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摘要

水下无线通信（UWC）装备提供水下环境中信息传递和数据交换的能力，是支撑海洋科学研究、水下组网监测、水下协同作业、海洋安全维护等应用的重要装备类型。本文从水声通信、水下光通信、水下电磁波通信、水下磁感应通信4类主要的UWC装备出发，深入剖析了各自面临的技术难点，全面梳理了相关装备的国内外发展现状，进而凝练了UWC装备未来发展趋势。着眼我国UWC行业发展，辨识了整体差距、底层共性问题、顶层体系等方面的发展困境，提出了攻关基础机理与共性问题、聚焦突破行业核心方向、明晰装备顶层体系架构、完善保障措施与扶持政策等发展建议。相关内容可为把握UWC装备发展态势、布局UWC装备研制与应用等提供参考和启示。

海洋因面积广阔、蕴含着丰富资源而吸引人类不断进行探索，各国在海洋资源开发、维护海洋安全、保障领海权益等方面已经展开了竞争与合作。在海洋强国建设战略^[1]提出后，我国进一步提高了对海洋战略空间的重视程度。其中，开展目标海洋区域的环境观察与监测、获取并传输大范围海洋环境数据，是实现海洋进入、保护、开发等目标任务的关键环节。

水下无线通信（UWC）装备是海洋环境观察与监测系统、水下传感器网络的关键构成。目前，应用较成熟的UWC装备主要有水声通信装备^[2]、水下光通信装备^[3]、水下电磁波通信装备^[4]；新兴的水下磁感应通信也获得了实际应用研究^[5]。在民用领域，UWC装备在海洋生物观测、海洋环境污染监控、海上石油及天然气资源勘探、海洋自然灾害监测预警、海洋环境变化研究等方面发挥了重要作用^[6]。在军用领域，UWC装备能够辅助完成各类战术行动，如水下目标信息回传、港口及目标海域监控、沿海及领海安全保障、水下运载平台集群协同等。

对于多数的UWC装备类型，我国仍处于“起步晚、发展缓、应用少”的发展阶段，不利于在海洋权益竞争态势逐步加剧的背景下维护海洋权益，相关装备技术发展需求迫切。为此，本文从UWC装备技术难点及解决方法的角度出发，梳理国内外发展现状，总结未来发展趋势，剖析国产装备存在的差距和行业发展的核心瓶颈，进而提出相应发展建议，以为先进海洋装备研制布局、海洋通信装备能力提升等提供参考。

水下环境存在通透性差、压力大等特征^[7]，导致水下数据感知难、传输难，加大了海洋探索和调查的挑战性。声波、光波、电磁波都可作为UWC的潜在波形，用于水下环境中的信息传输。大量的UWC技术研究及设备研制围绕此展开（见图1）。

1.水声通信技术

水声通信（UAC）是在水下覆盖数百米至数千千米范围，实现信息无线远距离传输的唯一可靠手段。水声信道是声信号从发射端到接收端所经历的无线传输环境，存在通信带宽受限、频率相关衰减大、有色环境噪声强、多径时延扩展高、信道时变速度快、多普勒效应严重等情况，被视为最复杂的无线传输信道之一。水声信道直接导致UAC信号出现能量衰减、信号畸变，影响UAC的通信质量，是制约UAC技术发展的主要难题。

1 衰减和有色噪声
在能量衰减方面，水声信道的重要特征之一即传播过程中的吸收能量损失取决于声信号频率，吸收系数随着频率的提高而迅速增大。声信道中包含的噪声主要由海洋环境噪声、特定区域噪声组成：前者的声源构成非常复杂，含有风浪噪声、湍流噪声、船舶噪声、热噪声等；后者与区域地点密切相关，如北极海域出现的冰层断裂噪声、浅海海域养殖虾蟹的钳子发出的近似冲击噪声等。不同的噪声经过叠加，导致海洋噪声呈现明显的非白功率谱特征。衰减随频率的提高而增大，海洋噪声随着频率的提高而下降，使得通信频带内的信噪比出现明显变化。

衰减和噪声降低了接收信号的信噪比，可能出现解调误码。在传输信息中引入冗余比特，采用卷积码、低密度奇偶校验码、极化码等信道纠错编码，是UAC中的有效解决方法。在接收端使用接收阵列进行信号采集和处理，同样可以提升接收信噪比。

2 带宽受限严重
不同于空气中无线电传播所具有的广阔频带资源，水下声传输受到能量吸收衰减的严重制约，如传输距离为10 km的理想可用信号带宽仅为数十千赫兹，传输距离为100 km时的可用信号带宽仅为1 kHz。可见，如此受限的通信带宽，严重制约了水下通信速率。

