作者：馬遠(yuǎn)良，張群飛，王宏磊

來源：6G: Ubiquitous Extending to the Vast Underwater World of Oceans[J].Engineering,2022,8(1):12-17.

編者按

隨著人類活動(dòng)的足跡不斷向海洋深處延伸，海基通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新的重要性日益顯現(xiàn)。海水是導(dǎo)電介質(zhì)，對于海洋通信而言，尋找用于傳輸信息的載體至關(guān)重要，目前來看，聲波仍是最好的選擇，優(yōu)于無線電波、低頻電磁波和光波。20世紀(jì)以來，科技工作者在?；ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)方面已實(shí)現(xiàn)諸多科技突破，在此基礎(chǔ)上，隨著通信技術(shù)領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，尤其是6G的研發(fā)，將為海基通信網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新發(fā)展帶來新的機(jī)遇。

中國工程院馬遠(yuǎn)良院士研究團(tuán)隊(duì)在中國工程院院刊《Engineering》2022年第1期發(fā)表《6G無處不在——向廣袤海洋的水下世界延伸》一文，提出了未來水下世界6G研發(fā)的空-面-潛一體化?；W(wǎng)絡(luò)構(gòu)想。文章在全面回顧實(shí)際需求、瓶頸制約、物理發(fā)現(xiàn)、科技突破和跨學(xué)科整合的基礎(chǔ)上，總結(jié)和分析了海洋無線通信的現(xiàn)狀和潛力。文章討論了未來的發(fā)展構(gòu)想和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如信道特性的充分利用、多樣化移動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展、通信網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)等，并對于每個(gè)關(guān)鍵方面，都對應(yīng)用場景進(jìn)行了深入分析和討論。結(jié)合無線電和聲學(xué)通信的優(yōu)點(diǎn)，提出了在海洋和大氣之間建立“數(shù)據(jù)橋梁”的新概念，并提出了可行方法。文章分析表明，通過數(shù)據(jù)橋梁實(shí)現(xiàn)大氣-水面-海底網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一是可行的。

一、引言

對于無線電波的傳輸，有一個(gè)巨大的鴻溝橫亙于大氣空間和水下空間之間。空氣與海水之間的界面（簡稱水空界面）是一個(gè)隔離無線電波跨界面進(jìn)入海水的天然屏障。因?yàn)楹Ｋ菍?dǎo)電介質(zhì)，電波在其中會(huì)有很嚴(yán)重的衰減。導(dǎo)致的結(jié)果是，在廣袤海洋的水下世界，至今還沒有互聯(lián)網(wǎng)、沒有移動(dòng)通信、沒有高質(zhì)量視頻，甚至就連遠(yuǎn)距離的雙向無線通信也幾乎不存在。這真是莫大的悲哀，因?yàn)楹Ｑ竺娣e占據(jù)著地球表面積的71%，并對經(jīng)濟(jì)、生態(tài)，以及人類生存環(huán)境至關(guān)重要。

令人奇怪的是，人類在地球和月球乃至火星之間，已經(jīng)完成了信號(hào)和圖像的往返傳輸，但對于近在咫尺的海洋卻做不到。同樣，對于深地空間也不行。不得不承認(rèn)，傳輸介質(zhì)的物理約束給我們帶來了巨大的困難。

在過去一百多年中，人們付出了巨大的努力，企圖找到有利于海水中用于傳輸信息的載體。目前來看，聲波仍是最好的選擇，它優(yōu)于無線電波、低頻電磁波和光波（這三種信息載體在某些特定場景下存在優(yōu)勢）。為說明問題，這里給出一個(gè)典型的例證——不同載體在海水中傳播時(shí)介質(zhì)吸收和散射衰減量：1 kHz特低頻電磁波（ULF, 300 Hz~3 kHz）傳播100 m的衰減量為110 dB，藍(lán)綠激光傳播100 m的衰減量為15.5~50.0 dB；而對于1 kHz的聲波傳播100 km的衰減量僅為7 dB。也就是說，如果三種載體的傳播途徑完全存在于海水中的話，聲波的傳播距離將高出其他兩種載體1000倍以上。

因此，當(dāng)討論海水中的通信與網(wǎng)絡(luò)時(shí)，我們主要關(guān)注的是水聲技術(shù)，既包括水聲物理學(xué)涉及的基礎(chǔ)理論，也包括水下傳感器網(wǎng)絡(luò)和聲吶涉及的工程技術(shù)。電磁波、光波以及諸如生物學(xué)、放射學(xué)、水動(dòng)力學(xué)等其他方法，只能作為水聲技術(shù)的補(bǔ)充。

二、海洋信息科技創(chuàng)新的需求牽引

經(jīng)濟(jì)學(xué)家揭示出創(chuàng)新的規(guī)律為需求牽引和發(fā)展推動(dòng)。需求牽引涉及人的需要、市場需要所帶來的機(jī)會(huì)，而發(fā)展推動(dòng)涉及科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)進(jìn)步帶來的機(jī)會(huì)。來自海洋工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的需求是巨大的（圖1），請看以下數(shù)據(jù)。

? ?

