作者：馬遠良，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

隨著人類活動的足跡不斷向海洋深處延伸，?；?a href="http://m.sdkjxy.cn/tongxin/" target="_blank">通信網(wǎng)絡技術創(chuàng)新的重要性日益顯現(xiàn)。海水是導電介質(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世紀以來，科技工作者在海基通信網(wǎng)絡方面已實現(xiàn)諸多科技突破，在此基礎上，隨著通信技術領域的不斷進步，尤其是6G的研發(fā)，將為海基通信網(wǎng)絡的創(chuàng)新發(fā)展帶來新的機遇。

中國工程院馬遠良院士研究團隊在中國工程院院刊《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)絡構想。文章在全面回顧實際需求、瓶頸制約、物理發(fā)現(xiàn)、科技突破和跨學科整合的基礎上，總結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)展構想和關鍵環(huán)節(jié)，如信道特性的充分利用、多樣化移動平臺的發(fā)展、通信網(wǎng)絡的組織結構等，并對于每個關鍵方面，都對應用場景進行了深入分析和討論。結合無線電和聲學通信的優(yōu)點，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)橋梁實現(xiàn)大氣-水面-海底網(wǎng)絡的統(tǒng)一是可行的。

一、引言

對于無線電波的傳輸，有一個巨大的鴻溝橫亙于大氣空間和水下空間之間?？諝馀c海水之間的界面（簡稱水空界面）是一個隔離無線電波跨界面進入海水的天然屏障。因為海水是導電介質(zhì)，電波在其中會有很嚴重的衰減。導致的結果是，在廣袤海洋的水下世界，至今還沒有互聯(lián)網(wǎng)、沒有移動通信、沒有高質(zhì)量視頻，甚至就連遠距離的雙向無線通信也幾乎不存在。這真是莫大的悲哀，因為海洋面積占據(jù)著地球表面積的71%，并對經(jīng)濟、生態(tài)，以及人類生存環(huán)境至關重要。

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，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，這里給出一個典型的例證——不同載體在海水中傳播時介質(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，當討論海水中的通信與網(wǎng)絡時，我們主要關注的是水聲技術，既包括水聲物理學涉及的基礎理論，也包括水下傳感器網(wǎng)絡和聲吶涉及的工程技術。電磁波、光波以及諸如生物學、放射學、水動力學等其他方法，只能作為水聲技術的補充。

二、海洋信息科技創(chuàng)新的需求牽引

經(jīng)濟學家揭示出創(chuàng)新的規(guī)律為需求牽引和發(fā)展推動。需求牽引涉及人的需要、市場需要所帶來的機會，而發(fā)展推動涉及科學發(fā)現(xiàn)、技術進步帶來的機會。來自海洋工業(yè)和經(jīng)濟的需求是巨大的（圖1），請看以下數(shù)據(jù)。

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圖1. 海洋技術創(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)展會議。（b）當前的海洋能源部署和累計裝機容量。目前所有海洋能源技術的累計裝機容量約為5.4 × 108 W。該數(shù)據(jù)來自國際可再生能源機構。

全球船舶運輸方面，2018年的貨物運輸量為1.1 × 1010 t，相當于全球平均每人1.4 t。造船工業(yè)、港口管理、運輸安全與安保、“一帶一路”建設工作等刺激著電子商務、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)的自動化、機器人、水下監(jiān)視以及水-空數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g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，相當于每人10 kg。海帶是世界上生長最快的植物，在3個月里可長到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的發(fā)展。

海上可再生綠色能源的開發(fā)，如風能發(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，風能發(fā)電站通常建設在離岸幾十甚至幾百公里的水域。考慮到惡劣的海上環(huán)境，必須采用先進的機械和數(shù)字化工程技術才行。

跨越各大洲的海底電纜支撐著全球的信息服務，是一個規(guī)模宏大的有線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡系統(tǒng)。當前，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。目前最先進光纜的傳輸能力可達到200 Tb?s-1。海底光纜的建造和持續(xù)維護都很昂貴和困難，需要專門的技術支撐；同時還要保持其正常工作，防止間諜偷聽和信息泄露。

