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，傳輸距離可達數(shù)千米，但是傳輸速率僅能夠達到千比特/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，其傳輸速率可以達到兆比特/秒（Mb/s）量級，傳輸距離約可達到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、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，速率可達兆比特/秒量級，且具有極強的隱蔽性，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綠色光通信、更加先進的信道編碼、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到約100kb/s，微波通信速率可達21.4Mb/s，較現(xiàn)役裝備有較大進步。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，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，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行微波通信或者利用水面浮標進行中繼通信。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或者部署式水面浮標，實現(xiàn)水下作戰(zhàn)單元與水面艦船、飛機、衛(wèi)星等進行中繼通信。其水上部分傳輸速率可達225Mb/s，拖曳式光纖通信浮標的水下部分傳輸速率可達1Gbps，部署式浮標的水下部分光傳輸速率可達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?，面臨較大挑戰(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，具有先天難以彌補的劣勢，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的無間斷供電、小型化以及偽裝問題，以增強水下目標的生存性。

原文標題：水下通信技術(shù)最新研究進展及未來展望

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