圖1. 海洋技術(shù)創(chuàng)新的需求數(shù)據(jù)。（a）過去50年國際海洋貿(mào)易的發(fā)展。該數(shù)據(jù)來自聯(lián)合國貿(mào)易和發(fā)展會(huì)議。（b）當(dāng)前的海洋能源部署和累計(jì)裝機(jī)容量。目前所有海洋能源技術(shù)的累計(jì)裝機(jī)容量約為5.4 × 108 W。該數(shù)據(jù)來自國際可再生能源機(jī)構(gòu)。

全球船舶運(yùn)輸方面，2018年的貨物運(yùn)輸量為1.1 × 1010 t，相當(dāng)于全球平均每人1.4 t。造船工業(yè)、港口管理、運(yùn)輸安全與安保、“一帶一路”建設(shè)工作等刺激著電子商務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈和人工智能的發(fā)展。

油氣和礦物資源（包括錳結(jié)核、可燃冰等）的勘探與開采承載著巨大的海洋貿(mào)易與工業(yè)，刺激著海洋監(jiān)測與生產(chǎn)的自動(dòng)化、機(jī)器人、水下監(jiān)視以及水-空數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)的發(fā)展。

海洋水產(chǎn)包括海洋牧場、捕魚業(yè)，規(guī)模巨大，為人們提供豐富的營養(yǎng)。例如，全球每年的捕魚量約為8 × 1010 kg，相當(dāng)于每人10 kg。海帶是世界上生長最快的植物，在3個(gè)月里可長到3~4 m長。海水養(yǎng)殖還能提供海參、牡蠣等美食。養(yǎng)殖業(yè)和捕撈業(yè)刺激著水質(zhì)監(jiān)測、魚群探測、定位與漁獲量評估等技術(shù)的發(fā)展。

海上可再生綠色能源的開發(fā)，如風(fēng)能發(fā)電是迅速發(fā)展的新興工業(yè)。為避免對于沿海人口密集區(qū)的干擾，風(fēng)能發(fā)電站通常建設(shè)在離岸幾十甚至幾百公里的水域?？紤]到惡劣的海上環(huán)境，必須采用先進(jìn)的機(jī)械和數(shù)字化工程技術(shù)才行。

跨越各大洲的海底電纜支撐著全球的信息服務(wù)，是一個(gè)規(guī)模宏大的有線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)前，全球約有378條海底光纜，總長度為1.2 × 106 km，支撐著99%的跨洋信息傳輸。目前最先進(jìn)光纜的傳輸能力可達(dá)到200 Tb?s-1。海底光纜的建造和持續(xù)維護(hù)都很昂貴和困難，需要專門的技術(shù)支撐；同時(shí)還要保持其正常工作，防止間諜偷聽和信息泄露。

海洋科學(xué)技術(shù)以及人類生存環(huán)境和防務(wù)技術(shù)的研究與開發(fā)。海洋的氣-熱交換、大氣環(huán)流和海水環(huán)流影響著天氣的變化、氣候的改變（溫室效應(yīng)）以及地球?yàn)?zāi)害的發(fā)生。例如，洪災(zāi)、臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)、地震、山林火災(zāi)等導(dǎo)致地球上許多突發(fā)事件的發(fā)生。海洋污染、海水酸化、海洋生態(tài)保護(hù)（特別是生物多樣性和海洋生物的保護(hù)）以及反走私、反偷渡等問題對科技研發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)。至于防務(wù)方面，各種艦船，如航母、高速氣墊船、潛艇、自主水下航行器、船載無人機(jī)、各種傳感器、多種多樣的水下武器和軍用的C4ISR（command, control, communications, computers, intelligence, surveillance, and reconnaissance）設(shè)施，已形成大規(guī)模的海洋軍工產(chǎn)業(yè)。

本文并非要深入討論海洋工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的所有方面，而是要表明海洋經(jīng)濟(jì)的多樣性和巨大規(guī)模，以及由此帶來的技術(shù)創(chuàng)新的巨大需求。這對于當(dāng)前第五代（5G）移動(dòng)通信技術(shù)和未來第六代（6G）移動(dòng)通信技術(shù)的科技創(chuàng)新的需求是強(qiáng)烈和務(wù)實(shí)的。

三、海基通信網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新發(fā)展機(jī)遇

?；ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)可以劃分為幾個(gè)大不相同的類別：第一類是有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括海底電纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、艦船及港口光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；第二類是水面無線電通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括水面上方各種通信平臺(tái)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于連接水面艦船、浮標(biāo)、無人水面航行器、空中飛行器、沿?；竞屯ㄐ判l(wèi)星等；第三類是非聲通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，包括激光和電磁波遠(yuǎn)程通信（一個(gè)非常重要的例子是極低頻和特低頻遠(yuǎn)程指令傳輸系統(tǒng)）；第四類是水聲通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。前三類與陸基通信系統(tǒng)是類似的，相關(guān)的科技成果可通過其他領(lǐng)域得到。本文強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)是第四類，即水聲通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，尤其是以無線、移動(dòng)水聲通信系統(tǒng)為主。

