水下无线通信装备成长研究丨中国工程科学

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，各国在海洋资源开拓、掩护海洋安全、保障领海权柄等方面已经展开了竞争与互助。
在海洋强国培植计策提出后，我国进一步提高了对海洋计策空间的重视程度。
个中，开展目标海洋区域的环境不雅观察与监测、获取并传输大范围海洋环境数据，是实现海洋进入、保护、开拓等目标任务的关键环节。

水下无线通信（UWC）装备是海洋环境不雅观察与监测系统、水下传感器网络的关键构成。
目前，运用较成熟的UWC装备紧张有水声通信装备、水下光通信装备、水下电磁波通信装备；新兴的水下磁感应通信也得到了实际运用研究。
在民用领域，UWC装备在海洋生物不雅观测、海洋环境污染监控、海上石油及天然气资源勘探、海洋自然磨难监测预警、海洋环境变革研究等方面发挥了主要浸染。
在军用领域，UWC装备能够赞助完成各种战术行动，如水下目标信息回传、港口及目标海疆监控、沿海及领海安全保障、水下运载平台集群协同等。

对付多数的UWC装备类型，我国仍处于“起步晚、发展缓、运用少”的发展阶段，不利于在海洋权柄竞争态势逐步加剧的背景下掩护海洋权柄，干系装备技能发展需求急迫。
为此，本文从UWC装备技能难点及办理方法的角度出发，梳理国内外发展现状，总结未来发展趋势，阐发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，以为前辈海洋装备研制布局、海洋通信装备能力提升等供应参考。

水下环境存在通透性差、压力大等特色，导致水下数据感知难、传输难，加大了海洋探索和调查的寻衅性。
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技能研究及设备研制环绕此展开（见图1）

水声通信（UAC）是在水下覆盖数百米至数千千米范围，实现信息无线远间隔传输的唯一可靠手段。
水声信道是声旗子暗记从发射端到吸收端所经历的无线传输环境，存在通信带宽受限、频率干系衰减大、有色环境噪声强、多径时延扩展高、信道时变速率快、多普勒效应严重等情形，被视为最繁芜的无线传输信道之一。
水声信道直接导致UAC旗子暗记涌现能量衰减、旗子暗记畸变，影响UAC的通信质量，是制约UAC技能发展的紧张难题。

1. 衰减和有色噪声

在能量衰减方面，水声信道的主要特色之一即传播过程中的接管能量丢失取决于声旗子暗记频率，接管系数随着频率的提高而迅速增大。
声信道中包含的噪声紧张由海洋环境噪声、特定区域噪声组成：前者的声源构成非常繁芜，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干系，如北极海疆涌现的冰层断裂噪声、浅海海疆养殖虾蟹的钳子发出的近似冲击噪声等。
不同的噪声经由叠加，导致海洋噪声呈现明显的非白功率谱特色。
衰减随频率的提高而增大，海洋噪声随着频率的提高而低落，使得通信频带内的信噪比涌现明显变革。

衰减和噪声降落了吸收旗子暗记的信噪比，可能涌现解调误码。
在传输信息中引入冗余比特，采取卷积码、低密度奇偶校验码、极化码等信道纠错编码，是UAC中的有效办理方法。
在吸收端利用吸收阵列进行旗子暗记采集和处理，同样可以提升吸收信噪比。

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接管衰减的严重制约，如传输间隔为10 km的空想可用旗子暗记带宽仅为数十千赫兹，传输间隔为100 km时的可用旗子暗记带宽仅为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技能的发展进程为：从仿照通信技能向数字通信技能过渡，从非相关通信技能向相关通信技能过渡，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。
多发多收技能、同时同频全双工技能、非正交多址接入技能等的运用，同样可以提升通信速率、改进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征象叠加导致。
例如，声波在海洋波导环境中经由海面、海底反射，在传播过程中产生波折；造成声线波折的实质缘故原由是海洋中的声速变革。
在浅水中，温度和压力比较稳定，声速变革较小（相对恒定）；随着传播间隔的增加，声波不断经由海面、海底反射形成多径，导致时延扩展、码间滋扰增加。
在深水中，撤除海面、海底反射情形，声速关于深度而变革，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。
声信道的时域冲击相应函数受反射影响，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滋扰，学术界针对UAC技能进行了大量的研究。
通过信道估计并结合迫零均衡、最小均方偏差均衡等办法，可以肃清码间滋扰。
单载波、多载波系统都可以结合更为前辈的Turbo均衡技能，以肃清符号间滋扰、额外的噪声影响。
正交频分复用（OFDM）等多载波旗子暗记，可引入循环前缀、零前缀等保护间隔来肃清码间滋扰。

