引      言

占據(jù)地球三分之二表面積的海洋是人類探索和研究的最前沿的領(lǐng)域之一。水下無線通信是實現(xiàn)海洋觀測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。在軍事領(lǐng)域，未來水下戰(zhàn)要求潛艇/無人潛航器能與水下、水面、空中有人/無人系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)，對水下通信技術(shù)提出了更高要求。

但海洋環(huán)境各種復雜因素使水下通信存在諸多技術(shù)難題，水下通信一直滯后于地面、空中和空間通信。為彌補這一差距，以美、日、俄為首的多個國家一直在致力發(fā)展水下通信技術(shù)，在水聲通信、電磁波水下通信、藍綠激光水下通信等技術(shù)上取得不少突破性進展。此外，又開發(fā)了水下量子通信、磁感應通信等新型水下通信技術(shù)。

尤其美國，近年來在水下聲通信基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域取得了豐碩的成果，編碼技術(shù)、信道均衡技術(shù)、糾錯及安全傳輸方面均取得重大進展，同時在水下電磁通信、光通信等非傳統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域也開展了大量的研究工作。這兩年，美海軍和DARPA等軍事部門針對實際作戰(zhàn)場景，在水下聲通信、無線電通信、光通信等領(lǐng)域均部署了重大應用項目，未來很可能突破水下通信和跨域通信的瓶頸。

水下無線通信技術(shù)概述

水下通信一般是指水上實體與水下目標（潛艇、無人潛航器、水下觀測系統(tǒng)等）的通信或水下目標之間的通信。水下通信主要應用聲波、低頻無線電和光波作為信息載體。

水聲通信具有遠距離傳輸?shù)膬?yōu)勢，被視為水下通信的主要手段，但水聲信道時變、噪聲高、多途干擾嚴重，通信速率低，最高只能達到幾十kb/s。

與水聲通信相比，水下電磁波傳播速度更快，信道條件更好，但信號衰減嚴重，通信距離小于100m，不能滿足遠距離水下組網(wǎng)的要求，且發(fā)射功率高、天線體積龐大。

水下光通信利用激光載波傳輸信息。由于波長450nm～530nm的藍綠激光在水下的衰減較其他光波段小得多，因此藍綠激光可作為窗口波段應用于水下通信。藍綠激光通信的優(yōu)勢是擁有幾種方式中最高的傳輸速率，在超近距離下，其速率可達100Mb/s，其他優(yōu)點還有接收天線較小。缺點是信號衰減同樣嚴重，且對介質(zhì)清澈程度要求較高。

水下通信應用方向主要有：

· 潛水員、無人潛航器（AUV）、水下機器人等水下運動單元平臺間的信息交換；

· 海岸檢測、水下節(jié)點的數(shù)據(jù)采集、導航與控制、水下生態(tài)保護監(jiān)測等三維分布式傳感網(wǎng)應用；

· 水下傳感網(wǎng)、水下潛航單元與水面及陸上控制或中轉(zhuǎn)平臺間的通信。

由此可見，水下通信技術(shù)在民用、科研及軍事領(lǐng)域中前景廣闊。由于水下復雜的時空環(huán)境、通信系統(tǒng)的有效信息傳輸率往往成為瓶頸，與不斷增長的水下通信需求形成矛盾。例如，潛航器的控制需要100b/s以上的數(shù)據(jù)率，水下傳感組網(wǎng)的數(shù)據(jù)率需求將超過8kb/s，而傳輸聲音、圖像信息則需要更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。因此，尋找更快速的無線通信技術(shù)成為水下通信研究領(lǐng)域的核心目標之一。