20世紀(jì)初以來，科技工作者在?；ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)方面付出了極大的努力，尤其是針對兩次世界大戰(zhàn)以及美蘇對抗帶來的緊急需求。在此期間獲得了許多科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破，但是根本性的困難仍然有待解決。未來海基通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的推動(dòng)力必將來源于這些長期積累的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)進(jìn)步，連同海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的牽引，形成強(qiáng)大的創(chuàng)新動(dòng)力。

（一）數(shù)據(jù)率與距離和頻率緊密關(guān)聯(lián)

聲波在海水中的衰減與頻率的增大呈指數(shù)關(guān)系，因此遠(yuǎn)距離使用時(shí)必須采用低頻率。這樣導(dǎo)致的結(jié)果是，可用帶寬隨頻率的降低而降低，數(shù)據(jù)率也相應(yīng)降低。也就是說，近距離水聲通信時(shí)選擇較高頻率，可以得到較高的數(shù)據(jù)率；而遠(yuǎn)距離通信時(shí)選擇較低的頻率，數(shù)據(jù)率相應(yīng)降低。麻省理工學(xué)院（MIT）的Daniel B. Kilfoyle和Arthur B. Baggeroer在21世紀(jì)初曾歸納出一個(gè)規(guī)律，即水聲通信系統(tǒng)的性能包絡(luò)（performance envelope）可以近似表示為：距離與數(shù)據(jù)率的乘積約等于40 km?kbps (kbps: kilobit per second)。需要指出的是，當(dāng)時(shí)的頻譜效率較低。近年來伴隨著頻譜效率的提高而作出修正，可達(dá)到距離與數(shù)據(jù)率乘積等于100~200 km?kbps。

（二）淺海聲傳播信道的復(fù)雜性

聲信號(hào)在海水中的傳播速度依賴于介質(zhì)中不同深度上電導(dǎo)率（鹽度）、溫度和深度（簡稱CTD）分布的改變。聲速沿深度的分布稱作聲速剖面（sound speed pro?le, SSP），它的非定值性導(dǎo)致聲折射，并使傳播路徑彎曲。CTD受到地理位置、季節(jié)、氣象和水文條件的嚴(yán)重影響。這些因素伴隨著水深、海面風(fēng)浪和海流而改變，導(dǎo)致淺海聲傳播呈現(xiàn)出時(shí)-空四維變化的特點(diǎn)。聲傳播過程中，粗糙海面引起多途衰落，復(fù)雜海底地形和底質(zhì)的物理成分影響信號(hào)的反射和信道的頻域特性，使得信號(hào)出現(xiàn)頻域和時(shí)域擴(kuò)展以及傳播損失的顯著變化。由于淺海和近岸水域在工業(yè)和軍事領(lǐng)域的重要性日益提高，淺海水聲學(xué)的研究極受重視。主要考慮三個(gè)方面：首先是聲場建模與預(yù)報(bào)；其次是CTD的實(shí)時(shí)感知、海面數(shù)據(jù)的衛(wèi)星遙感以及與歷史記錄的數(shù)據(jù)同化；最后是淺海近距離水聲通信、目標(biāo)成像以及自組織水聲網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。當(dāng)前，淺海水聲學(xué)研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但是為尋求普遍可用的、可靠的解決方案，還有許多問題有待進(jìn)一步研究。

（三）遠(yuǎn)距離傳播的深海聲道的發(fā)現(xiàn)

20世紀(jì)初，美國和蘇聯(lián)的科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)發(fā)現(xiàn)，在深海中有一個(gè)深度（稱之為聲道軸），其聲速有最小值。在這個(gè)深度附近形成深海聲道（deep sea acoustic channel），聲波沿著該聲道可傳播到很遠(yuǎn)的地方。在深海聲道中，由于傳播衰減遠(yuǎn)小于其他區(qū)域，故通信距離可達(dá)數(shù)千公里。在中緯度地區(qū)，聲道軸的位置大約在1000 m深度上，并隨緯度的升高逐漸變淺。由于海洋表層的擾動(dòng)不影響深處的聲速分布，深海聲道現(xiàn)象是非常穩(wěn)定的。然而，深海聲道的應(yīng)用迄今仍然有限，究其原因可能是大深度帶來的工程技術(shù)上的困難（水密要求大于100個(gè)大氣壓）、甚低頻大功率發(fā)射換能器的缺乏，以及作為一種公共通信信道面臨的安全問題等。鑒于遠(yuǎn)距離應(yīng)用的潛在優(yōu)勢，以及近年來相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，深海聲道在未來的開發(fā)利用是大有希望的。