4. 信道时变速率快

水声信道的时变性强，其成因包括时令性变革、逐日潮汐等成分导致的缓慢大尺度变革，海面波浪、气泡等成分导致的快速小尺度变革。
根据传输旗子暗记的持续韶光对各种尺度变革进行区分，有助于提升通信质量。
缓慢大尺度变革紧张影响旗子暗记的均匀功率，快速小尺度变革通过改变信道瞬时冲击相应来影响旗子暗记的瞬时水平。
大尺度变革的建模剖析支持旗子暗记的自适应功率掌握以提升旗子暗记的信噪比，小尺度变革的建模剖析支持实现信道估计和均衡等方面的自适应旗子暗记处理。

在缓慢大尺度变换上，由于时变性紧张影响旗子暗记的功率，故自适应功率掌握技能在功率节约、性能改进等方面都能产生较好的效果。
在面对快速变革的小尺度时变影响时，自适应调制及解调技能是良好的办理手段。
然而，任何尺度变革都须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；从反馈技能中得到的性能改进，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，水下声旗子暗记面对运动平台时具有较大的多普勒频移。
UAC中旗子暗记带宽、中央频率的量级靠近，故UAC一样平常属于宽带通信；面对较大的多普勒尺度因子时，各通信频点将遭受不屈均的非同等多普勒频移。
多载波UAC系统面对非同等的大尺度多普勒频移时，会产生严重的旗子暗记畸变，进而恶化通信系统性能。

UAC中的多普勒频移表现为大尺度、非同等特性，无法采取类似窄带无线电通信中的同等多普勒频移补偿方法，仅可采取载波相位跟踪、载波频率补偿等办法。
UAC中一样平常须要先对大尺度多普勒因子进行估计，再利用频域插值、时域重采样等方法抵消水声多普勒效应。
还可采取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。

各种通信场景需求催生了更多具有针对性的UAC技能。
面向UAC对抗需求，常日在攻防两端运用UAC旗子暗记侦查与滋扰、滋扰背景下UAC滋扰抑制等技能。
面向水声暗藏通信需求，较多运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能。

（二）水下光通信技能

UAC带宽受限严重，纵然收发两端UAC机间隔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）技能成为研究重点。
然而，鉴于海洋水环境的繁芜性，在建立可靠UWOC链路方面同样存在较高的技能寻衅。

水对光波具有接管浸染，光谱内绝大部分光波在水中的能量衰减较大，因而在传播间隔上无法与千米级UAC技能比较。
然而，海水中光波传播特性研究创造，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间隔高速传输供应了理论根本。
采取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贱传数百米。
目前，紧张通过开拓高性能发射机设备、领悟增加系统带宽的新技能等，提高UWOC系统的传输速率和水下传输间隔。
在激光通信系统中，采取光注入锁定、光电反馈技能将外部光源注入，可显著增加通信系统调制带宽。
对付发光二极管（LED）设备，方向于采取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哀求。
海洋湍流利常由海水的温度、盐度、压力变革以及水体中的悬浮气泡引起，可以持续较永劫光。
水下无线激光通信系统对光束定位、捕获、跟踪都有严格哀求，而海洋湍流以及悬浮气泡的存在将导致光束颠簸以及进一步的光束失落调，因而坚持光束跟踪能力尤为困难。
海洋湍流同样会引发光旗子暗记产生随机变革（闪烁），导致光子在水体介质中的传播方向发生随机变革，而光束方向涌现的眇小变革也会产生严重的旗子暗记衰减。
剖析并建模水下湍流的统计特色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落，利用较大的波长可以增强应对水下湍流的通信能力。
利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，须要进行精确对准，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。
海水环境的快速变革，水下湍流、混浊度、水下障碍物等成分，使视距UWOC系统的链路失落调难以避免。
利用具有强散射特性的光束进行水面反射或散射传输，采取与专用光学系统干系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、缓解链路失落配的有效办法。

光通信介质具有可视性，因而UWOC的暗藏性相对差。
高功率的光源发射器会引发光污染，对付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

