水下通信的主要途徑和未來展望

潛艇、無人潛航器的應(yīng)用在戰(zhàn)爭中具有重要甚至決定性意義，俄羅斯近年來不斷擱置航母發(fā)展，但始終沒有減弱戰(zhàn)略核潛艇的投入力度，新型的“北風(fēng)之神”型潛艇是支撐其實現(xiàn)軍事戰(zhàn)略的重要依托。由于水下環(huán)境不同于大氣條件，且復(fù)雜多變，水下通信一直以來都是困擾各國海軍的現(xiàn)實難題，一般國家只能實現(xiàn)100米深度、Kb級、間歇性的傳輸能力，嚴(yán)重制約了潛艇的情報獲取、指揮控制和通信傳輸。目前，各國正在下大力研究破解水聲音通信瓶頸，部分在實驗層面已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但其實用性、可靠性還有待實踐檢驗，需要客觀分析看待。本期優(yōu)選相關(guān)文章，供研究參考。

當(dāng)前，隨著美海軍潛艇、無人潛航器以及傳感器等裝備的高速發(fā)展，如何在水下進(jìn)行高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸成為美軍亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。美國依托DARPA、國家自然科學(xué)基金委等機(jī)構(gòu)，長期支持相關(guān)高校和研究單位開展水下通信領(lǐng)域研究。近一年以來，相關(guān)期刊和會議中關(guān)于水下通信技術(shù)的論文顯示，美國在水聲通信、光通信、射頻通信等傳統(tǒng)水下通信領(lǐng)域的傳輸速率和組網(wǎng)能力方面的研究不斷取得進(jìn)展，在新興的磁感應(yīng)通信領(lǐng)域的傳輸速率和安全性方面取得較大進(jìn)步，為美軍未來建設(shè)水下無人作戰(zhàn)部隊奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

一、水下通信的主要途徑

水聲通信以聲波為傳輸載體，經(jīng)歷了數(shù)十年發(fā)展，其性能已經(jīng)趨于穩(wěn)定。當(dāng)前，美軍現(xiàn)役水聲通信設(shè)備的聲波傳輸速度約為1500米/秒，傳輸距離可達(dá)數(shù)千米，但是傳輸速率僅能夠達(dá)到千比特/秒（kb/s）量級，且容易受到水溫、水壓、鹽分、多普勒效應(yīng)、水下噪聲等多種因素的影響，因而僅能夠傳輸語音信號，完全無法適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場態(tài)勢，且易被敵方聲納偵察設(shè)備探測到，目前通常作為水下遠(yuǎn)距離通信的輔助手段使用。

水下光通信利用可見光作為載體，在水聲通信的基礎(chǔ)上提升了傳輸速率。當(dāng)前，美軍在部分無人作戰(zhàn)單元上裝載了近距離光通信終端，其傳輸速率可以達(dá)到兆比特/秒（Mb/s）量級，傳輸距離約可達(dá)到100米，適用于水下編隊的點到點傳輸和組網(wǎng)。其不足之處在于容易受到光散射和背景光污染的影響，且光源易被敵方的可視偵察手段探知，因而通信的隱蔽性較差，但是信號難以被破譯。

水下微波通信以電磁波為載體，原本設(shè)計用于水下單元浮出水面后與預(yù)警機(jī)、衛(wèi)星等通信。在水下使用時，與光通信具有相似的性能和參數(shù)，受到傳輸介質(zhì)和多徑效應(yīng)的影響，其傳輸距離約為10米，傳輸速率可以達(dá)到兆比特/秒量級，通信隱蔽性好于光通信，通常用于水上通信以及與水面的中繼通信。

磁感應(yīng)通信是近兩年研究的新型通信手段，采用磁場為載體，通過改變磁場強(qiáng)度進(jìn)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(dá)100米，速率可達(dá)兆比特/秒量級，且具有極強(qiáng)的隱蔽性，現(xiàn)有偵測設(shè)備的精度難以發(fā)現(xiàn)，得到美國自然科學(xué)基金委和DARPA的高度重視。