为了在有限带宽内最大限度地提高通信速率，UAC技术的发展历程为：从模拟通信技术向数字通信技术过渡，从非相干通信技术向相干通信技术过渡，从单载波通信过渡向多载波通信过渡，从单发单收向多发多收过渡。多发多收技术、同时同频全双工技术、非正交多址接入技术等的应用，同样可以提升通信速率、改善有限带宽内的频带利用率。

3 多径时延扩展

海洋环境中的多径效应多由两种现象叠加导致。例如，声波在海洋波导环境中经由海面、海底反射，在传播过程中产生弯曲；造成声线弯曲的本质原因是海洋中的声速变化。在浅水中，温度和压力比较稳定，声速变化较小（相对恒定）；随着传播距离的增加，声波不断经由海面、海底反射形成多径^[，导致时延扩展、码间干扰增加。在深水中，除去海面、海底反射情况，声速关于深度而变化，声线同样在声道轴内的波导环境中不断“反射”，因而表现出较强的多径效应。声信道的时域冲击响应函数受反射影响，决定了传播路径的数量、强度和时延。

为了应对多径时延扩展引入的码间干扰，学术界针对UAC技术进行了大量的研究。通过信道估计并结合迫零均衡、最小均方误差均衡等方式，可以消除码间干扰。单载波、多载波系统都可以结合更为先进的Turbo均衡技术，以消除符号间干扰、额外的噪声影响。正交频分复用（OFDM）等多载波信号，可引入循环前缀、零前缀等保护间隔来消除码间干扰。

4 信道时变速度快

水声信道的时变性强，其成因包括季节性变化、每日潮汐等因素导致的缓慢大尺度变化，海面波浪、气泡等因素导致的快速小尺度变化。根据传输信号的持续时间对各种尺度变化进行区分，有助于提升通信质量。缓慢大尺度变化主要影响信号的平均功率，快速小尺度变化通过改变信道瞬时冲击响应来影响信号的瞬时水平。大尺度变化的建模分析支持信号的自适应功率控制以提升信号的信噪比，小尺度变化的建模分析支持实现信道估计和均衡等方面的自适应信号处理。

在缓慢大尺度变换上，由于时变性主要影响信号的功率，故自适应功率控制技术在功率节约、性能改进等方面都能产生较好的效果。在面对快速变化的小尺度时变影响时，自适应调制及解调技术是良好的解决手段然而，任何尺度变化都需要收发两端具备反馈能力并形成反馈链路，从而使收发两端具备水下环境感知能力；从反馈技术中获得的性能改进，无论是自适应调制还是指令传输，取决于反馈给发射机的信道状态信息质量。

5 多普勒效应严重

水下声速约为1500 m/s，水下声信号面对运动平台时具有较大的多普勒频移。UAC中信号带宽、中心频率的量级接近，故UAC一般属于宽带通信；面对较大的多普勒尺度因子时，各通信频点将遭受不均匀的非一致多普勒频移。多载波UAC系统面对非一致的大尺度多普勒频移时，会产生严重的信号畸变，进而恶化通信系统性能。

UAC中的多普勒频移表现为大尺度、非一致特性，无法采用类似窄带无线电通信中的一致多普勒频移补偿方法，仅可采用载波相位跟踪、载波频率补偿等方式。UAC中一般需要先对大尺度多普勒因子进行估计，再使用频域插值、时域重采样等方法抵消水声多普勒效应。还可采用正交时频空调制等具有多普勒鲁棒性的新型多载波波形，代替传统OFDM等波形进行水下信息传输。

各类通信场景需求催生了更多具有针对性的UAC技术。面向UAC对抗需求，通常在攻防两端应用UAC信号侦查与干扰、干扰背景下UAC干扰抑制等技术。面向水声隐蔽通信需求，较多应用仿鲸鱼或海豚等海洋生物的仿生通信、基于船舶辐射噪声的伪装通信等技术。

2.水下光通信技术

UAC带宽受限严重，即使收发两端UAC机距离较近时的通信速率也难以提高。具有更高带宽潜力的水下无线光通信（UWOC）技术成为研究重点。然而，鉴于海洋水环境的复杂性，在建立可靠UWOC链路方面同样存在较高的技术挑战。

水对光波具有吸收作用，光谱内绝大部分光波在水中的能量衰减较大，因而在传播距离上无法与千米级UAC技术相比。然而，海水中光波传播特性研究发现，光谱中的蓝绿色波段是水下衰减相对弱的光学窗口，这为光波在水下实现短距离高速传输提供了理论基础。采用蓝绿色大功率激光发射器的UWOC机，在实验条件下最远可在水下传播数百米。目前，主要通过开发高性能发射机设备、融合增加系统带宽的新技术等，提高UWOC系统的传输速率和水下传输距离。在激光通信系统中，采用光注入锁定、光电反馈技术^]将外部光源注入，可显著增加通信系统调制带宽。对于发光二极管（LED）设备，倾向于采用氮化铟镓等新型材料、将单个大型LED改造为多像素LED阵列等设计来提高通信系统带宽和通信速率。