（三）水下电磁波通信技能

只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，常日还需中继器进行旗子暗记转发。
比较声 / 光通信系统，水下电磁波通信具有上风：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，显著扩展了运用范围，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。
在支配水下电磁波通信系统时，须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干系性。
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色，盐浓度、压力、温度、风浪等成分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间隔受限。
只管超低频电磁波（30~300 Hz）可在海水中传输超过100 m，但须要大规模的发射天线基站、大尺寸的吸收天线，对付体积较小的水下平台而言并无实用代价。
为了提升电磁波通信的运用性，改进磁性天线设计是最可能的方案，也可利用电偶极子天线来传输横向电磁波。
撤除衰减成分，射频旗子暗记面临环境噪声的不利影响，须要将信道估计、噪声抑制等功能模块进行整合设计。

（四）水下磁感应通信技能

水下磁感应通信（UMIC）作为一种新兴的UWC办法，近十年来得到了广泛关注。
2001年，磁感应理论与电磁波理论的实质差异得以明确，建立了磁感应通信领域理论构建的根本。
磁感应通信的上风在于水下贱传过程经历的信道具有弱多途、弱多普勒滋扰、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；传播速率靠近于光速，险些不存在多普勒滋扰。
海水的温度、浊度、盐度等影响声、光、电磁波的水下传输，但海水的磁导率险些与空气相同，因而磁感应波的信道相应更加稳定且可预测，也使磁感应通信具有良好的跨介质运用前景。
磁感应通信的传输和吸收都是通过小尺寸的法拉第线圈来完成，故磁感应技能可实现设备小型化、提升通信暗藏性；但与光、电磁波的水下传输类似，仅能实现数十米间隔的UWC。

在UMIC过程中，线圈方向的频繁变革导致吸收信噪比不可控，因而UMIC解调性能的可靠性不佳。
干系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、尽可能担保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。
对付以水下平台和潜标系统的远程监控为代表的远间隔、大规模互通互联的水下运用而言，UMIC实际运用的传输间隔是关键指标。
为理解决UMIC传输间隔的不敷，可在发射端、吸收端之间支配中继单元，构建多跳磁感应传输网络。
根据中继是否须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。
常日采取多波段扩展谐振器、空间域多收发天线阵列的办法来提高通信速率。
从技能角度看，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。

国外UAC装备已经历了从UAC技能研究到事理样机研发、再到谱系化妆备制造的发展过程。
美国Teledyne Marine公司研制的ATM谱系化水声通信机，采取相移键控、多频键控（MFSK）、跳频等通信调制办法，实现从80 bps（>6 km）到15.4 kbps（>2 km）的通信速率。
美国LinkQuest公司研制的SoundLink UWM系列水声通信机，水平通信间隔超过10 km，利用场景包含浅海和深海，能以极低的误码率实现近程UAC（最大速率为38.4 kbps）。
德国Evologics公司研制的S2C-R系列、S2C-M系列、S2C-T系列水声通信机，通过中高频通信频带覆盖了中远程通信间隔，最长途度通信间隔超过10 km。
英国Sonardyne公司研制的Modem 6系列水声通信机，能以9 kbps的有效通信速率覆盖5 km以内的范围；与各种水下环境感知传感器配套，可进行永劫光、大范围的监测，水下事情韶光达4 a。

2. 海内水声通信装备

我国开展UAC技能研究较晚，以20世纪70年代研制的仿照通信声呐、20世纪80年代完成的数字UAC技能事理研究为标志，开启了国产UAC装备的发展进程。
当前，海洋强国培植提升到新的高度，领域内的科研院所、高校、企业积极开展UAC技能研究和UAC装备开拓，如中国船舶集团有限公司第七一五研究所、中国科学院声学研究所，哈尔滨工程大学、西北工业大学、浙江大学、厦门大学，深圳市聪慧海洋科技有限公司、苏州桑泰海洋仪器研发有限任务公司、北京联合声信海洋技能有限公司等。
目前，我国具备较为完善的UAC装备自主研发能力，实现了从UAC技能理论到科研样机、再到试验样机的平稳过渡，研制的UAC装备通过了各种湖试、海试验证。