（四）可靠聲路徑值得大力研究

近幾十年來，另一種深海信道受到密切關(guān)注，即可靠聲路徑（RAP）。這個(gè)路徑從靠近海面的某個(gè)聲源深度開始，延伸到位于聲道軸另一側(cè)的共軛深度（該位置處聲速與聲源處相等）附近為止，該深度通常接近海底。工作在（或低于）共軛深度的接收-發(fā)射裝置可獲得非常穩(wěn)定的信號(hào)傳輸、很低的環(huán)境噪聲以及較小的傳輸損失。更為重要的是，在其上方不形成聲影區(qū)（shadow zone）——當(dāng)聲源深度較淺（小于300~500 m）時(shí)，其發(fā)射的聲波由于負(fù)折射而向下彎曲，因而在較淺的深度上傳播距離反而很近，就會(huì)形成聲影區(qū)，使直達(dá)聲的探測距離局限于幾公里以內(nèi)。顯然，水聲傳感器應(yīng)避免放置在聲影區(qū)。將傳感器置于靠近海底的共軛深度（聲源位于海面時(shí)的共軛深度叫做臨界深度）附近的優(yōu)越性十分明顯，它利用可靠聲路徑使直達(dá)聲觀測區(qū)域擴(kuò)大，當(dāng)聲源位置距海面不遠(yuǎn)時(shí)可靠聲路徑的有效半徑可達(dá)到30 km左右（中緯度地區(qū)）。中國和美國的科學(xué)家做了許多關(guān)于可靠聲路徑的研究工作，得到了許多令人鼓舞的結(jié)果。

這里還要提到另一種深海水聲傳播現(xiàn)象，即聲會(huì)聚區(qū)（convergence zone）。它是由于聲波在水體中往復(fù)地上下彎曲折射而形成的。如果不觸及海底，所能達(dá)到的最大深度在共軛深度附近。如此往復(fù)循環(huán)，形成一系列的會(huì)聚區(qū)。會(huì)聚區(qū)是有會(huì)聚增益的，由于多途匯聚的聚焦作用而產(chǎn)生，對信號(hào)的增強(qiáng)作用可達(dá)5~10 dB，第一會(huì)聚區(qū)的寬度為3~5 km。會(huì)聚區(qū)之間的跨度為50~60 km（中緯度地區(qū)），隨著會(huì)聚區(qū)序號(hào)上升，匯聚效應(yīng)逐漸減弱，會(huì)聚寬度則呈擴(kuò)展之勢。其實(shí)在接近海底的共軛深度附近也會(huì)形成會(huì)聚區(qū)，也有會(huì)聚增益?？煽柯暵窂剿曂ㄐ耪每梢岳脮?huì)聚增益，進(jìn)一步擴(kuò)大連接范圍。

（五）海面、水下和空中的運(yùn)動(dòng)觀測平臺(tái)爆炸式涌現(xiàn)

人類在廣袤海洋上的活動(dòng)是稀疏的。與陸地通信網(wǎng)絡(luò)不同的是，海洋通信網(wǎng)絡(luò)沒有連續(xù)不斷的供電，無法對鏈路隨時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)，也不可能像在陸地上一樣將通信基站密集地布滿整個(gè)海洋。這就是為什么需要構(gòu)建移動(dòng)通信平臺(tái)。這就好比在國境線上，由于條件不允許建立密集分布的固定崗哨，就用資源耗費(fèi)較少的流動(dòng)崗哨替代，不失為切合實(shí)際的好辦法。所以我們認(rèn)為，在廣袤的大海上，應(yīng)以大量的低成本移動(dòng)平臺(tái)為主，輔以少量的固定平臺(tái)，構(gòu)建海洋通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施。所述移動(dòng)平臺(tái)，應(yīng)具有廉價(jià)、節(jié)省能源、尺寸重量適度、可靠性高、環(huán)境友好以及便于布放的特點(diǎn)。在過去十多年中，滿足上述要求的大批創(chuàng)新性移動(dòng)平臺(tái)連同相應(yīng)的傳感器已經(jīng)大量涌現(xiàn)。

在海面上，除了傳統(tǒng)的錨系浮標(biāo)和各種航船外，新近出現(xiàn)了波浪滑翔器、風(fēng)能或波浪能推進(jìn)的無人船、自主水面航行器、自移動(dòng)浮標(biāo)等新型無人平臺(tái)。其中波浪滑翔器和風(fēng)能/波浪能推進(jìn)無人船收集海洋能用于航行，可在海上續(xù)航數(shù)月，甚至連續(xù)航行上萬公里；也可使之懸浮于某個(gè)固定位置附近。這就特別適合用作海面的接入點(diǎn)或者中繼通信節(jié)點(diǎn)。還有一種艦船拖曳的傳感系統(tǒng)值得注意，那就是行進(jìn)式CTD（U-CTD），它伴隨著帶拖曳導(dǎo)線的船只向前航行，將鹽度-溫度-深度傳感器探頭放入水中，并同步地釋放導(dǎo)線使探頭保持在入水位置下方不變。待測得預(yù)設(shè)深度的溫度、鹽度、深度數(shù)據(jù)后，隨船收攏到船尾附近，再進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)測量周期。