水下磁感應通信、水下中微子通信和引力波通信就是人們不斷探索發(fā)掘出的新型水下通信技術(shù)，具有更優(yōu)良的性能潛質(zhì)。磁感應通信是采用磁場為載體，通過改變磁場強度進行信息傳輸，水下磁感應通信具有隱蔽性強和傳輸速率高等特性優(yōu)勢；中微子波束可以在任何物質(zhì)里以光速獨往獨來，水下中微子通信保密性極強，衰減極小，可讓相距遙遠的兩艘潛艇實施不間斷的通信連接，讓在深海任意深度活動的潛艇直接與陸上的指揮中心聯(lián)系，在未來將有重要的戰(zhàn)略用途，尤其在有線通信受到破壞、無線通信又遭受強烈干擾的情況下；引力波是一種以光速傳播的橫波，具有很強的穿透力，沒有任何物質(zhì)能阻擋住引力波的傳播，在水中傳播距離超過1000km，將是大有發(fā)展前景的未來水下通信技術(shù)。

各種水下通信技術(shù)性能優(yōu)劣比較見表1。

表1 各種水下通信技術(shù)比較

近兩年來，業(yè)界和軍事部門在水聲通信、光通信、射頻通信等傳統(tǒng)水下通信領(lǐng)域的研究不斷取得突破性進展：美軍探索特低頻/甚低頻（ULF/VLF）水下通信技術(shù)新實現(xiàn)方法；美國業(yè)界在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)了隱秘性很強的水下磁感應通信；2017年我國成功完成了海水量子通信實驗，首次驗證了水下量子通信的可行性通信距離可達數(shù)百米，向未來建立水下及空海一體量子通信網(wǎng)絡邁出重要一步。

水聲通信技術(shù)出現(xiàn)突破性進展

作為主要的水下通信方式，水聲通信的技術(shù)難度很大，核心問題就是由水聲信道的時變性和空變性所帶來的強干擾問題，需采用有效的多普勒補償措施，確保低誤碼率，提高傳輸速率和通信距離，用于軍用目的還要考慮信息傳遞的安全和多址接入等問題。

水聲通信傳輸速率較低，短距離為幾百kb/s，遠距離速率更低。當前美軍現(xiàn)役水聲通信設備傳輸距離可達數(shù)千米，僅能傳輸語音信號，且易被敵方聲納偵察設備探測到，目前通常作為水下遠距離通信的輔助手段使用。另外水聲通信技術(shù)國際上缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標準，不同研發(fā)單位的產(chǎn)品之間互操作性差，制約了行業(yè)的發(fā)展與合作。

2017年水聲通信技術(shù)出現(xiàn)突破性發(fā)展，通信速率提高，通信距離增大，并頒布了首部水聲通信標準。

（1）韓國水聲通信技術(shù)現(xiàn)傳輸距離突破

2017年5月，韓國水下聲通信技術(shù)試驗實現(xiàn)傳輸距離突破，水深100米通信距離達到30千米，比現(xiàn)有技術(shù)傳輸距離提高了2倍以上。

（2）美國伯克利實驗室研發(fā)軌道角動量復用技術(shù)，實現(xiàn)深海水聲通信速率8倍提升

2017年6月，美國勞倫斯·伯克利國家實驗室完成螺旋聲波多路復用技術(shù)陸上實驗，驗證了聲波信號高效并行傳輸技術(shù)可行性，實現(xiàn)通信速率8倍提升，為破解遠距離水聲通信速率低的難題提供了新途徑。

水聲通信（特別是200米及以上距離）的可用帶寬限制在20KHz以內(nèi)的頻率范圍，這種低頻限制了數(shù)據(jù)傳輸率，只能達到每秒幾十kb的速度。研究人員創(chuàng)造性地采用了廣泛應用于電信和計算機網(wǎng)絡中的多路復用技術(shù)理念，將多路復用軌道角動量首次應用于聲學通信，在單個頻率上包裝更多的信道，顯著提高了信息傳輸速率。

這項研究在高速聲學通信方面具有巨大潛力。這項技術(shù)一旦應用，可成倍提高水聲通信容量，在海洋表面以下原本只能發(fā)送文字信息，而擴充容量后甚至可以傳輸高清電影。該創(chuàng)新方案將惠及潛水員、海洋調(diào)查船、遠程海洋監(jiān)測器、深海機器人，為潛艇、無人潛航器等武器裝備水下通信能力帶來大幅躍升。