针对“蛟龙号”载人潜水器的通信需求，研制了具有数据、笔墨、语音、图像传输功能的水声通信机，在5000米级、7000米级海试等分别实现了10 kbps通信速率下的10-3误码率、10-4误码率的UAC传输。
针对“奋斗者号”载人潜水器的深海垂直通信需求，研制了全海深声学通信系统，在12.8 km的斜距上实现了包括图像在内的数据及指令的无线传输。
哈尔滨工程大学研究团队拥有MFSK、扩频、单载波、多载波等UAC系统编制的设备研制履历，发展的高可靠超远程扩频水声通信机实现了100 km的水平传输间隔，误码率达到10-4，适用于海洋潜标信息实时回传、水下无人潜航器遥控指令传输等场景；研制的水声高速通信系统，搭载于“悟空号”全海深水下无人航行器，在马里亚纳海沟实现了2 kbps ×15 km的通信指标，达到国际前辈水平。
西北工业大学研究团队紧张采取单载波、多载波通信系统编制，完成近 / 中 / 远程UAC场景下的理论研究：在远程稳健UAC方面，完成了丹江口远程UAC试验，在10.8 km间隔上实现了3 kbps、4.5 kbps的无误码通信速率；近程高速UAC通过了湖试、海试验证。

我国UAC装备的谱系化发展仍有较大空间。
深圳市聪慧海洋科技有限公司研制了包含多个通信频带、覆盖浅 / 深水域、实行近 / 中程水声传输的谱系化商用UAC装备，具有通信导航一体化和组网扩展功能，良好水文条件下的理论误码率为10-4。

（二）水下光通信装备

1. 国外水下光通信装备

国外较早启动了UWOC研究，完成了从技能理论研究到事理样机、再到谱系化妆备制造的进程。
2008年，在实验室环境下利用1064 nm波段的近红外光，由激光发射器实现了2 m间隔的水下传输，传输速率达到1 Gbps，验证了水下光传输的可行性。
采取激光作为UWOC的媒介（激光发射器的发射功率一样平常较大），可以实现水下可见光的高速率、远间隔无线传输；但激光通信存在相关闪烁等固有不敷，通信过程中收发两端须要精确对准且无遮挡，使得实用性较差。
基于蓝绿LED光源的UWOC装备较多采取非相关光源，无需严格的精确对准，加之LED光源兼顾照明和通信功能，显著提高了UWOC的可行性和便利性。
因此，研发LED光源的UWOC装备是当前的主流选择。

英国Sonardyne公司研制的BlueComm 100型UWOC机，采取450 nm蓝光作为光源，适用于各种水下光照条件，可在15 m范围内供应5 Mbps的传输速率；可实现水下***实时传输的BlueComm 200系列UWOC机，采取450 nm蓝光、400~800 nm波段白光作为光源，在水下高环境光滋扰条件下可在150 m范围内实现2.5 Mbps以上的传输速率；研制的BlueComm 200 UV型水下光通信机，采取紫外线作为光源，对自然环境光的抗滋扰能力更强，适用于靠近水面强光环境进行作业的水下平台。
瑞士Hydromea公司研制的LUMA X系列UWOC机，包含适宜深水环境利用的LUMA X型蓝光通信机、适宜近水面环境利用的LUMA X-UV型紫外线通信机，通信间隔较短（最大仅为50 m），但最大通信速率达到10 Mbps。

2. 海内水下光通信装备

2017年，浙江大学研究团队利用频谱高效的正品频分复用技能，在10 m长度的水下通道中实现了基于红绿蓝三色光、速率为9.51 Gb/s的聚合数据传输，误码率符合前向纠错的标准；复旦大学研究团队构建了基于绿光激光二极管的UWOC系统，利用非归零开关键控（NRZ-OOK）调制，实现了间隔为34.5 m、速率为2.7 Gbps的数据传输。
这些技能进展都表明，水下激光通信确实可以实现极高的通信速率，只管传输间隔有待提升。

在UWOC事理样机、商用设备研制方面，中国科学院西安光学精密机器研究所、武汉六博光电技能有限任务公司等代表了海内领先水平。
中国科学院西安光学精密机器研究所研制的水下蓝绿光通信工程样机，已经用于水下潜器间高速数据传输、海底不雅观测网高速数据回收；2020年，11 000 m全海深高速无线蓝绿光通信工程样机支持了“奋斗者号”载人潜水器环球首次万米海底电视直播。
武汉六博光电技能有限任务公司研制的30系列、50系列、75系列水下光通信机产品，最远通信间隔分别为50 m、80 m、100 m。