二、主要進(jìn)展

受復(fù)雜水文環(huán)境的影響，水下軍用通信系統(tǒng)主要面臨三大難題：水下通信速率、水下通信隱蔽性以及水下與水上互聯(lián)互通。圍繞這三大問題，目前美軍開展了一系列卓有成效的研究。

在水下通信速率方面，美海軍現(xiàn)役裝備中采用水聲通信、光通信、微波通信的方式均無法超越20Mb/s的傳輸速率，還無法傳輸戰(zhàn)場高清視頻等大容量數(shù)據(jù)。目前，為提升水下通信速率，美國開展的研究主要聚焦于采用衰減更低的藍(lán)綠色光通信、更加先進(jìn)的信道編碼、正交載波復(fù)用、分布式數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)同等方式。美國密歇根大學(xué)、斯坦福大學(xué)等大學(xué)研究人員已經(jīng)在實驗室環(huán)境下，實現(xiàn)了約50Mb/s水下光通信速率，利用協(xié)同降噪技術(shù)的水聲通信速率可以達(dá)到約100kb/s，微波通信速率可達(dá)21.4Mb/s，較現(xiàn)役裝備有較大進(jìn)步。通過新的協(xié)議棧和鏈路設(shè)計，使得多單位組網(wǎng)和協(xié)同能力有了較大進(jìn)步。

在水下通信隱蔽性方面，水聲通信和光通信的先天保密性較差，采用簡單的聲納和成像偵察即可完全探知目標(biāo)，通信保密性能完全依靠通信加密本身。微波通信的信號衰減較大，只能在極小范圍內(nèi)使用，保密性相對較強(qiáng)，但也限制了水下通信的使用，目前常用于浮出水面時通信。磁感應(yīng)通信具有天生的安全優(yōu)勢，在保證傳輸速率的同時也極難被偵測，是未來水下通信系統(tǒng)的重點關(guān)注領(lǐng)域。美國喬治亞理工大學(xué)和紐約州立大學(xué)的研究人員已于2015年在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)了水下磁感應(yīng)通信，并在2016年7月將傳輸速率提高到約26Mb/s。目前該通信方式尚沒有有效的偵察手段反制，得到美軍相關(guān)研究單位的高度重視。

在水下與水上互聯(lián)互通問題上，目前美軍現(xiàn)役“俄亥俄”級潛艇采用的是浮出水面進(jìn)行微波通信或者利用水面浮標(biāo)進(jìn)行中繼通信。近一年來，美國等國家在采用水面中繼的通信方式上有了較快的發(fā)展，通過拖曳式水面浮標(biāo)或者部署式水面浮標(biāo)，實現(xiàn)水下作戰(zhàn)單元與水面艦船、飛機(jī)、衛(wèi)星等進(jìn)行中繼通信。其水上部分傳輸速率可達(dá)225Mb/s，拖曳式光纖通信浮標(biāo)的水下部分傳輸速率可達(dá)1Gbps，部署式浮標(biāo)的水下部分光傳輸速率可達(dá)44.6Mb/s，且均可以支持編隊組網(wǎng)和協(xié)同。

三、未來展望

當(dāng)前，隨著無人與智能化裝備的高速發(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(fù)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、微波通信和光通信等傳統(tǒng)通信手段難以形成突破，無法支持視頻傳輸、復(fù)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(biāo)，具有先天難以彌補(bǔ)的劣勢，磁感應(yīng)通信系統(tǒng)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(yīng)各種復(fù)雜的水文環(huán)境，具有成為未來水下通信系統(tǒng)的首選方案的潛質(zhì)。

最后，在水下與水上互聯(lián)互通問題上，通過浮標(biāo)實現(xiàn)水下與水上通信的中繼已成為各國海軍的共識，當(dāng)前各國仍在大力研究浮標(biāo)的無間斷供電、小型化以及偽裝問題，以增強(qiáng)水下目標(biāo)的生存性。

原文標(biāo)題：水下通信技術(shù)最新研究進(jìn)展及未來展望

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