在水體中，有Argo浮標(biāo)、有人或無人的水下航行器（自主水下航行器和線控水下航行器）、漂流浮標(biāo)、錨系浮標(biāo)、水下機(jī)器人以及某種多功能的海底自主觀測站。海底自主觀測站可執(zhí)行可靠聲路徑監(jiān)測、載荷釋放（上拋信標(biāo)或釋放武器）、數(shù)據(jù)交換以及電池充電等功能。所以自主觀測站對于水下感知、通信和數(shù)據(jù)鏈的構(gòu)建十分重要，具有類似陸地移動(dòng)通信基站的功能。

在海面的上方，有無人機(jī)、直升機(jī)、飛機(jī)和衛(wèi)星。甚至某些飛行器可以潛入水中，也可以跳出海面。它們具有十分優(yōu)越的適合無線電信號(hào)傳輸?shù)沫h(huán)境條件，所以必然可與海面移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相結(jié)合，成為水聲世界連接到全球無線電世界的第一站。有一個(gè)非常重要的因素需要指出，無線電信號(hào)傳播1600 km只有約5 × 10-3 s的時(shí)延，而水聲信號(hào)的相應(yīng)時(shí)延高達(dá)1000 s之多。這個(gè)事實(shí)清楚地表明，水下路徑與空中路徑的聯(lián)合運(yùn)用，在海洋無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中應(yīng)被給予優(yōu)先考慮的地位。

四、構(gòu)筑“數(shù)據(jù)橋梁”，突破空海界面的傳輸屏障

考慮到水聲信道的低數(shù)據(jù)率和高時(shí)延特性，一旦獲得水聲信號(hào)應(yīng)盡快將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電信號(hào)送入到大氣電波信道之中，不失為明智之舉。但是怎樣做到這一點(diǎn)呢？我們的建議是構(gòu)筑“數(shù)據(jù)橋梁”（data bridge）。那么構(gòu)筑很多的橋梁可行嗎？我們的答案是：為了經(jīng)濟(jì)合算，要盡量把通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x提高到中遠(yuǎn)距離，也就是幾十公里至幾百公里，這樣橋梁的數(shù)量可以大大減少。海基通信網(wǎng)絡(luò)不可能像在城市地區(qū)那樣，通信基站的空間間隔只有1~2 km，對于5G和6G網(wǎng)絡(luò)這個(gè)間隔變得更小。海基通信網(wǎng)絡(luò)必然是稀疏和異質(zhì)的。

（一）中/遠(yuǎn)距離水聲通信的研究進(jìn)展

在過去十余年中，有一些深海水聲通信實(shí)驗(yàn)，揭示出中/遠(yuǎn)程通信的發(fā)展?jié)摿?。美國加利福尼亞州外海的一次?shí)驗(yàn)，使用1 kHz中心頻率和兩只接收水聽器，在200 km距離上達(dá)到了1000 bps（bits per second）的數(shù)據(jù)率。數(shù)據(jù)率與距離的乘積高達(dá)200 km?kbps，超過了上述40 km?kbps的限制。另一個(gè)實(shí)驗(yàn)采用二進(jìn)制相移鍵控（binary phase shift keying modulation, BPSK）調(diào)制和虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)信道均衡技術(shù)，基于100 Hz頻帶寬度（450~550 Hz），在1000 km距離上得到了100 bps的數(shù)據(jù)率。關(guān)于深海聲道的水聲通信，采用位于聲道軸（1000 m深度）附近的固定聲源發(fā)射和水聽器垂直線列陣接收，在600 km距離上，得到400 bps的數(shù)據(jù)率，其頻譜效率達(dá)到4 bps?Hz-1。還有一個(gè)海盆尺度的實(shí)驗(yàn)，采用雙相鍵控的M序列信號(hào)、75 Hz中心頻率、20元垂直線列陣與時(shí)間反轉(zhuǎn)信道均衡技術(shù)，在大約3250 km的距離上，得到了37.5 bps的數(shù)據(jù)率。關(guān)于可靠聲路徑水聲通信，理論分析的結(jié)果令人鼓舞，但實(shí)驗(yàn)有待開展。從以上幾個(gè)實(shí)驗(yàn)可以看出，深海遠(yuǎn)距離通信是可行的，不過數(shù)據(jù)率仍然比較低。考慮到通信信號(hào)和信道響應(yīng)都具有稀疏性，或許運(yùn)用壓縮感知方法有可能進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)率與距離的乘積。

水面平臺(tái)的無線電通信，其實(shí)也面臨中等距離和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}。對于甚高頻（VHF, 30~300 MHz）、超高頻（UHF, 300 MHz~3 GHz）和微波波段，視距通信受到地球曲率的限制，通信距離取決于天線高度，通常在40 km以內(nèi)。所以需要找到超視距的方法。幸運(yùn)的是，海面上方的空氣薄層形成蒸發(fā)波導(dǎo)（evaporation duct, ED）——因?yàn)樗?氣熱交換導(dǎo)致海水蒸發(fā)，形成電波傳播向下彎曲的折射條件，進(jìn)而產(chǎn)生波導(dǎo)效應(yīng)。蒸發(fā)波導(dǎo)的上界高度為20~30 m，由氣象條件決定。大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究表明，微波在蒸發(fā)波導(dǎo)中的超視距傳播距離可達(dá)數(shù)百公里。