（3）北約推出首個國際層面認可的水下通信協(xié)議

北約于2017年5月2日推出首個國際層面認可的水下通信協(xié)議——JANUS協(xié)議。

JANUS協(xié)議實際是一套將信息編碼為聲音的方法，可以很方便地整合進軍用或民用、北約或非北約系統(tǒng)中，用于反潛戰(zhàn)、反水雷戰(zhàn)、海上保衛(wèi)及搜救等行動。該協(xié)議的采納將改變不同國家、制造商的水下系統(tǒng)無法兼容的現(xiàn)狀。

水下低頻射頻通信雖然能實現(xiàn)長距離通信，但其發(fā)信臺站十分龐大，天線極長，抗毀能力差。1000公里波長的超長波電臺，一般都用1/8波長天線，天線長度達到125公里。例如，美國1986年建成并投入使用的超長波電臺天線橫亙135公里。

為此，美DARPA欲采用新的方法，研究使用數(shù)百赫茲～3千赫茲的特低頻（ULF）電磁波和3～30千赫茲的甚低頻（VLF）電磁波在水下傳輸信號，項目名稱為“機械天線”（AMEBA）。其根本目的是開發(fā)微型、全新的ULF/VLF信號發(fā)射機，單兵在陸上、水中、地下均可攜帶。

AMEBA項目研發(fā)經(jīng)費約為2300萬美元，按計劃應于2017財年第3季度正式啟動，共分為三個階段，第一階段為期18個月，第二階段為期15個月，第三階段為期12個月，將在大約4年的時間里推出產(chǎn)品。

傳統(tǒng)發(fā)射機依靠功率放大器電路產(chǎn)生振蕩電流，然后將電流饋入天線發(fā)射電磁波信號。與此不同，AMEBA項目研發(fā)的發(fā)射機由帶有強電場或強磁場的特殊材料的機械振動產(chǎn)生電磁波，比如利用磁棒或駐極體按特定速率反復移動產(chǎn)生ULF/VLF射頻信號。該發(fā)射機有兩個輸入端口，一個是供電端口，另一個是原始數(shù)據(jù)端口。采用功率射頻電路、匹配網(wǎng)絡、機械振動驅(qū)動、電磁波發(fā)射材料、天線結(jié)構(gòu)、熱管理組件、封裝與加固結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，在目標頻帶產(chǎn)生電磁波，并將原始數(shù)據(jù)調(diào)制到射頻載波上。

AMEBA項目研發(fā)的ULF/VLF發(fā)射機具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，可裝備潛艇、無人潛航器、浮標、蛙人等，提高水下遠距離通信能力。

然而，這項技術(shù)目前面臨一系列挑戰(zhàn)，包括如何用體積較小的部件產(chǎn)生強大的磁場和電場，同時功率需求要低于此前VLF及ULF發(fā)射器需要的功率。解決這些問題需要化學與材料方面的創(chuàng)新（新的磁體和永電體）、設計方面的創(chuàng)新（材料的形狀和結(jié)構(gòu)）以及機械工程方面的創(chuàng)新（相關(guān)磁體和永電體機械運動生成RF信號的方法）。

世界上首個海水量子通信實驗獲得成功，水下通信或?qū)⑷〉猛黄?/span>

與目前成熟的通信技術(shù)相比，量子通信優(yōu)越性明顯，具有保密性強、大容量、遠距離傳輸?shù)忍攸c，不僅在軍事、國防等領(lǐng)域具有重要的作用，而且會極大地促進國民經(jīng)濟的發(fā)展，被認為是未來通信技術(shù)的發(fā)展方向。

