海洋（yáng）覆盖（gài）着地球三分（fèn）之二的表面积，它是（shì）人类探索和研（yán）究（jiū）的最前沿（yán）的领（lǐng）域之一。海洋不（bú）仅在国际商业和（hé）渔业中扮演重（chóng）要的角色，而且还包含了（le）有关气（qì）候的信息（xī），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（yáng）观测系统，可以采集有关海洋（yáng）学的（de）数（shù）据（jù），监测环境污染，气候变化海底（dǐ）异常（cháng）地震火（huǒ）山活动，探查海（hǎi）底目（mù）标，以及远（yuǎn）距离图像（xiàng）传输。水下无线（xiàn）通信在军事中也起到至关重要的作用（yòng），而且水下无（wú）线通信也（yě）是水（shuǐ）下传感器网络的关键（jiàn）技（jì）术。
水下无（wú）线通信主（zhǔ）要可以分成三（sān）大类：水下电磁波（bō）通信、水声通信和水下量子通信，它们（men）具有不同（tóng）的特性及应（yīng）用（yòng）场合，下面分（fèn）别（bié）进行说明（míng）。
一、水下电（diàn）磁波通信
⒈ 水（shuǐ）下电（diàn）磁（cí）波（bō）传播特点
无线电波在海水（shuǐ）中衰减严重，频率（lǜ）越（yuè）高衰减越（yuè）大。水下实验表明（míng）：MOTE节点（diǎn）发射（shè）的无线电波在（zài）水下仅能（néng）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（shuǐ）穿透能力可达100多米，但需要很长的接收天线，这在体积较（jiào）小的水下节（jiē）点（diǎn）上无法实（shí）现。因此，无线电波（bō）只能实现短距离的高（gāo）速（sù）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（shuǐ）下电（diàn）磁波（bō）通信的影响外，海水的（de）运动对（duì）水下电磁波通（tōng）信同样有很大的影响。水下接（jiē）收点相移分量均值和均方差均（jun1）与选用电磁波的频率有关。水下接收点（diǎn）相移分量（liàng）的均值随着接（jiē）收点的平均深度的增加而线性增大，电场相移分量的（de）均方（fāng）差大（dà）小受海浪的波动大小影响，海浪运动（dòng）的随机性导致了电场相移分（fèn）量（liàng）的（de）标准差呈对（duì）数指数（shù）分布。
⒉ 传统（tǒng）的水下电磁波通信
电磁波作为（wéi）最常用的信息载体和探知手段，广泛应用（yòng）于（yú）陆（lù）上通信、电视、雷达、导航等领（lǐng）域。20世纪上半叶，人们（men）始终致力于将模拟通信移至水中。水下电磁通信可追（zhuī）溯（sù）至第（dì）一次世界大战期（qī）间，当时的（de）法国最先使（shǐ）用电（diàn）磁波进行（háng）了（le）潜（qián）艇通信实验。第二次世界（jiè）大战期间（jiān），美国科学研究发展局曾（céng）对潜水员间的短距离（lí）无线电磁通（tōng）信进行了研究，但（dàn）由于水中电磁波（bō）的严（yán）重（chóng）衰减，实（shí）用的水下电磁通信一度被认为无法实现（xiàn）。
直至60年（nián）代，甚（shèn）低频（pín）（VLF）和超（chāo）低（dī）频（SLF）通信才开始被各国（guó）海（hǎi）军大量研（yán）究。甚（shèn）低频的频（pín）率范围在3～30kHz，其（qí）虽然（rán）可覆盖几千（qiān）米的范围，但（dàn）仅能（néng）为水（shuǐ）下10～15米深度的潜（qián）艇（tǐng）提供（gòng）通信。由反侦查（chá）及潜航深度（dù）要求，超低（dī）频（SLF）通信系统投（tóu）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（jìn）的典型（xíng）频率，可实现对水（shuǐ）下超过80米的潜（qián）艇进行指（zhǐ）挥通信，因此超低频通信承担着重（chóng）要的战略意义。但是，SLF系（xì）统的地基天线达几十千米（mǐ），拖曳天线（xiàn）长度也超过千米，发射功率为兆瓦级（jí），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（qiú）。