UWOC对水体浊度、海洋湍流、悬浮气泡等水文条件具有较高的要求。海洋湍流通常由海水的温度、盐度、压力变化以及水体中的悬浮气泡引起，可以持续较长时间。水下无线激光通信系统对光束定位、捕获、跟踪都有严格要求，而海洋湍流以及悬浮气泡的存在将导致光束波动以及进一步的光束失调，因而维持光束跟踪能力尤为困难。海洋湍流同样会引发光信号产生随机变化（闪烁），导致光子在水体介质中的传播方向发生随机变化，而光束方向出现的微小变化也会产生严重的信号衰减。分析并建模水下湍流的统计特征以及对光传播的影响，有助于缓解湍流造成的性能恶化。闪烁效应随着光波波长的增加而显著降低，使用较大的波长可以增强应对水下湍流的通信能力。使用更宽的光束也可以提高水下光通信链路的性能，如波束扩展、多发多收系统中的空间分集。

常用的光电探测器仅有很小的有效检测区域，需要进行精确对准，否则无法建立无线光通信的链路，这就导致多数无线光通信系统只能在视距范围内进行通信。海水环境的快速变化，水下湍流、混浊度、水下障碍物等因素，使视距UWOC系统的链路失调难以避免。利用具有强散射特性的光束进行水面反射或散射传输，采用与专用光学系统相关的同步及信道估计算法构建非视距UWOC系统，是提高发射机覆盖面积、缓解链路失配的有效方式。

光通信介质具有可视性，因而UWOC的隐蔽性相对差。高功率的光源发射器会引发光污染，对于海洋生物日常活动有不利影响，也构成了海洋生态环境的潜在威胁。

 3.水下电磁波通信技术

尽管水下光通信具有较高的通信速率，但在跨介质通信场景中，光波不易通过空气 – 水界面，通常还需中继器进行信号转发。相比声 / 光通信系统，水下电磁波通信具有优势：电磁波可直接从发射基站发出并与水下目标进行通信，顺利通过空气 – 水界面，显著扩展了应用范围，利于建立跨介质空间的综合信息网络系统；电磁波面对水体湍流、浊度等具有更高的鲁棒性。在部署水下电磁波通信系统时，需要着重优化通信速率、天线设计、发射功率强度等设计参数。

与光波的水下传输类似，电磁波在海水中的传输衰减同样较大，也表现出明显的频率相关性。例如，常见的2.4 GHz无线蓝牙模块在水下仅能传播数十厘米。水下环境具有独特的物理特征，盐浓度、压力、温度、风浪等因素导致海水中的电磁波衰减较为严重（且衰减程度随着电磁波频率的增加而急剧增加），因而电磁波在水下的传播距离受限。尽管超低频电磁波（30~300 Hz）可在海水中传输超过100 m，但需要大规模的发射天线基站、大尺寸的接收天线，对于体积较小的水下平台而言并无实用价值。为了提升电磁波通信的应用性，改进磁性天线设计是最可能的方案，也可使用电偶极子天线来传输横向电磁波。除去衰减因素，射频信号面临环境噪声的不利影响，需要将信道估计、噪声抑制等功能模块进行整合设计。

4.水下磁感应通信技术

水下磁感应通信（UMIC）作为一种新兴的UWC方式，近十年来获得了广泛关注。2001年，磁感应理论与电磁波理论的本质区别得以明确，建立了磁感应通信领域理论构建的基础。磁感应通信的优势在于水下传播过程经历的信道具有弱多途、弱多普勒干扰、可跨介质传输的特点。线圈辐射电阻远小于电偶极子的辐射电阻，只有极少数能量通过磁感应通道辐射到远场并形成多径，即为弱多途；传播速度接近于光速，几乎不存在多普勒干扰。海水的温度、浊度、盐度等影响声、光、电磁波的水下传输，但海水的磁导率几乎与空气相同，因而磁感应波的信道响应更加稳定且可预测，也使磁感应通信具有良好的跨介质应用前景。磁感应通信的传输和接收都是通过小尺寸的法拉第线圈来完成，故磁感应技术可实现设备小型化、提升通信隐蔽性；但与光、电磁波的水下传输类似，仅能实现数十米距离的UWC。