量子通信的天然安全性滿足水下軍事通信的基本要求。相較于甚低頻、特低頻以及水聲通信，量子通信傳輸機制不受海洋時間、頻率彌散嚴重的非平穩(wěn)傳輸鏈路特性影響，也不受限于海流、內(nèi)波、海洋生物等干擾噪聲綜合影響，且傳輸速率遠遠高于甚低頻、特低頻以及水聲通信手段。

目前，中國團隊已驗證了基于海水的量子通信理論上可行。2017年9月，上海交通大學金賢敏團隊成功完成了首個海水量子通信實驗，觀察到了光子極化量子態(tài)和量子糾纏可在海水中保持量子特性，其水下量子通信距離可達900米。

該實驗意義重大，在國際上首次驗證了水下量子通信的可行性。除了主要用于潛艇通信外，水下量子通信技術(shù)還可以用于海底光纜通信、聯(lián)合作戰(zhàn)的空海一體通信以及蛙人特戰(zhàn)通信和水下救援、水下作業(yè)通信等方面。

雖然目前只是朝水下量子通信邁出了第一步，離實用化的水下、空海一體量子通信網(wǎng)絡還有一段距離，但可以肯定，一旦水下量子通信實現(xiàn)工程化，通信距離和安全性都能獲得質(zhì)的提升，無疑將極大地強化對潛艇的指揮控制，并顛覆未來的海戰(zhàn)模式。

業(yè)界和軍事部門持續(xù)研究水下藍綠激光通信技術(shù)，日本取得突破性進展

藍綠激光水下通信利用波長為450～530納米的藍綠色光在水下衰減較小的原理，具有海水穿透能力強、數(shù)據(jù)傳輸速率快、方向性好、設備輕巧且抗截獲和抗核輻射影響能力好等優(yōu)點，得到快速發(fā)展和廣泛研究業(yè)界和軍事部門一直在持續(xù)研究。

激光對潛通信有星載、陸基和機載三種工作方式。星載方式，激光發(fā)射機安裝在衛(wèi)星上，地面站通過射頻信道將信息發(fā)送給衛(wèi)星，由衛(wèi)星通過激光信道轉(zhuǎn)發(fā)給潛艇。陸基方式，設在地面的激光發(fā)射機將激光束射向空載反射器，空載反射器再將激光束反射給水下潛艇。機載方式，激光發(fā)射機安裝在飛機上，地面站通過射頻信道將信息發(fā)送給飛機，再通過機載激光發(fā)射機將信息轉(zhuǎn)發(fā)給潛艇。具體運用時，在近海時，激光可以由高空無人機或者大型飛機向預定水域發(fā)射，但當潛艇行駛的過遠時，則只能采取衛(wèi)星。發(fā)射方式一般采取直接發(fā)射和反射兩種，前者是利用平臺直接向特定水域發(fā)射通信激光，后者則是經(jīng)過數(shù)次反射到達既定區(qū)域，例如地面站向衛(wèi)星發(fā)送激光，激光再利用反射鏡面對該激光進行反射，使其傳輸?shù)教囟ㄋ驅(qū)崿F(xiàn)通信。

目前，對潛藍綠激光通信最大穿透海水深度可達到600米，遠比甚低頻和特低頻等射頻信號強，且數(shù)據(jù)傳輸速率可達100Mb/s量級，遠高于射頻信號。其不足之處在于光源易被敵方的可視偵察手段探知，且通信設備復雜，技術(shù)難度較大。目前基本上尚處于研制、試用階段，前景難料。