⒊ 水下无线射频（pín）通信
射频（Radiofrequency，RF）是对频率高于10kHz，能够辐射到空间（jiān）中（zhōng）的（de）交流变化的高（gāo）频电磁（cí）波的简（jiǎn）称。射频系（xì）统（tǒng）的通信质量有（yǒu）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（nǐ）调制技术，极大地（dì）限制了系统的性能。近年来，数字通信（xìn）日（rì）益发（fā）展。相比（bǐ）于模拟传（chuán）输（shū）系统，数字调制解调（diào）具（jù）有更强的抗噪声性能、更高的（de）信道（dào）损耗容（róng）忍度、更（gèng）直接（jiē）的处理形（xíng）式（数字图像等）、更（gèng）高的（de）安全性，可以支持信源编码与（yǔ）数据压缩（suō）、加密（mì）等技术，并使用差错控（kòng）制（zhì）编码（mǎ）纠正传输误差（chà）。使用数字技术可将-120dBm以下的弱信号从（cóng）存（cún）在的严（yán）重噪声的调（diào）制信号（hào）中解调出（chū）来，在衰减允许的情况下（xià），能够采（cǎi）用更（gèng）高的工作频率（lǜ），因此射频技术（shù）应用于浅水近距离通信成为可（kě）能。这对于满足快（kuài）速增长的近（jìn）距离高速信息交换需（xū）求，具有重（chóng）大（dà）的意（yì）义。
对比其他近距离水下通信技术，射频技术（shù）具（jù）有多（duō）项优势：
①通信速率（lǜ）高。可（kě）以（yǐ）实现水下近距离（lí），高速率的无线（xiàn）双（shuāng）工通信。近距离无线射频通信可采用远高（gāo）于水声通（tōng）信（50kHz以下）和甚低频（pín）通信（30kHz以下）的载波频率。若利用（yòng）500kHz以上的工作频（pín）率，配（pèi）合（hé）正交幅（fú）度调制（QAM）或多载波调制技术（shù），将使100kbps以（yǐ）上（shàng）的数据的高速传输成为可能。
②抗（kàng）噪声（shēng）能（néng）力（lì）强。不受近（jìn）水水（shuǐ）域海浪噪声、工业噪声以（yǐ）及自然光辐射等干扰，在浑浊、低可见度的恶劣水下环境（jìng）中（zhōng），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（chuán）输延迟（chí）低。频（pín）率高于10kHz的电磁波，其传播速度比声（shēng）波高100倍以上，且随着频率的增加（jiā），水下电磁波的传播（bō）速度迅速增（zēng）加（jiā）。由此可知，电磁通信将（jiāng）具有较低的延迟，受多径（jìng）效应和多普（pǔ）勒展宽的（de）影（yǐng）响远远小于水声通信。
④低的界面及障碍物（wù）影响（xiǎng）。可轻易穿透水与空气分界面，甚（shèn）至（zhì）油层与浮冰层，实现水下与岸上通信。对（duì）于随机的自然与人为遮（zhē）挡，采用电磁技术都可（kě）与阴影区内单元顺利建（jiàn）立通信连接。
⑤无须精确（què）对准，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（xiǎn）降低，无须精确（què）的（de）对准与跟踪环节（jiē），省去（qù）复杂的机（jī）械调节与转动单元，因此电磁系统体积小（xiǎo），利于安装与（yǔ）维护。
⑥功耗低，供电方便。电磁通信的高传输比特率使（shǐ）得单位数据量（liàng）的传输时间减（jiǎn）少（shǎo），功耗（hào）降（jiàng）低。同时，若（ruò）采用磁祸合天（tiān）线，可实现无硬连接的高效电磁能量传输，大大增（zēng）加了水下封闭单元的工作时间（jiān），有利（lì）于分布式传感网络应用。
⑦安（ān）全性高，对（duì）于军（jun1）事上已广泛采（cǎi）用的水（shuǐ）声对抗干扰免疫。除此之（zhī）外（wài），电磁波较高的水下衰减，能够提高水下（xià）通信的（de）安全性。
⑧对水（shuǐ）生（shēng）生（shēng）物无影响（xiǎng），更加有利于（yú）生态保护（hù）。
二、水声通信