海洋科學技術以及人類生存環(huán)境和防務技術的研究與開發(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）以及地球災害的發(fā)生。例如，洪災、臺風、颶風、地震、山林火災等導致地球上許多突發(fā)事件的發(fā)生。海洋污染、海水酸化、海洋生態(tài)保護（特別是生物多樣性和海洋生物的保護）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、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)濟發(fā)展需求的所有方面，而是要表明海洋經(jīng)濟的多樣性和巨大規(guī)模，以及由此帶來的技術創(chuàng)新的巨大需求。這對于當前第五代（5G）移動通信技術和未來第六代（6G）移動通信技術的科技創(chuàng)新的需求是強烈和務實的。

三、海基通信網(wǎng)絡的創(chuàng)新發(fā)展機遇

海基通信網(wǎng)絡可以劃分為幾個大不相同的類別：第一類是有線網(wǎng)絡系統(tǒng)，包括海底電纜網(wǎng)絡系統(tǒng)、艦船及港口光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)；第二類是水面無線電通信網(wǎng)絡系統(tǒng)，包括水面上方各種通信平臺構成的網(wǎng)絡系統(tǒng)，用于連接水面艦船、浮標、無人水面航行器、空中飛行器、沿海基站和通信衛(wèi)星等；第三類是非聲通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡，包括激光和電磁波遠程通信（一個非常重要的例子是極低頻和特低頻遠程指令傳輸系統(tǒng)）；第四類是水聲通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡。前三類與陸基通信系統(tǒng)是類似的，相關的科技成果可通過其他領域得到。本文強調(diào)的重點是第四類，即水聲通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡，尤其是以無線、移動水聲通信系統(tǒng)為主。

20世紀初以來，科技工作者在海基通信網(wǎng)絡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發(fā)現(xiàn)和技術突破，但是根本性的困難仍然有待解決。未來?；ㄐ啪W(wǎng)絡領域創(chuàng)新發(fā)展的推動力必將來源于這些長期積累的科學發(fā)現(xiàn)與技術進步，連同海洋經(jīng)濟發(fā)展需求的牽引，形成強大的創(chuàng)新動力。

（一）數(shù)據(jù)率與距離和頻率緊密關聯(lián)

聲波在海水中的衰減與頻率的增大呈指數(shù)關系，因此遠距離使用時必須采用低頻率。這樣導致的結果是，可用帶寬隨頻率的降低而降低，數(shù)據(jù)率也相應降低。也就是說，近距離水聲通信時選擇較高頻率，可以得到較高的數(shù)據(jù)率；而遠距離通信時選擇較低的頻率，數(shù)據(jù)率相應降低。麻省理工學院（MIT）的Daniel B. Kilfoyle和Arthur B. Baggeroer在21世紀初曾歸納出一個規(guī)律，即水聲通信系統(tǒng)的性能包絡（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，當時的頻譜效率較低。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雜性

聲信號在海水中的傳播速度依賴于介質(zhì)中不同深度上電導率（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重影響。這些因素伴隨著水深、海面風浪和海流而改變，導致淺海聲傳播呈現(xiàn)出時-空四維變化的特點。聲傳播過程中，粗糙海面引起多途衰落，復雜海底地形和底質(zhì)的物理成分影響信號的反射和信道的頻域特性，使得信號出現(xiàn)頻域和時域擴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)和軍事領域的重要性日益提高，淺海水聲學的研究極受重視。主要考慮三個方面：首先是聲場建模與預報；其次是CTD的實時感知、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、目標成像以及自組織水聲網(wǎng)絡的構建。當前，淺海水聲學研究已經(jīng)取得了一些進展，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一步研究。

（三）遠距離傳播的深海聲道的發(fā)現(xiàn)