（二）構(gòu)筑跨界面“數(shù)據(jù)橋梁”

人們一直在尋找克服水-空傳輸屏障的技術(shù)途徑。作者認(rèn)為以下幾種途徑應(yīng)該是具有創(chuàng)新發(fā)展?jié)摿Φ膬?yōu)選對象，并將其稱為跨越水空界面的“四道橋梁”。

第一道橋梁，漂浮在海面上的水聲-無線電浮標(biāo)。在其水下部分懸掛著接收水聽器或水聽器陣，在其空中部分有無線電發(fā)射機(jī)，兩者之間是信號(hào)處理電路。任何具有這種功能的水面平臺(tái)都可作為橋梁，將水聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電信號(hào)后送出水面，進(jìn)入大氣空間。還有一種微型的彈出式浮標(biāo)，可以被布放在海底自主觀測站上。當(dāng)需要發(fā)送信息時(shí)，彈出式浮標(biāo)被釋放并通過其浮力運(yùn)送到水面，向空中傳輸無線電信號(hào)。

第二道橋梁，甚低頻電磁波（VLF, 3~30 kHz）。甚低頻電磁波非常適合于跨越水空界面的信號(hào)傳輸。特別是當(dāng)輻射源處于水面以下幾米或幾十米時(shí)，所發(fā)射的電磁波信號(hào)（包括從水聲信號(hào)轉(zhuǎn)換而來的電磁波信號(hào)）可直接穿透水空界面在空氣中產(chǎn)生水平傳播的側(cè)面波，沿界面?zhèn)鞑サ街械染嚯x的目的地或中繼節(jié)點(diǎn)。這種技術(shù)途徑的明顯優(yōu)點(diǎn)是：不需要海面浮體或類似平臺(tái)，所以特別適合于自主水下航行器或其他水下移動(dòng)平臺(tái)使用；同時(shí)可以避免水聲通信的干擾和海面平臺(tái)的碰撞。在近岸地區(qū)，還有可能利用海水-海底-陸地傳播路徑，將信號(hào)直接送往陸地。其他頻段的電磁波，如甚高頻和極低頻電磁波都有其特殊的用武之地。甚高頻電磁波適合作為短距離高數(shù)據(jù)率的載波信號(hào)，穿透水空界面?zhèn)鞑サ娇罩?。極低頻電磁波適用于從規(guī)模龐大的陸基天線，將指令控制信息傳播到數(shù)千公里外的海面上方，并從那里穿透海水后到達(dá)接收機(jī)。極低頻的顯著優(yōu)點(diǎn)是，電磁波的傳播路徑絕大部分在空氣中，其傳播速度接近光速，只有傳播路徑的最后部分，即從海面向下到接收機(jī)的幾百米，涉及在海水中的低速傳播。電磁波在導(dǎo)電海水中的傳播速度隨頻率的降低而減小。當(dāng)頻率降低到10 Hz時(shí)，傳播速度僅為5000 m?s-1。即便如此，從陸地到數(shù)千公里外的水下指令傳輸也只需十分之一秒的時(shí)間。與具有幾千秒時(shí)間延遲的水聲傳輸相比，這樣的時(shí)間延遲在實(shí)際應(yīng)用中是非常重要的。

第三道橋梁，即海洋移動(dòng)平臺(tái)。它可以在全水深中游弋，收集任何水聲探測裝置上獲得的數(shù)據(jù)，在航行到水面后將數(shù)據(jù)傳送給無線電接收機(jī)。誠然會(huì)有航行帶來的時(shí)延，但是可以借助批處理方法，以近距離高速率方式收集數(shù)據(jù)，一旦天線露出水面就在短時(shí)間內(nèi)把大量數(shù)據(jù)發(fā)送到電波信道中。實(shí)際上，激光通信技術(shù)也有類似應(yīng)用，不過獲取數(shù)據(jù)時(shí)的對準(zhǔn)問題要得到適當(dāng)?shù)慕鉀Q。顯然，自主水下航行器、無人水下航行器、遙控?zé)o人潛水器甚至有人潛水器都可以具備這種功能。

