水下通信一般是指水上实体与水下目标(潜艇、无人潜航器、水下观测系统等)的通信或水下目标之间的通信。水下通信主要应用声波、低频无线电和光波作为信息载体。
水声通信具有远距离传输的优势,被视为水下通信的主要手段,但水声信道时变、噪声高、多途干扰严重,通信速率低,最高只能达到几十kb/s。
与水声通信相比,水下电磁波传播速度更快,信道条件更好,但信号衰减严重,通信距离小于100m,不能满足远距离水下组网的要求,且发射功率高、天线体积庞大。
水下光通信利用激光载波传输信息。由于波长450nm~530nm的蓝绿激光在水下的衰减较其他光波段小得多,因此蓝绿激光可作为窗口波段应用于水下通信。蓝绿激光通信的优势是拥有几种方式中最高的传输速率,在超近距离下,其速率可达100Mb/s,其他优点还有接收天线较小。缺点是信号衰减同样严重,且对介质清澈程度要求较高。
水下通信应用方向主要有:
• 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;
• 海岸检测、水下节点的数据采集、导航与控制、水下生态保护监测等三维分布式传感网应用;
• 水下传感网、水下潜航单元与水面及陆上控制或中转平台间的通信。
由此可见,水下通信技术在民用、科研及军事领域中前景广阔。由于水下复杂的时空环境、通信系统的有效信息传输率往往成为瓶颈,与不断增长的水下通信需求形成矛盾。例如,潜航器的控制需要100b/s以上的数据率,水下传感组网的数据率需求将超过8kb/s,而传输声音、图像信息则需要更高的数据传输速率。因此,寻找更快速的无线通信技术成为水下通信研究领域的核心目标之一。
水下磁感应通信、水下中微子通信和引力波通信就是人们不断探索发掘出的新型水下通信技术,具有更优良的性能潜质。磁感应通信是采用磁场为载体,通过改变磁场强度进行信息传输,水下磁感应通信具有隐蔽性强和传输速率高等特性优势;中微子波束可以在任何物质里以光速独往独来,水下中微子通信保密性极强,衰减极小,可让相距遥远的两艘潜艇实施不间断的通信连接,让在深海任意深度活动的潜艇直接与陆上的指挥中心联系,在未来将有重要的战略用途,尤其在有线通信受到破坏、无线通信又遭受强烈干扰的情况下;引力波是一种以光速传播的横波,具有很强的穿透力,没有任何物质能阻挡住引力波的传播,在水中传播距离超过1000km,将是大有发展前景的未来水下通信技术。
各种水下通信技术性能优劣比较见表1。
表1 各种水下通信技术比较
近两年来,业界和军事部门在水声通信、光通信、射频通信等传统水下通信领域的研究不断取得突破性进展:美军探索特低频/甚低频(ULF/VLF)水下通信技术新实现方法;美国业界在实验室环境下实现了隐秘性很强的水下磁感应通信;2017年我国成功完成了海水量子通信实验,首次验证了水下量子通信的可行性通信距离可达数百米,向未来建立水下及空海一体量子通信网络迈出重要一步。