20世紀初，美國和蘇聯(lián)的科學家?guī)缀跬瑫r發(fā)現(xiàn)，在深海中有一個深度（稱之為聲道軸），其聲速有最小值。在這個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的地方。在深海聲道中，由于傳播衰減遠小于其他區(qū)域，故通信距離可達數(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，深海聲道的應用迄今仍然有限，究其原因可能是大深度帶來的工程技術上的困難（水密要求大于100個大氣壓）、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。鑒于遠距離應用的潛在優(yōu)勢，以及近年來相關領域的技術進步，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注，即可靠聲路徑（RAP）。這個路徑從靠近海面的某個聲源深度開始，延伸到位于聲道軸另一側的共軛深度（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）——當聲源深度較淺（小于300~500 m）時，其發(fā)射的聲波由于負折射而向下彎曲，因而在較淺的深度上傳播距離反而很近，就會形成聲影區(qū)，使直達聲的探測距離局限于幾公里以內(nèi)。顯然，水聲傳感器應避免放置在聲影區(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聲觀測區(qū)域擴大，當聲源位置距海面不遠時可靠聲路徑的有效半徑可達到30 km左右（中緯度地區(qū)）。中國和美國的科學家做了許多關于可靠聲路徑的研究工作，得到了許多令人鼓舞的結果。

這里還要提到另一種深海水聲傳播現(xiàn)象，即聲會聚區(qū)（convergence zone）。它是由于聲波在水體中往復地上下彎曲折射而形成的。如果不觸及海底，所能達到的最大深度在共軛深度附近。如此往復循環(huán)，形成一系列的會聚區(qū)。會聚區(qū)是有會聚增益的，由于多途匯聚的聚焦作用而產(chǎn)生，對信號的增強作用可達5~10 dB，第一會聚區(qū)的寬度為3~5 km。會聚區(qū)之間的跨度為50~60 km（中緯度地區(qū)），隨著會聚區(qū)序號上升，匯聚效應逐漸減弱，會聚寬度則呈擴展之勢。其實在接近海底的共軛深度附近也會形成會聚區(qū)，也有會聚增益?？煽柯暵窂剿曂ㄐ耪每梢岳脮墼鲆?，進一步擴大連接范圍。

（五）海面、水下和空中的運動觀測平臺爆炸式涌現(xiàn)

人類在廣袤海洋上的活動是稀疏的。與陸地通信網(wǎng)絡不同的是，海洋通信網(wǎng)絡沒有連續(xù)不斷的供電，無法對鏈路隨時進行人工干預，也不可能像在陸地上一樣將通信基站密集地布滿整個海洋。這就是為什么需要構建移動通信平臺。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，就用資源耗費較少的流動崗哨替代，不失為切合實際的好辦法。所以我們認為，在廣袤的大海上，應以大量的低成本移動平臺為主，輔以少量的固定平臺，構建海洋通信網(wǎng)絡的基礎設施。所述移動平臺，應具有廉價、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。在過去十多年中，滿足上述要求的大批創(chuàng)新性移動平臺連同相應的傳感器已經(jīng)大量涌現(xiàn)。

在海面上，除了傳統(tǒng)的錨系浮標和各種航船外，新近出現(xiàn)了波浪滑翔器、風能或波浪能推進的無人船、自主水面航行器、自移動浮標等新型無人平臺。其中波浪滑翔器和風能/波浪能推進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固定位置附近。這就特別適合用作海面的接入點或者中繼通信節(jié)點。還有一種艦船拖曳的傳感系統(tǒng)值得注意，那就是行進式CTD（U-CTD），它伴隨著帶拖曳導線的船只向前航行，將鹽度-溫度-深度傳感器探頭放入水中，并同步地釋放導線使探頭保持在入水位置下方不變。待測得預設深度的溫度、鹽度、深度數(shù)據(jù)后，隨船收攏到船尾附近，再進入下一個循環(huán)測量周期。

在水體中，有Argo浮標、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、錨系浮標、水下機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)鏈的構建十分重要，具有類似陸地移動通信基站的功能。