水声通信（xìn）是其中最（zuì）成熟的技术。声（shēng）波（bō）是水（shuǐ）中信（xìn）息的主要载体，己广泛应用于（yú）水下通信、传感、探测、导（dǎo）航（háng）、定位（wèi）等领（lǐng）域（yù）。声（shēng）波属于机械波（纵波），在水下（xià）传输的信号衰（shuāi）减小（xiǎo）（其衰减率为电磁波（bō）的千（qiān）分之一），传输距离远（yuǎn），使用范围可（kě）从（cóng）几百（bǎi）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（xiǎng）因子
声（shēng）波在（zài）海（hǎi）面附近的典型传（chuán）播（bō）速率为1520m/s，比电磁波的速（sù）率（lǜ）低5个数量级，与电（diàn）磁（cí）波（bō）和光波相比（bǐ）较（jiào），声波（bō）在海水中（zhōng）的衰减小（xiǎo）得多。
水声通信系统的性能受复杂的水声信道（dào）的影响较大。水声（shēng）信（xìn）道（dào）是（shì）由海洋及其（qí）边界构成的一个非常复杂（zá）的介质（zhì）空（kōng）间，它具有内部结（jié）构和独特的上（shàng）下（xià）表面（miàn），能对声波产生许多不同的（de）影响。
①多路径效应严重。当传输距离大于水（shuǐ）深时，同一波束内从不同路径（jìng）传输的声波，会由于（yú）路径长（zhǎng）度的差异，产生能量的差异和时间（jiān）的延迟（chí）使信号（hào）展（zhǎn）宽，导致（zhì）波形的（de）码间干扰。当（dāng）带（dài）宽为4kHz时，巧米的（de）路径差即会（huì）造（zào）成10毫（háo）秒的时延，使每个（gè）信号并（bìng）发40个干扰信号（hào）。这是限（xiàn）制数据传输速度并（bìng）增（zēng）加误码率的（de）主要（yào）因素。
②环境噪（zào）声影响大。干扰（rǎo）水声通信的噪声包括沿（yán）岸工业（yè）、水面（miàn）作业（yè）、水下动力（lì）、水生生物（wù）产生（shēng）的活动噪声，以及海（hǎi）面波浪、波（bō）涛拍岸（àn）、暴风雨（yǔ）、气泡带来的自然噪声。这（zhè）些噪声会（huì）严（yán）重影（yǐng）响（xiǎng）信号的信（xìn）噪比。
③通信速率（lǜ）低。水下声（shēng）信道的随（suí）机变化特性（xìng），导致（zhì）水（shuǐ）下通信带（dài）宽十分有限（xiàn）。短距离、无（wú）多径效应下的带宽很难超过50kHz，即使采用16-QAM等多（duō）载（zǎi）波调制技（jì）术，通信速率只有Ikbps～20kbps。当工作于复杂（zá）的环境中，通信（xìn）速率可能会低（dī）于Ikbps。
④多普（pǔ）勒效应、起（qǐ）伏效应等。由发送与（yǔ）接收节点间的相对位移产生的多普勒效应会（huì）导（dǎo）致（zhì）载波（bō）偏（piān）移（yí）及信号幅度的降低，与多径（jìng）效应并发的多普勒频展将影响信息解码（mǎ）。水媒质内部（bù）的随（suí）机性不（bú）平整，会使声信号（hào）产生随机的（de）起伏，严重影响（xiǎng）系统性能。
⑤其他。声（shēng）波几乎（hū）无法跨越水与空气（qì）的界面传（chuán）播；声波（bō）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（jì）术
水声（shēng）信（xìn）道一（yī）个十分复杂的多径传输的信道（dào），而且环境噪声（shēng）高带宽窄可适（shì）用（yòng）的载波频率低以及传输（shū）的时延大（dà）。为（wéi）了克服这（zhè）些不利因素（sù），并（bìng）尽可能地提高带宽利用效率，已经（jīng）出现（xiàn）多种（zhǒng）水声通信技术。
①单边带调制（zhì）技术。世界上第一个水声通（tōng）信系统是美国海军水声实验室于1945年研制的（de）水下电话，主要用（yòng）于潜（qián）艇之间的通信。该模（mó）拟通（tōng）信系统使用（yòng）单边带调制技术，载波（bō）频段为8～15kHz，工（gōng）作距离可达几（jǐ）公里。
②频（pín）移键控（kòng）（FSK）。频（pín）移键控的通信（xìn）系（xì）统从上世纪70年代后期开始（shǐ）出现到（dào）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（jiào）高的信噪比（bǐ）。
