水下无线通信调研报告

1. 概述

• 水下无线通信面临“信道的变化、多路径效应、信号衰减、小信号带宽以及传输距离短等问题”，因此在水中部署水下无线通信系统相比地面无线通信系统更具有挑战性[1]。
• 分类：水下电磁波通信（Underwater RFCommunication,UWRFC）、水下声波通信（Underwater Acoustic Communication,UWAC）和水下激光通信（Underwater Optical Communication,UWOC）。
• 相比于UWRFC和UWAC，UWOC具备带宽高、受环境影响幅度小、载波频率高、传输时延低、传输速率高等优势。因为UWOC具备如下特点：
  – 激光频率高，其信息承载能力强，可以组建大容量无线通信链路；
  – 激光在水介质的传输速率可达千兆，使得水下大信息容量数据的快速传输成为可能；
  – 激光通信具有抗电磁干扰能力强，不受海水温度和盐度影响等特点；
  – 激光光束具有较好的方向性，如想拦截，就需要用另一部接收机在视距内对准发射机，造成通信链路中断，用户会及时发现通信链路中断事故；
  – 光源半导体关键技术日益发展，高稳定性、高可靠性的可见光器件已实现低功耗、轻量化、低成本。
  

1.1 水下电磁波通信 UWRFC

• 海水具备非常高的导电性，它对电磁波的衰减随频率增大而增大，因此水下电磁波通信（UWRFC）无法在水下环境以高频甚至是超高频和甚高频射频信号建立超过数十米的通信链路。在射频通信中，水下和地面通信平台之间的电磁波频率范围为3Hz到3k Hz，电磁波传播装备通常部署在数十米的浅水区。它的传输范围主要取决于介电常数、渗透率、体积电荷密度和电导率，并会随使用的频率和水下环境条件而变化。水下射频信号另一个特点是可以通过各种路径传播，信号在空气中传播受到的衰减比在水中小，信号可以穿过水面边界进行大范围的传播，而不需要水面上的中继器。尽管UWRFC已经被用于环境试验和海军装备，但在成本上和操作上仍然存在困难。
• 相比于其他通信方式，水下电磁通信在极近距离下表现优秀，但仍存在一定问题。一是由于趋肤效应的存在，电磁波在水中衰减极大，即使是甚低频、超低频与极低频通信，其传输距离最长不过数百米，传输距离极为有限，难以应用于远距离通信场景。二是目前得到实际应用的低频通信设备庞大且造价高昂，对天线与功率的要求较高，其应用领域较为狭窄。三是传输速率普遍较低，只能传递简单数据，在视频图像等多媒体数据的传输方面较为乏力。四是易受到水下电磁干扰，通信稳定性有待提升。
• 高频的射频波虽然可以提供高数据率(Mbps)、高带宽(MHz)，但是由于海水的高导电性(3.5～5 dB/m)在水下会受到极大的衰减，限制了只有数米的传输距离。

1.2 水下声波通信 UWAC

• 水下声波通信（UWAC）是利用声波在水下接收和发送信息的技术，它是目前水下无线通信的主流技术，能实现更远的通信距离。UWAC在水中易受到高传输损耗、多普勒扩展、低带宽、高延迟和多径传播的影响，从而限制了系统带宽。当前的UWAC在几米通信范围内支持以数百千比特率的传输速率，在上千公里的大范围内支持以数百比特率的传输速率。声波链路可以分为非常短、短、中、长和非常长等传输距离，不同UWAC链路的带宽和传输范围如下所示[1]。