美军水下通信技术发展现状及展望

　　本文由国防科技要闻（ID:CDSTIC）授权转载，作者：高原

• DARPA寻求先进的水下通信技术

• 美国水下蓝绿光通信速率有望显著提高

　　当前，随着美海军潜艇、无人潜航器以及传感器等装备的高速发展，如何在水下进行高速、稳定的数据传输成为美军亟待解决的关键技术难题。美国依托DARPA、国家自然科学基金委等机构，长期支持相关高校和研究单位开展水下通信领域研究。近一年以来，相关期刊和会议中关于水下通信技术的论文显示，美国在水声通信、光通信、射频通信等传统水下通信领域的传输速率和组网能力方面的研究不断取得进展，在新兴的磁感应通信领域的传输速率和安全性方面取得较大进步，为美军未来建设水下无人作战部队奠定了重要的技术基础。

一、水下通信的主要途径

　　水声通信以声波为传输载体，经历了数十年发展，其性能已经趋于稳定。当前，美军现役水声通信设备的声波传输速度约为1500米/秒，传输距离可达数千米，但是传输速率仅能够达到千比特/秒（kb/s）量级，且容易受到水温、水压、盐分、多普勒效应、水下噪声等多种因素的影响，因而仅能够传输语音信号，完全无法适应复杂战场态势，且易被敌方声纳侦察设备探测到，目前通常作为水下远距离通信的辅助手段使用。

　　水下光通信利用可见光作为载体，在水声通信的基础上提升了传输速率。当前，美军在部分无人作战单元上装载了近距离光通信终端，其传输速率可以达到兆比特/秒（Mb/s）量级，传输距离约可达到100米，适用于水下编队的点到点传输和组网。其不足之处在于容易受到光散射和背景光污染的影响，且光源易被敌方的可视侦察手段探知，因而通信的隐蔽性较差，但是信号难以被破译。

　　水下微波通信以电磁波为载体，原本设计用于水下单元浮出水面后与预警机、卫星等通信。在水下使用时，与光通信具有相似的性能和参数，受到传输介质和多径效应的影响，其传输距离约为10米，传输速率可以达到兆比特/秒量级，通信隐蔽性好于光通信，通常用于水上通信以及与水面的中继通信。

　　磁感应通信是近两年研究的新型通信手段，采用磁场为载体，通过改变磁场强度进行信息传输，兼顾了光通信与电磁波通信的优势，其传输距离可达100米，速率可达兆比特/秒量级，且具有极强的隐蔽性，现有侦测设备的精度难以发现，得到美国自然科学基金委和DARPA的高度重视。

二、主要进展

　　受复杂水文环境的影响，水下军用通信系统主要面临三大难题：水下通信速率、水下通信隐蔽性以及水下与水上互联互通。围绕这三大问题，目前美军开展了一系列卓有成效的研究。

　　在水下通信速率方面，美海军现役装备中采用水声通信、光通信、微波通信的方式均无法超越20Mb/s的传输速率，还无法传输战场高清视频等大容量数据。目前，为提升水下通信速率，美国开展的研究主要聚焦于采用衰减更低的蓝绿色光通信、更加先进的信道编码、正交载波复用、分布式数据传输和协同等方式。美国密歇根大学、斯坦福大学等大学研究人员已经在实验室环境下，实现了约50Mb/s水下光通信速率，利用协同降噪技术的水声通信速率可以达到约100kb/s，微波通信速率可达21.4Mb/s，较现役装备有较大进步。通过新的协议栈和链路设计，使得多单位组网和协同能力有了较大进步。

　　在水下通信隐蔽性方面，水声通信和光通信的先天保密性较差，采用简单的声纳和成像侦察即可完全探知目标，通信保密性能完全依靠通信加密本身。微波通信的信号衰减较大，只能在极小范围内使用，保密性相对较强，但也限制了水下通信的使用，目前常用于浮出水面时通信。磁感应通信具有天生的安全优势，在保证传输速率的同时也极难被侦测，是未来水下通信系统的重点关注领域。美国乔治亚理工大学和纽约州立大学的研究人员已于2015年在实验室环境下实现了水下磁感应通信，并在2016年7月将传输速率提高到约26Mb/s。目前该通信方式尚没有有效的侦察手段反制，得到美军相关研究单位的高度重视。

　　在水下与水上互联互通问题上，目前美军现役“俄亥俄”级潜艇采用的是浮出水面进行微波通信或者利用水面浮标进行中继通信。近一年来，美国等国家在采用水面中继的通信方式上有了较快的发展，通过拖曳式水面浮标或者部署式水面浮标，实现水下作战单元与水面舰船、飞机、卫星等进行中继通信。其水上部分传输速率可达225Mb/s，拖曳式光纤通信浮标的水下部分传输速率可达1Gbps，部署式浮标的水下部分光传输速率可达44.6Mb/s，且均可以支持编队组网和协同。

三、未来展望

　　当前，随着无人与智能化装备的高速发展，水下通信技术逐渐成为影响水下作战部队信息化作战的瓶颈，无法支持复杂战场态势信息实时传输的需求，面临较大挑战。

　　首先，在传输速率方面，水声通信、微波通信和光通信等传统通信手段难以形成突破，无法支持视频传输、复杂战场信息传输等未来信息化作战需求。

　　其次，在传输隐蔽性方面，水声通信和光通信容易暴露自身目标，具有先天难以弥补的劣势，磁感应通信系统的出现有可能解决上述弊端。在保证传输速率和安全性的同时，适应各种复杂的水文环境，具有成为未来水下通信系统的首选方案的潜质。

　　最后，在水下与水上互联互通问题上，通过浮标实现水下与水上通信的中继已成为各国海军的共识，当前各国仍在大力研究浮标的无间断供电、小型化以及伪装问题，以增强水下目标的生存性。