③相（xiàng）移键（jiàn）控（PSK）。上世（shì）纪80年代（dài）初，水下（xià）声通信中开（kāi）始（shǐ）使用相移键控调制（zhì）方式。相（xiàng）移键控系统大多使用差（chà）分相移键控（kòng）方式进行调（diào）制，接收（shōu）端可以用差分相（xiàng）干方式解调。采用差分相干（gàn）的差（chà）分调相不需（xū）要相干（gàn）载波（bō），而且在抗频漂、抗（kàng）多径效应（yīng）及（jí）抗相位慢（màn）抖动（dòng）方面，都优于采用非相（xiàng）干（gàn）解（jiě）调（diào）的（de）绝（jué）对（duì）调相。但由于参考相位中噪声的影响，抗噪（zào）声能力有所下降。
近（jìn）年来，水声通信在以下两个方面取（qǔ）得了很大的进步：
④多载波调制技术。
⑤多（duō）输入多输（shū）出技术。
三（sān）、水下量子通信（xìn）
⒈ 水下激光通（tōng）信（xìn）
水（shuǐ）下激光通（tōng）信技术利用激光载波传输信息。由（yóu）于波长450nm～530nm的蓝绿激光在水下（xià）的衰减（jiǎn）较其他（tā）光波段小（xiǎo）得多，因此蓝绿（lǜ）激光作为窗口波段应用（yòng）于水下通信。蓝（lán）绿（lǜ）激光通信的优势是（shì）拥有几种方式（shì）中（zhōng）最高传输（shū）速率。在（zài）超近距离下，其速（sù）率可到达100Mbps级。蓝绿（lǜ）激（jī）光通信方（fāng）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（kāi）始受到重视。90年代初，美军完成了（le）初级阶段的蓝（lán）绿激（jī）光通信系统（tǒng）实验。但激光通信目前主要（yào）应（yīng）用于卫星对潜（qián）通信，水下（xià）收发系统（tǒng）的（de）研究滞后（hòu）。
蓝绿（lǜ）激光应用于浅（qiǎn）水近距离（lí）通信存（cún）在固有（yǒu）难点：
①散射影响。水中悬浮颗粒及浮游生物（wù）会对光产生（shēng）明显的（de）散（sàn）射作用，对（duì）于浑（hún）浊的浅水近距离传（chuán）输，水下粒子造成的散射比空气中要强三个数量级，透过率（lǜ）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（xī）收（shōu）、溶解（jiě）物的吸（xī）收及悬（xuán）浮物的吸收等。
③背（bèi）景辐射的干（gàn）扰。在（zài）接收信号的同时，来自水（shuǐ）面外的强烈自（zì）然（rán）光，以及水下生（shēng）物的（de）辐射光也会对（duì）接（jiē）收信（xìn）噪比形成干扰。
④高精度瞄准（zhǔn）与实时跟踪困（kùn）难。浅水区域（yù）活动繁（fán）多（duō），移动的收发通信单（dān）元（yuán），在水下保持实（shí）时对准十分困难。并且由于激光只能进行视（shì）距通信（xìn），两个（gè）通信点间随机的（de）遮挡都会影响（xiǎng）通信性能。
由以上分析可知，由于（yú）固有的传输特性，水声通信和激（jī）光（guāng）通信应用于浅水领域近距离高（gāo）速通信时（shí）受到（dào）局限。
⒉ 水下中微子（zǐ）通信（xìn）
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（hé），它大量存在于阳光、宇宙射（shè）线、地球大气层的撞击以（yǐ）及岩石中，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（zhèng）明，中微子聚集运动的粒子束具有两个特点：
①它（tā）只参与原子核衰（shuāi）变时的（de）弱相互（hù）作用力，却不参与（yǔ）重力、电磁力以及质子和（hé）中（zhōng）子（zǐ）结合的强相互作用（yòng）力，因（yīn）此，它可（kě）以直线高速运动，方向性极（jí）强；
②中微（wēi）子（zǐ）束在（zài）水中穿越时，会产生光电效应，发出微弱的蓝色闪（shǎn）光，且衰减极（jí）小。
采用（yòng）中微子束通信，可（kě）以确（què）保点对点的（de）通信，它方向性好（hǎo），保密性极强（qiáng），不受电磁（cí）波的干扰，衰减极（jí）小。据测（cè）定，用高能加速器产生高能（néng）中微子束，穿透整个地球（qiú）后，衰减不足千分（fèn）之一，也就是（shì）说，从（cóng）南美洲发出的中微子束，可以直接（jiē）穿透地球到（dào）达北京，而中（zhōng）间不需卫星和中继站（zhàn）。另外（wài），中微子束通（tōng）信也可以（yǐ）应用到（dào）例如（rú）对（duì）潜等水下（xià）通信，发展前（qián）景极（jí）其（qí）广阔，但由于技术比较复（fù）杂，目前还停留在实（shí）验（yàn）室阶（jiē）段（duàn）。