（三）水下电磁波通信装备

1. 国外水下电磁波通信装备

第一次天下大战期间法国将电磁波通信用于潜艇通信试验，是水下电磁波通信技能的早期研究与运用。
目前，潜艇采取的电磁波通信频段多为超低频、甚低频频段。
超低频在海水中的穿透深度超过百米，便于潜艇在较深水域吸收信息，因而超低频通信具有重大代价。
美国、俄罗斯的超低频通信分别采取76 Hz、82 Hz的中央频率，可通过电磁波实现无中继跨介质、对水下超过80 m的潜艇进行指挥通信。
然而，超低频通信具有明显的缺陷：通信速率仅为0.01 bps量级，不能知足繁芜指令的通报需求，常日仅作为关照潜艇进行收报作业的“振铃”功能；超低频率旗子暗记常日须要采取大尺寸收发天线，干系系统的地基天线长度为数十千米，拖曳天线长度超过1 km，发射功率为兆瓦级，显著增加了实际运用难度。
甚低频也是潜艇水下通信的常用频段，对海水的穿透能力常日大于20 m，潜艇可以在潜望深度或潜航状态下通过拖曳天线进行通信。
但同样由于可用带宽极为有限，甚低频只能传输低速电报和指令信息，无法知足水下高速传输信息的需求。
纵然电磁波通信存在弊端，但因其能够在没有地面中继器的情形下便捷地进行远间隔跨介质传输，国外仍在连续研发小型化的水下电磁波通信装备。

2016年，美国启动了水下通信技能的系列研发项目，以推动水下无线电通信、水下光通信、水下网络通信技能的发展。
例如，美国国防高等研究操持局（DARPA）提出了基于机器天线的微型轻质无线电发射机项目，开拓运用于无人潜航器、潜艇、水面船、蛙人之间进行水下信息互通互联的微型无线电装备；利用强电场、强磁场分外材料的机器振动产生电磁波，以显著减小无线发射机的体积并实现设备小型化。

2. 海内水下电磁波通信装备

海内从事水下电磁波通信装备研制的机构较少，现有的干系研究集中在可行性理论剖析、仿真仿照等，从装备研发到实际运用尚有一定的差距。
海军航空大学、海军工程大学研究团队针对水下不同频率电磁波的传播特性、水下环天线设计、天线辐射特性等完成了仿真剖析。
国防科技大学研究团队针对水下电磁波通信技能、基于深海直射波模型的水下电磁波通信系统等进行了较全面的研究。
西北工业大学研究团队采取电流法建立了水下电磁波高速通信系统模型并通过水槽测试，分别在0.5 m、0.8 m、1 m间隔上实现了最高1 Mbps速率的无误码高速通信。

（四）水下磁感应通信装备

1. 国外水下磁感应通信装备

UMIC技能是新兴的水下通信办法，国外正在经历从理论研究到事理样机研制的发展过程。
在早期，UMIC紧张通过试验手段验证磁场在水下传输信息的可行性。
2001年，用于浅水通信的UMIC系统在空气与水稠浊跨介质的250~400 m传输范围内实现了100~300 bps的通信速率。
2010年，英国研究团队发展了基于磁感应通信的潜水员语音通信系统（中央频率为12 kHz），实现了水面、空气、水下潜水员之间的跨介质传输（间隔为30 m）。
UMIC具有不可听、不可视的特色，目前尚不存在反制侦察手段，因而军用前景良好，得到了发达国家的高度重视。
美国的大学研究团队在实验室环境条件下实现了水下磁感应高速通信；利用磁感线圈、通用软件无线电、MSP432微掌握器，开拓了适配于无人遥控潜水器的磁感通信机模型，与水面遥控船进行了二进制相移键控通信。

2. 海内水下磁感应通信装备

海内的UMIC研究同样处于理论和试验验证阶段，高校是紧张的研究力量。
海军工程大学研究团队完成了UMIC阵列天线设计、天线特性及磁场仿真等研究。
中国矿业大学研究团队针对水下安全监测场景，就UMIC的路径损耗、实物系统构建等进行了仿真和方案设计。
哈尔滨工程大学研究团队基于通用软件无线电外设模块设计了收发轫通信电路，构建了UMIC系统，在稠浊介质传输、收发轫线圈为20 m条件下实现了10 kbps的无误码通信传输。