第四道橋梁是一種新發(fā)現(xiàn)的方法，對水下聲音產(chǎn)生的海表面條紋進(jìn)行微波探測。當(dāng)水聲信號(hào)入射到海面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的紋理，混合于海面波浪的擾動(dòng)之中。最近MIT的一個(gè)團(tuán)隊(duì)報(bào)道了實(shí)驗(yàn)室測試的結(jié)果，用微波方法獲得令人鼓舞的結(jié)果。2009年，也有學(xué)者在MIT該項(xiàng)工作之前在水箱實(shí)驗(yàn)中獲得了成功。這種方法是單方向的，僅用于接收。不過，有研究者利用聲波調(diào)制的激光束或者微波束照射海水，在水下產(chǎn)生聲波信號(hào)。其原理就是使水面下方的水體受到高強(qiáng)度激光或者微波的照射，受熱并爆炸性膨脹，汽化后產(chǎn)生聲脈沖，進(jìn)而產(chǎn)生具有垂直方向的聲波波束。然而，此種方式下信號(hào)波形的控制仍是有待解決的問題。還有一種單向的跨界面?zhèn)鬏敺椒?，就是用聲波近似垂直地直接照射海面，它可以沿著照射點(diǎn)周圍的“透聲窗口”進(jìn)入水中。如果聲波頻率較低，則有可能傳播到水下很遠(yuǎn)的地方。多年前報(bào)道過一艘潛艇在深海區(qū)檢測到數(shù)百公里之外的飛機(jī)輻射噪聲信號(hào)。不幸的是，反過來在空氣中直接檢測水下聲信號(hào)卻不可行，除非聲源的深度遠(yuǎn)小于波長。有人做了理論證明，在此條件下水下聲波可以直接穿透界面進(jìn)入空中，就像聲源上方的薄水層（與波長相比）不存在一樣。

五、展望：構(gòu)建連接空-面-潛的一體化?；W(wǎng)絡(luò)

綜上所述，一體化的空-面-潛（air-surface-undersea）?；W(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成途徑清晰呈現(xiàn)在我們面前。

首先，在任何地方、任何時(shí)間與廣闊的深水世界進(jìn)行通信是可行的，因?yàn)橛兄T多有益的信道可以利用，如深海聲道、可靠聲路徑信道、空/?？缃橘|(zhì)信道和海洋移動(dòng)平臺(tái)。通過對這些信道的合理利用，可以避免一體化通信時(shí)鏈路的頻繁“掉線”。例如，在海面節(jié)點(diǎn)和位于聲影區(qū)的節(jié)點(diǎn)之間建立通信鏈路時(shí)，可以通過可靠聲路徑信道將海面節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸至海底后再傳輸?shù)铰曈皡^(qū)。

其次，通過水聲技術(shù)和空中無線電傳輸技術(shù)的有效結(jié)合，可以大大改善水下數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的高延時(shí)和低數(shù)據(jù)率的現(xiàn)狀。這意味著，只要水下數(shù)據(jù)通過跨界面“數(shù)據(jù)橋梁”傳輸至空中，就能獲得如同6G的傳輸速率。同時(shí)，水聲通信本身也可以通過更好地利用信道特性和新概念技術(shù)來提高頻譜效率，如軌道角動(dòng)量調(diào)制。然而，考慮到空中和水下通信在數(shù)據(jù)率上的巨大差異，未來仍需在數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)文件分割和合并、時(shí)間壓縮和拉伸、利用自主水下航行器轉(zhuǎn)運(yùn)大批量數(shù)據(jù)塊等方向展開深入的研究。希望在這些方向上的技術(shù)突破可以幫助低速率的水下通信融合到高速率的空中5G/6G通信中去。

最后，與固定式線纜連接的海底網(wǎng)絡(luò)相比，所提出的一體化空-面-潛?；W(wǎng)絡(luò)是無線、分布式和由機(jī)動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成的，因此可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“無所不聯(lián)”。正如移動(dòng)無線通信相比固定有線電話帶給人們?nèi)碌纳畋憷?，我們相信一個(gè)無線和可移動(dòng)的?；W(wǎng)絡(luò)肯定會(huì)提供巨大的新機(jī)遇。然而，這并不是說所有的水下固定式網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)該被取代，它們在近?；蜓睾\水區(qū)仍存在獨(dú)特的優(yōu)勢。我們認(rèn)為，未來的應(yīng)用中水下固定式網(wǎng)絡(luò)或許將成為無線網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充手段。

目前，在水下世界中開發(fā)一個(gè)類似于陸地和空天環(huán)境中那樣的一體化網(wǎng)絡(luò)還很難立刻實(shí)現(xiàn)。更為現(xiàn)實(shí)的做法是，鼓勵(lì)為達(dá)此目的開展多種不同技術(shù)途徑的創(chuàng)新研究。我們希望，有大批的研究團(tuán)隊(duì)和研究項(xiàng)目涌現(xiàn)出來，針對海洋一體化網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用需求、不同信號(hào)傳播條件、不同聯(lián)網(wǎng)規(guī)模進(jìn)行研究。多樣性、異質(zhì)性、可擴(kuò)展規(guī)模的海洋網(wǎng)絡(luò)研究都應(yīng)該受到鼓勵(lì)。在這個(gè)啟動(dòng)階段，研究與開發(fā)的環(huán)境、投資與管理的政策是特別重要的。在經(jīng)歷一段多樣化發(fā)展時(shí)期之后，豐富的成果積累將足以支撐建設(shè)海洋一體化網(wǎng)絡(luò)的終極目標(biāo)。我們有理由相信，有朝一日水下色彩斑斕的魚群活動(dòng)視頻將可實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在普通家庭的電視屏幕上；海底的采礦設(shè)備可以在陸基工廠中通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遙控；自主水下航行器可以在數(shù)百公里外與母船通信聯(lián)絡(luò)；極端天氣預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)可以在第一時(shí)間到達(dá)科學(xué)家手中；水下世界的信息無論從全球何處接入都具有盡可能小的時(shí)間延遲。