自美國海軍從1977年提出衛(wèi)星-潛艇通信的可行性研究后，激光對潛通信迅速成為美國的戰(zhàn)略性研究計劃。經(jīng)過10年不間斷的藍綠激光通信試驗，美軍目前已形成較為明朗的衛(wèi)星-潛艇激光通信發(fā)展方向。美軍在由波音飛機改造而來的E-6“水星”對潛通信飛機上加裝了機載藍綠激光通信系統(tǒng)，已經(jīng)取得了一定的數(shù)據(jù)通信效果。美國國防部高級研究計劃局（DARPA）正在以地球同步衛(wèi)星為平臺，開展雙工衛(wèi)星-潛艇藍綠激光通信系統(tǒng)的研制。2017年3月，美國海軍空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部發(fā)布“模塊化光學通信”（OCOMMS）載荷項目公告，旨在設計可用于有人潛艇/無人潛航器與飛機、水下平臺間的全雙工通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)無需水面通信轉(zhuǎn)換節(jié)點，水下平臺間通信速率不低于1kb/s，未來有望實現(xiàn)更高速率，空中通信距離超過27千米，水中深度超過30米，并且具有低截獲概率和低探測概率（LPI/LPD）特性。

2017年7月，業(yè)界在在藍綠激光水下無線通信中取得了突破性進展。日本國立海洋研究開發(fā)機構(gòu)在日本防衛(wèi)省的資金支持下在水深700米至800米的海洋環(huán)境完成了水下移動物體間藍綠激光無線通信，通信距離超過100米，通信速率達20MbB/s（這一速度可實時傳輸視頻畫面）。這預示著該技術(shù)向?qū)嵱没诌~出堅實的一步。這一技術(shù)將來有望應用于海底探測等水下作業(yè)、海底觀測儀器與船舶及無人機之間的通信以及潛艇通信等軍事領(lǐng)域。

磁感應通信憑借先天的技術(shù)優(yōu)勢，成為未來水下通信值得關(guān)注領(lǐng)域

磁感應通信是近兩年開始研究的新型通信手段。它采用磁場為載體，通過改變磁場強度進行信息傳輸，兼顧了光通信與電磁波通信的優(yōu)勢，其傳輸距離可達100米，速率可達Mb/s量級，且具有極強的隱蔽性，在土壤、水下等具挑戰(zhàn)性的嚴酷環(huán)境具有喜人的特性優(yōu)勢。

磁感應通信原理圖如圖1所示。磁感應通信是應用電磁感應原理，利用發(fā)送線圈和接收線圈的電磁耦合，實現(xiàn)待傳輸信息由發(fā)送模塊到接收模塊的非接觸傳輸。信號發(fā)生器輸出信號，控制發(fā)送線圈驅(qū)動電路的運行方式，達到改變發(fā)送線圈端電壓參數(shù)的目的；根據(jù)電磁感應原理，接收線圈能夠感知這種變化，并且體現(xiàn)在其端電壓中。感應接收模塊對接收線圈端電壓進行處理，將端電壓的參數(shù)變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即可得到通信接收信號。

圖1磁感應通信原理

磁感應通信過程本質(zhì)上是一個數(shù)字通信過程，包含了信源信息的編碼、調(diào)制、驅(qū)動和發(fā)射，同時接收模塊對信息的接收過程也要完成濾波、解調(diào)、解碼和識別等。

和通常水下通信應用的聲、光和電磁通信技術(shù)相比，磁感應通信的信號傳播延遲幾乎可忽略，信道穩(wěn)定，通信距離較長，數(shù)據(jù)傳輸速率較高。

磁感應水下通信的潛質(zhì)特性帶來了許多新興水下應用，如：水下成群機器人協(xié)同感應和跟蹤、隱密和實時的水下監(jiān)視和巡查、水下雜亂環(huán)境的災害評估和救援等等。

隨著海軍潛艇、無人潛航器以及傳感器等裝備的迅速發(fā)展，如何在水下進行高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸成為海軍當前亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。磁感應通信技術(shù)憑借天生的安全優(yōu)勢（在保證傳輸速率的同時極難被偵測），成為未來水下通信值得關(guān)注的領(lǐng)域。

美DARPA重視磁感應通信技術(shù)的開發(fā)，大力支持相關(guān)高校和研究單位開展研究。喬治亞理工大學和紐約州立大學的研究人員于2015年在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)了水下磁感應通信，并在2016年7月將傳輸速率提高到約26Mb/s。