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率，增强各种型运载平台的水面 / 水下机动航行和作业能力，是未来水下通信系统的主要发展方向。
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、间隔、功耗方面形成互补上风。
根据实际通信场景须要，灵巧选择各种通信模式，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。

（二）水声“探通导”功能一体化妆备架构

当前的水声探测、UAC、声学定位导航设备多为独立设计和运用，干系设备的体积占用、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支配利用。
然而从功能角度看，水声探测、UAC、声学定位导航系统的事情事理、系统架构、旗子暗记处理、事情频带等具有相似之处，为“探通导”功能一体化妆备设计创造了可行性。
随着海洋信息网络的发展壮大，各种型水下平台呈现出协同作业的运用趋势；集成探测、通信、导航定位技能，开展一体化妆备架构设计，是实现水下平台资源共享、提升作业效率、增强暗藏性能、降落平台体积与功耗的主要发展方向。

（三）面向水下物联网的智能多模一体化及低功耗通信网络

万物互联是数字时期的发展主题，将物联网支配到水下环境成为未来水下通信网络的主要发展趋势，也是构成“空天海地”一体化信息物联网的关键环节。
水下物联网差异于传统水下通信网络的紧张特色有小型化、低功耗，多模态通信系统编制有机耦合，智能化做事，加之面临水下恶劣环境的多重寻衅，因而成为未来水下无线通信装备技能打破的关键方向之一。
传统的声学单模式通信网络存在传输时延高、速率低，运用处景受限等固有缺陷，须要发展智能多模一体化水下通信网络。
① 针对变革的信道环境、繁杂的通信场景，可以智能进行选择与调度，利用多模式领悟的办法，构建从海底到空气的跨介质通信链条，为稳定高效的网络做事供应物理层支撑根本。
② 网络节点智能化可提升水下通信网络对繁芜环境的自适应能力，深度强化学习等算法支持演习系统在与事情环境交互过程中探求最优策略，从而根据时变环境进行自适应调度，优化支配决策。
③ 各节点及网络整体的低功耗水平对付水下通信网络的长周期、大范围覆盖做事至关主要，共享收发两端的传感器基阵、采取通用部件方案并结合低繁芜度算法，可以达到降落节点功耗的目的。
④ 研究适应水下通信环境的低功耗网络路由协议，优化传播路径方案，支持低时延、低能耗的信息网络及传输。

（四）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系统编制全覆盖、高度协同一体化、攻防对抗精准化等能力。
在沙场通信环境繁芜程度增加后，单一通信系统编制的对抗装备不再知足运用须要，具备声、光、电、磁领悟特色的通信装备成为发展趋势。
未来通信对抗装备同样须要集成各种通信模式、覆盖全频域的对抗能力，以实现无差别的滋扰与防御。
面对快速变革的沙场对抗态势，提高水下通信对抗装备的综合运用效能成为重点方向；构建一体化的协同信息网络，支持缩短决策韶光，提高指令传达的时效性，形成一体化、网络化、智能化妆备体系，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。

整体上，我国UAC装备领域因起步较晚，在产品化和成熟度上滞后于发达国家约5年；海内机构在传播间隔、误码率性能、装备可靠性、产品谱系化等方面也掉队于国际前辈水平。
须要深化UAC算法、网络协议、试验与运用等研究，加强换能器、数字系统的硬件开拓，推进UAC谱系化产品研制。

在水下光通信装备领域，国产装备紧张在可靠性、小型化、集成度、制作工艺等方面与国外产品存在差距，尚未形成小型水下移动平台专用的UWOC装备体系，较多勾留在试验验证、样机设计阶段。

在水下电磁波装备领域，研制实际可用的微型水下电磁波通信机，将无线通信和数据传输扩展到海底、地下和其他尚不具备无线通信能力的环境中，实现跨介质通信并增强运用能力，是国外新兴发展方向。
比较之下，海内尚未启动类似研究，亟需布局水下电磁波通信技能研发项目，支持干系技能运用的创新发展。

在磁感应通信领域，目前国内外均处于理论研究和试验验证阶段，没有形成实际可用的水下通信装备。
鉴于磁感应通信在跨介质、暗藏性、通信速率等方面的固有上风，需加强磁感应通信装备研发，加速磁感应通信装备的水下实际运用。

