信息载体，结合量子叠加和量子不可克隆等量子力学基本数学原理，和通讯与系统、计算机科学，以及光科学与工程等学科交叉融合发展上去的新一代信息技术。量子通讯有望帮助人类实现真正意义的无条件安全的保密通讯，在未来的金融、军事、公共信息安全等方面诠释出极大的发展前景，已成为未来信息技术发展的重要战略性方向之一。基于光纤和自由空间大气信道的量子通讯早已被证明是可行的，近些年来得到了长足的发展。但是覆盖了月球70%的海洋是否可以被用作量子信道依然是未知的。缺乏了海洋，全球化的量子通讯网是不完整的。
不久前，北京交通学院金贤敏团队成功实现了首个海水量子通讯实验，观察到了光子极化量子态和量子纠缠可以在高耗损和高散射的海水中保持量子特点，国际上首次实验验证了水下量子通讯的可行性，这标志着向未来构建水下以及空海一体量子通讯网路迈出了重要一步。证明了量子通讯技术除了可以“上天、入地”，还可以“下海”。
首先，是海水对光的耗损问题。在海水中，很强的吸收和散射看上去对光的传输十分不利，这也是为何海水乍看上去并不是做为量子通讯的好的介质。克服这个困难的方式是借助405nm的光子，这个波段坐落海水的“蓝绿窗口”，在此窗口内，海水的吸收较其他波段要弱。为了验证海水作为量子通讯信道的可行性，并不失通常性，她们在提取海水样本时，均取自上海市到獐子岛之间沿岸海域不同位置的表层海水（见右图）。
其次，是量子态在海水中的抗干扰能力。对应精典信息中的比特，量子比特是量子通讯的基本单元。那经过海水信道以后，量子比特能够“存活”下来呢？实验给出的回答是肯定的。研究人员借助光子的极化做编码，海水是一种各向同性介质，因而不会有很强的退极化效应，这就为极化编码的量子比特穿越海水提供了前提。实验也验证了光子的极化能在海水分子的多次碰撞中存活并传输,任何发生退极化的光子都可以通过混频的形式给以滤除。
据悉，这次实验还借助量子过程层析来描画海水信道中初末态转化的化学过程，实验结果显示海水信道的综合作用类似于一个单位矩阵，虽然经历了海水巨大的信道耗损，只要有少量的单光子存活出来，极化编码的光子只会遗失，而不会发生不可接受的量子比特翻转，依然可以被用于构建安全秘钥。
最后，我们实验验证了光子的纠缠特点能够在海水信道中保持出来。量子纠缠作为一种重要的资源，被广泛应用于量子信息科学，包括量子通讯、量子隐型传态等。为此，研究海水对纠缠源品质影响，是探求未来海水量子通讯实用化十分重要的一步。
四、水下无线通讯的应用
海洋、湖泊等水下区域不但蕴涵着丰富的资源，也与人类社会的发展构成直接的关联。在传统的陆空通讯网路日趋健全的明天，水下通讯的应用正在逐步增多。有缆通讯方法使目标的活动区域大大遭到限制，且安装、使用、维护冗长高昂，因而不易于水下节点间的动态通讯。
水下通讯通常是指水上实体与水下目标（导弹、无人潜航器、水下观测系统等）的通讯或水下目标之间的通讯。水下通讯主要应用声波、低频无线电和光波作为信息载体。水下无线通讯是以水为媒质，借助不同方式的扩频传输数据、指令、语音、图像等信息的技术，其应用方向主要有：
⑴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。
⑵海岸测量、水下节点的数据采集、导航与控制、水下生态保护检测等三维分布式传感器网应用。
⑶水下传感器网、水下潜航单元与海面及陆上控制或中转平台间的通讯。可见，水下无线通讯技术在民用、科研及军事领域中前景辽阔。因为水下复杂的时空环境，通讯系统的有效信息传输率常常成为困局，这与不断下降的水下通讯需求产生矛盾。诸如，潜航器的控制须要以上的数据率，水下传感器组网的数据率需求将超过8kps，而传输声音、图像信息则须要更高的数据传输速度。因为传播媒质的不同采用陆地、空气中常用的微波、超短波通讯方法，将带来极大的衰减。因而，找寻更速的无线通讯技术，成为水下通讯研究领域的核心目标之一。
水下磁感应通讯、水下中微子通讯和引力波通讯就是人们不断探求开掘出的新型水下通讯技术，具有更优良的性能潜质。磁感应通讯是采用磁场为载体，通过改变磁场硬度进行信息传输，水下磁感应通讯具有隐蔽性强和传输速度高等特点优势；中微子杂波可以在任何物质里以光速独往独来，水下中微子通讯保密性极强，衰减极小，可让相距遥远的两艘军舰施行不间断的通讯联接，让在深海任意深度活动的导弹直接与陆上的指挥中心联系，在未来将有重要的战略用途，尤其在有线通讯遭到破坏、无线通讯又遭到强烈干扰的情况下；引力波是一种以光速传播的横波，具有很强的穿透力，没有任何物质能抵挡住引力波的传播，在水底传播距离超过，将是大有发展前景的未来水下通讯技术。
近五年来，业界和军事部门在水声通讯、光通讯、射频通讯等传统水下通讯领域的研究不断取得突破性进展：德军探求特低频/甚低频（ULF/VLF）水下通讯技术新实现方式；日本业界在实验室环境下实现了隐秘性很强的水下磁感应通讯；2017年北京交通学院金贤敏团队成功完成了海水量子通讯实验，首次验证了水下量子通讯的可行性通讯距离可达数百米，向未来构建水下及空海一体量子通讯网路迈出重要一步。
五、结语
水下无线通讯有三大类：水下电磁波通讯、水声通讯和水下量子通讯，它们具有不同的特点及应用场合。
尽管电磁波在水底的衰减较大，但受水文条件影响甚少，致使水下电磁波通讯相当稳定。水下电磁波通讯的发展趋势为：既要提升发射天线幅射效率，又要降低发射天线的等效带宽，使之在降低幅射场强的同时提升传输速度；应用微弱讯号放大和测量技术抑制和处理内部和外部的噪音干扰，优选调制译码技术和编译码技术来提升接收机的灵敏度和可靠性。据悉，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借助率；也有学者正寻求能够突破香农极限的科学根据。
因为声波在水底的衰减最小，水声通讯适用于中长距离的水下无线通讯。在目前及将来的一段时间内，水声通讯是水下传感网路当中主要的水下无线通讯方法。并且水声通讯技术的数据传输率较低，因而通过克服扩频效应等不利诱因的手段，达到提升带宽借助效率的目的将是未来水声通信技术的发展方向。
水下光通讯具有数据传输率高的优点，而且水下光通讯受环境的影响较大克服环境的影响是将来水下光通讯技术的发展方向。
重庆交通学院金贤敏团队成功实现首个海水量子通讯实验，在国际上首次验证了水下量子通讯的可行性，为量子通讯技术上天、入地、下海的未来图景添上了浓墨工笔的一笔。金贤敏团队的实验结果显示，可预期的水下量子通讯最远距离可达数百米，足以对水下百米量级的舰艇和传感器网路节点等进行保密通讯，因而在军事和高商业绝密领域大显身手。
她们在实验中选择光子的极化作为信息编码载体，并通过模拟证明，虽然经历了海水巨大的信道耗损，极化编码的光子也只会遗失，而不会发生量子比特翻转，也就是说，只要留存下少量单光子，仍可被用于构建安全秘钥。期盼在不久的将来，可实用的水下、空海一体的量子通讯时代才会到来。