在UMIC过程中，线圈方向的频繁变化导致接收信噪比不可控，因而UMIC解调性能的可靠性不佳。相关研究重点是设计对线圈方向不敏感的天线，逐步从传统单向磁感应天线向多向磁感应天线发展，如三向磁感应天线、超材料增强磁感应天线、球形线圈阵列封闭环路天线。在优化水下天线设计、尽可能保证传输质量及可靠性后，磁感应通信在水下“传得远、传得快”成为关注重点。对于以水下平台和潜标系统的远程监控为代表的远距离、大规模互通互联的水下应用而言，UMIC实际应用的传输距离是关键指标。为了解决UMIC传输距离的不足，可在发射端、接收端之间部署中继单元，构建多跳磁感应传输网络。根据中继是否需要额外的电源和处理单元，磁感应中继传输可分为无源多线圈磁感波导传输、有源主动中继传输两类。UMIC固有带宽受限、涡流能量损耗严重，相应数据传输速率偏低。通常采用多波段扩展谐振器、空间域多收发天线阵列的方式来提高通信速率。从技术角度看，现有方法大致分为扩展通信带宽的多频段磁感应通信、多输入多输出磁感应通信两类。

5.水下无线通信装备未来发展趋势

（1） 基于声、光、电、磁多模互补的高速稳健水下通信系统

通过声、光、电、磁多模互补，提升水下通信系统的可靠性与传输速度，增强各类型运载平台的水面 / 水下机动航行和作业能力，是未来水下通信系统的重要发展方向。集成水声、光学、电磁等通信手段，深入研究跨介质磁感应通信、近程可见光通信、远程UAC等通信模式的耦合机制，在通信时延、速率、距离、功耗方面形成互补优势。根据实际通信场景需要，灵活选择各类通信模式，使水下通信系统具有跨介质的通信能力，实现水下平台与岸基之间的信息高效互通互联。

（2） 水声“探通导”功能一体化装备架构

当前的水声探测、UAC、声学定位导航设备多为独立设计和应用，相关设备的体积占用、功耗、频带资源分配等受到严格约束，不利于在小型水下平台上部署使用。然而从功能角度看，水声探测、UAC、声学定位导航系统的工作原理、系统架构、信号处理、工作频带等具有相似之处，为“探通导”功能一体化装备设计创造了可行性。随着海洋信息网络的发展壮大，各类型水下平台呈现出协同作业的应用趋势；集成探测、通信、导航定位技术，开展一体化装备架构设计，是实现水下平台资源共享、提升作业效率、增强隐蔽性能、降低平台体积与功耗的重要发展方向。

（3） 面向水下物联网的智能多模一体化及低功耗通信网络

万物互联是数字时代的发展主题，将物联网部署到水下环境成为未来水下通信网络的重要发展趋势，也是构成“空天海地”一体化信息物联网的关键环节。水下物联网区别于传统水下通信网络的主要特征有小型化、低功耗，多模态通信体制有机耦合，智能化服务，加之面临水下恶劣环境的多重挑战，因而成为未来水下无线通信装备技术突破的关键方向之一。传统的声学单模式通信网络存在传输时延高、速率低，应用场景受限等固有缺陷，需要发展智能多模一体化水下通信网络。① 针对变化的信道环境、繁杂的通信场景，可以智能进行选择与调整，利用多模式融合的方式，构建从海底到空气的跨介质通信链条，为稳定高效的网络服务提供物理层支撑基础。② 网络节点智能化可提升水下通信网络对复杂环境的自适应能力，深度强化学习等算法支持训练系统在与工作环境交互过程中寻找最优策略，从而根据时变环境进行自适应调整，优化部署决策。③ 各节点及网络整体的低功耗水平对于水下通信网络的长周期、大范围覆盖服务至关重要，共享收发两端的传感器基阵、采用通用部件方案并结合低复杂度算法，可以达到降低节点功耗的目的。④ 研究适应水下通信环境的低功耗网络路由协议，优化传播路径规划，支持低时延、低能耗的信息收集及传输。

（4） 全模式频谱一体化协同精准对抗网络

为应对未来水下通信对抗需求，水下通信对抗装备应具备通信体制全覆盖、高度协同一体化、攻防对抗精准化等能力。在战场通信环境复杂程度增加后，单一通信体制的对抗装备不再满足应用需要，具备声、光、电、磁融合特征的通信装备成为发展趋势。未来通信对抗装备同样需要集成各类通信模式、覆盖全频域的对抗能力，以实现无差别的干扰与防御。面对快速变化的战场对抗态势，提高水下通信对抗装备的综合应用效能成为重点方向；构建一体化的协同信息网络，支持缩短决策时间，提高指令传达的时效性，形成一体化、网络化、智能化装备体系，增强对抗体系联合指控能力。在装备数量、对抗网络规模同步扩大的场景下，进一步加强水下通信对抗装备在态势感知、敌我识别等方面的精准程度，有助于提高水下非对称信息制衡能力。