（二）底层共性问题

传统海洋装备强国已在核心传感器体系、处理器芯片上实现模块化、数字化、标准化、谱系化、智能化发展，干系产品在国际市场上霸占了主导地位。
在我国，“探通导”装备所需的核心传感器、处理器芯片等较多依赖入口，面临着潜在的垄断、封锁和禁运风险；虽然多数常规传感器基本实现国产化，但是实际运用较少，导致海内市场上仍以入口产品为主，深远海场景所需的高端传感器表现得尤为突出。

国产传感器的准确性、稳定性、适应性等依然存在不敷。
在UWOC装备上，国产高性能光器件的成熟度不及入口产品，无法知足水下高速无线通信的实际需求；需着重发展高速大功率的氮化铟镓LED器件，据此办理UWOC系统“传不远、传烦懑”的瓶颈问题。
打破此类新型材料器件的核心技能，加快产品化及家当化进程，才能真正摆脱入口依赖现状，切实提高国产深远海通信装备发展水平。

对付深远海条件下的耐压、密封等工艺，开展系统性设计所需的底层理论剖析能力依然缺少，有关数值仿照的广度和深度亦有不敷。
在踏实提高根本研究能力之后，才能筑牢技能攻关、工程研制的根本。

（三）顶层体系

目前，我国深海通信装备领域的发展重点仍旧以高速和远程数据传输、装备稳定性及可靠性、数据安全与隐私保护、装备能源供应及掩护等为主，而干系顶层体系不足清晰，行业发展的方向性不强。
深海通信装备、深海平台的发展耦合程度高，只管部分深海通信装备完成了样机研制和干系试验，但在平台运用上较国际前辈水平还有一定的差距。
须要通过体系牵引，梳理技能根本，制订装备方案，确定重点技能方向及中长期发展目标。

开展各种通信介质的传播机理研究并建立相应的数学物理模型，为UWC装备高质量发展供应坚实的理论根本。
针对高端传感器研制中的薄弱环节，支配海洋传感器材料、工艺方面的技能攻关类项目，着力办理海洋传感器制约UWC装备发展的共性问题。
立足自主创新，支持UWC装备根本性、原创性研究，开展新材料开拓及运用、新事理与新方法领悟、新工艺等方面的攻关，提高传感器构造设计、材料开拓、共性通用等方面的研究水平，占领制约UWC装备发展的“卡脖子”问题。

（二）聚焦打破行业核心方向

UWC装备研发与运器具有投资大、周期长、需求少的分外性，也因干系运用市场不成熟而使企业的生动度及参与度偏低。
建议采取多元化筹资模式，设立水下通信装备研发与风险投资基金，瞄准UWC装备的重点发展方向，集中行业力量开展关键核心技能攻关，健全UWC装备家当链。
重点增强UWC装备智能化环境感知、水下各种信息装备间的水面 – 水下跨域通信、水下多模态信息的大规模交互通信组网、“探通导”一体化的多维信息领悟、水下攻防智能无人化网络对抗等能力。

（三）明晰装备顶层体系架构

面向深远海通信需求，开展深远海UWC装备领域的顶层设计，形成深远海UWC装备与技能的中长期发展方案；以平台设计需求为牵引，精准开展UWC装备研制和技能攻关，再以干系装备和技能发展来推动平台能力提升，构建可持续发展机制。
相应发展策略为：研制独立的UWC装备，开展各种型平台运用，形成独立的功能系统；进行平台UWC装备的智能化、网络化功能升级，构建包含深海鉴戒、不雅观测、通信、导航定位等功能在内的深远海信息综合系统；形成立体多维的深海信息体系，拓展我国深海装备运用范围。

（四）完善保障方法与扶持政策

建议组建UWC装备公共试验平台，为行业内的高校、科研机构、企业供应同等的试验保障条件。
统筹开拓UWC设备共享管理平台，办理用户实际运用需求并提高装备利用率，广泛获取一线用户的反馈，形成UWC装备良性循环发展模式。
依据UWC装备体系发展方案，采纳“产学研用”协同办法制订行业标准与规范，提高UWC装备制造及运用的标准化水平。
发布长期稳定的勉励性政策，扶持UWC装备制造业发展，深化海内运用与高水平“走出去”并举，壮大我国UWC装备家当。

注：本文内容呈现略有调度，若需可查看原文。