水下通信技術(shù)軍事應用分析

當前，隨著無人與智能化裝備的快速發(fā)展，水下通信技術(shù)逐漸成為影響水下作戰(zhàn)部隊信息化作戰(zhàn)的瓶頸，無法支持復雜戰(zhàn)場態(tài)勢信息實時傳輸?shù)男枨螅媾R較大挑戰(zhàn)。首先，在傳輸速率方面，水聲通信、射頻通信和光通信等傳統(tǒng)手段無法很好地滿足視頻傳輸、復雜戰(zhàn)場信息傳輸?shù)任磥硇畔⒒鲬?zhàn)需求。其次，在傳輸隱蔽性方面，水聲通信和光通信容易暴露自身目標，具有先天難以彌補的劣勢。新興的磁感應通信技術(shù)的出現(xiàn)有可能解決上述弊端，在保證傳輸速率和安全性的同時，適應各種復雜的水文環(huán)境，具有成為未來水下通信系統(tǒng)首選方案的潛質(zhì)。

綜合分析得知，由于受到聲通信速率慢、無線電通信傳輸距離不超過一百米、光通信對水介質(zhì)清澈度要求高等限制，導致目前水下通信單一應用哪種通信技術(shù)均無法取到良好效果。

通過分析近期水下通信研究項目，可知美軍針對不同實現(xiàn)技術(shù)的特點，對水下通信領(lǐng)域進行了充分考量和全方位的布局，力求實現(xiàn)技術(shù)的重點突破，主要發(fā)展思路為：

一方面充分考量聲通信、無線電通信、光通信的優(yōu)劣與適用條件，均安排了相關(guān)的應用項目，力求通過另辟蹊徑的方式推動單項技術(shù)取得重大進步。根據(jù)實際的作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)需求，靈活選擇高效經(jīng)濟的通信方式，通過優(yōu)化配置的方式實現(xiàn)通信能力的提升，如水下聲通信速率很慢，短時間難以實現(xiàn)巨大突破滿足作戰(zhàn)需求，通過發(fā)展通信速率較快的無線電通信、光通信，應用于短距離或清澈水域等適宜環(huán)境，可以極大擴展水下數(shù)據(jù)傳輸容量。

一方面在布局水下通信應用項目時，根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)需求優(yōu)化局部網(wǎng)絡、設備間的通信方案：水下水上作戰(zhàn)群需要跨域通信指控能力以實現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)，在水下、水下到空中綜合運用聲、光、電磁等通信技術(shù)手段，力求在各通信技術(shù)擅長的應用領(lǐng)域取得突破，在作戰(zhàn)應用時采用最優(yōu)的通信技術(shù)方案，實現(xiàn)整體的擴頻、增速、安全通信。對于信息流較大的水下無人系統(tǒng)集群或潛艇與無人系統(tǒng)組成的作戰(zhàn)群可以選擇短距離、快速、寬帶的無線電通信和光通信，對于遠距離、信息量少的群間通信或通信較少的群內(nèi)通信可以選擇聲通信，雙向通信浮標、水面艇、無人機可作為通信中繼實現(xiàn)水下水上少量數(shù)據(jù)的跨域傳輸，光通信可實現(xiàn)水下水上的高速通信。

總之，通過綜合運用各種通信技術(shù)，可以對單一的某種通信技術(shù)實現(xiàn)擴頻、提速、增大距離、增加安全性，相當于在一定條件下可以實現(xiàn)寬帶、高速、遠距離、安全的水下通信。屆時水下通信速率、距離、容量、安全性能夠使?jié)撏?、水下無人系統(tǒng)平臺、傳感器形成水下聯(lián)合作戰(zhàn)網(wǎng)絡，并通過多種跨域通信技術(shù)與水上作戰(zhàn)網(wǎng)實現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)，支撐水面網(wǎng)絡中心戰(zhàn)、分布式殺傷概念向水下擴展，促進整體水下戰(zhàn)能力提升。

結(jié)      語