四、水下无（wú）线通信的应（yīng）用
海洋、湖泊等水下（xià）区域不但蕴含（hán）着（zhe）丰富的资（zī）源，也与人类社会的发展构（gòu）成直接的关联。在传统的陆空通信网络日趋完善的今天（tiān），水（shuǐ）下通信的应用正在逐（zhú）渐增多。有缆通信方式使目标的活动区域大大受（shòu）到限制（zhì），且安（ān）装、使用、维护繁琐昂贵，因此（cǐ）不适于水下节点间的（de）动态通信。
水下无（wú）线通信是以水为媒质，利用不同形式（shì）的载波传输（shū）数（shù）据、指（zhǐ）令、语音、图像等信息的技术，其应用（yòng）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（tái）间的信息（xī）交（jiāo）换。
②海（hǎi）岸检测、水下节点的数据（jù）采集、导航（háng）与控制、水下生态保护监测等三维分（fèn）布式（shì）传感网应用。
③水下传（chuán）感（gǎn）网、水下潜航单元与水面及陆上控制或中转平台间的（de）通（tōng）信。
由此可见，水下无线通信技术在（zài）民用、科（kē）研及（jí）军事领域中前（qián）景广阔（kuò）。由于水下复（fù）杂的（de）时空（kōng）环境，通（tōng）信系统的（de）有效信息（xī）传输（shū）率往往成为瓶颈，这与不（bú）断增长（zhǎng）的水下通信需求形成矛盾。例如，潜航器的控制需要100bps以上（shàng）的数（shù）据率，水下传（chuán）感组网的数（shù）据率（lǜ）需求将超过8kps，而传（chuán）输声（shēng）音、图像（xiàng）信息则（zé）需要更高的数据传输（shū）速率（lǜ）。由于传播媒质（zhì）的（de）不（bú）同（tóng）采（cǎi）用陆地、空气中常用（yòng）的微（wēi）波、超（chāo）短波（bō）通信方（fāng）式，将带（dài）来极大的衰减（jiǎn）。因此，寻找更速的无线通信技术，成为（wéi）水下通信研究领域的核心目标之（zhī）一。
五、结语
水下无（wú）线（xiàn）通信有三大类：水下（xià）电磁波（bō）通（tōng）信、水声通信和水（shuǐ）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（tiáo）件影响（xiǎng）甚微，使得水下电（diàn）磁波通信相当稳（wěn）定（dìng）。水（shuǐ）下电磁波通信的发展趋势为：既要提高发射天线（xiàn）辐射（shè）效率，又要增加（jiā）发射天线的等效（xiào）带宽，使之在增加辐射场（chǎng）强的同时提（tí）高传输速（sù）率；应（yīng）用微弱信号（hào）放大和检测技术（shù）抑制和处理内部（bù）和外部的（de）噪声干扰，优选调制解调技术和编译码技术来提高接收（shōu）机的灵敏度和可靠性。
此（cǐ）外，已有学者（zhě）在（zài）研（yán）究超窄带理论（lùn）与技术，力（lì）争获得更高的频（pín）带利用率（lǜ）；也有学者正（zhèng）寻求能否突破香（xiāng）农极限的科学依据（jù）。
由（yóu）于声（shēng）波在水中的衰减最小，水（shuǐ）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（shí）间内，水（shuǐ）声（shēng）通信是水下传（chuán）感器（qì）网络（luò）当中主要的水下无线通信方式，但是水声通信技（jì）术的数据传输率较（jiào）低，因此通过克服多（duō）径效应等不利因素的手（shǒu）段，达到（dào）提高带宽利用效率的目的将是未来（lái）水声通（tōng）信技（jì）术（shù）的发展方向（xiàng）。
水下光通信具有数据传输（shū）率（lǜ）高的优点，但是（shì）水（shuǐ）下（xià）光通信受环境的影响较大，克服（fú）环境的影响（xiǎng）是将来（lái）水下光通信（xìn）技术的发展方向。
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