然而，我們不可過于浪漫，在一體化網(wǎng)絡(luò)到來之前最好從眼前的小規(guī)模試驗(yàn)田做起：開發(fā)一個(gè)局域的水聲無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，并使它跨越水空界面連接到空中無線電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。最好在深水區(qū)去做該試驗(yàn)田，并達(dá)到中/遠(yuǎn)距離通信；其基本元素應(yīng)該是：海底自主觀測站或者數(shù)據(jù)匯聚器（水聲自主監(jiān)測站），深海可靠聲路徑傳播信道，水下及水面航行的自主水下航行器和無人水面艇（或者無線電-水聲浮標(biāo)），共同形成一個(gè)跨界面的最小網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。圖2呈現(xiàn)了局域一體化海洋無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想。未來，倘若5G/6G技術(shù)滿足水下通信的要求，也可以加入到一體化網(wǎng)絡(luò)中去。這樣的局域網(wǎng)絡(luò)可以得到寶貴的“第一眼印象”，對后續(xù)發(fā)展大規(guī)模一體化網(wǎng)絡(luò)有很大好處。但迄今為止，還沒有見到過如此示范性的局域海洋一體化通信網(wǎng)絡(luò)。曾經(jīng)報(bào)道過的是電纜連接的水聲監(jiān)測系統(tǒng)（SOSUS），以及后來的光纜多節(jié)點(diǎn)水聲監(jiān)測系統(tǒng)。它們是一些固定設(shè)施，非常昂貴，靈活性不足且維修困難，其運(yùn)行須依賴陸基設(shè)施。然而，為了在全球海洋任何地方實(shí)現(xiàn)水下和水上的良好連接，更應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是：無線、移動(dòng)、可擴(kuò)展以及低成本。目前需要突破的技術(shù)還很多，也很迫切，所以不要猶豫，讓我們從種好試驗(yàn)田開始行動(dòng)。

? ?

圖2. 空-面-潛一體化?；W(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想。

六、結(jié)語

4G/5G技術(shù)已取得巨大進(jìn)展，6G也已成為人們關(guān)注的熱門話題，然而在廣袤海洋的水下世界里，有關(guān)無線移動(dòng)通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。究其原因是一個(gè)公開的科學(xué)技術(shù)問題，涉及海水介質(zhì)中電磁波的傳輸受限和水聲技術(shù)的發(fā)展前景。基于對這個(gè)問題的分析，本文給出了未來水下世界里6G研發(fā)的解決方案和愿景。本文在全面回顧實(shí)際需求、瓶頸制約、物理發(fā)現(xiàn)、科技突破和跨學(xué)科整合的基礎(chǔ)上，總結(jié)和分析了海洋無線通信的現(xiàn)狀和潛力。指出并討論了未來的發(fā)展構(gòu)想和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如信道特性的充分利用、多樣化移動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展、通信網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)等。對于每個(gè)關(guān)鍵方面，都對應(yīng)用場景進(jìn)行了深入的分析和討論。為了結(jié)合無線電和聲學(xué)通信的優(yōu)點(diǎn)，提出了在海洋和大氣之間建立“數(shù)據(jù)橋梁”的新概念，并提出了可行的方法。分析表明，通過這些橋梁建立空-面-潛一體化?；W(wǎng)絡(luò)是可行的。雖然愿景是光明的，但由于海洋系統(tǒng)的稀疏性和異質(zhì)性，人們必須從各種應(yīng)用場景下的局域演示試驗(yàn)系統(tǒng)開始逐步發(fā)展和演進(jìn)?？傊Ｑ笫澜绲?G通信可能與陸地甚至空中的6G非常不同。6G的普遍性在海洋中仍然是有希望的，但是是以一種非常特殊的形式。

實(shí)際上，大規(guī)模的水下通信網(wǎng)絡(luò)有一些特點(diǎn)，與深地和深空環(huán)境下的通信網(wǎng)絡(luò)有共同性。比如，都受到物理層面的客觀約束、通信時(shí)延大、跨越多種介質(zhì)、異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及特殊的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。深地和深空環(huán)境下的通信網(wǎng)絡(luò)也同樣存在迫切的需求牽引和創(chuàng)新發(fā)展推動(dòng)。因此，在對深地、深空、深海的探索過程中都涉及共同的通信問題，它們之間應(yīng)該協(xié)同發(fā)展、取長補(bǔ)短。若如是，6G的研究領(lǐng)域和應(yīng)用范圍將由此得到進(jìn)一步拓展。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。

改編原文：

Yuanliang Ma, Qunfei Zhang, Honglei Wang.6G: Ubiquitous Extending to the Vast Underwater World of Oceans[J].Engineering,2022,8(1):12-17.

作者介紹

?

馬遠(yuǎn)良，水聲工程與信息處理專家，中國工程院院士。

主要從事水聲工程科學(xué)和裝備研究。?

編輯：黃飛

?