在海面的上方，有無人機、直升機、飛機和衛(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傳輸?shù)沫h(huán)境條件，所以必然可與海面移動節(jié)點相結合，成為水聲世界連接到全球無線電世界的第一站。有一個非常重要的因素需要指出，無線電信號傳播1600 km只有約5 × 10-3 s的時延，而水聲信號的相應時延高達1000 s之多。這個事實清楚地表明，水下路徑與空中路徑的聯(lián)合運用，在海洋無線移動網(wǎng)絡的構建中應被給予優(yōu)先考慮的地位。

四、構筑“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)率和高時延特性，一旦獲得水聲信號應盡快將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電信號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呢？我們的建議是構筑“數(shù)據(jù)橋梁”（data bridge）。那么構筑很多的橋梁可行嗎？我們的答案是：為了經(jīng)濟合算，要盡量把通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x提高到中遠距離，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)絡這個間隔變得更小。?；ㄐ啪W(wǎng)絡必然是稀疏和異質(zhì)的。

（一）中/遠距離水聲通信的研究進展

在過去十余年中，有一些深海水聲通信實驗，揭示出中/遠程通信的發(fā)展?jié)摿ΑＣ绹永Ｄ醽喼萃夂５囊淮螌嶒?，使? kHz中心頻率和兩只接收水聽器，在200 km距離上達到了1000 bps（bits per second）的數(shù)據(jù)率。數(shù)據(jù)率與距離的乘積高達200 km?kbps，超過了上述40 km?kbps的限制。另一個實驗采用二進制相移鍵控（binary phase shift keying modulation, BPSK）調(diào)制和虛擬時間反轉(zhuǎn)信道均衡技術，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，其頻譜效率達到4 bps?Hz-1。還有一個海盆尺度的實驗，采用雙相鍵控的M序列信號、75 Hz中心頻率、20元垂直線列陣與時間反轉(zhuǎn)信道均衡技術，在大約3250 km的距離上，得到了37.5 bps的數(shù)據(jù)率。關于可靠聲路徑水聲通信，理論分析的結果令人鼓舞，但實驗有待開展。從以上幾個實驗可以看出，深海遠距離通信是可行的，不過數(shù)據(jù)率仍然比較低。考慮到通信信號和信道響應都具有稀疏性，或許運用壓縮感知方法有可能進一步提高數(shù)據(jù)率與距離的乘積。

水面平臺的無線電通信，其實也面臨中等距離和遠距離傳輸?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。幸運的是，海面上方的空氣薄層形成蒸發(fā)波導（evaporation duct, ED）——因為水-氣熱交換導致海水蒸發(fā)，形成電波傳播向下彎曲的折射條件，進而產(chǎn)生波導效應。蒸發(fā)波導的上界高度為20~30 m，由氣象條件決定。大量的理論與實驗研究表明，微波在蒸發(fā)波導中的超視距傳播距離可達數(shù)百公里。

（二）構筑跨界面“數(shù)據(jù)橋梁”

人們一直在尋找克服水-空傳輸屏障的技術途徑。作者認為以下幾種途徑應該是具有創(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。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，兩者之間是信號處理電路。任何具有這種功能的水面平臺都可作為橋梁，將水聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電信號后送出水面，進入大氣空間。還有一種微型的彈出式浮標，可以被布放在海底自主觀測站上。當需要發(fā)送信息時，彈出式浮標被釋放并通過其浮力運送到水面，向空中傳輸無線電信號。

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傳輸。特別是當輻射源處于水面以下幾米或幾十米時，所發(fā)射的電磁波信號（包括從水聲信號轉(zhuǎn)換而來的電磁波信號）可直接穿透水空界面在空氣中產(chǎn)生水平傳播的側面波，沿界面?zhèn)鞑サ街械染嚯x的目的地或中繼節(jié)點。這種技術途徑的明顯優(yōu)點是：不需要海面浮體或類似平臺，所以特別適合于自主水下航行器或其他水下移動平臺使用；同時可以避免水聲通信的干擾和海面平臺的碰撞。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，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接收機。極低頻的顯著優(yōu)點是，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的幾百米，涉及在海水中的低速傳播。電磁波在導電海水中的傳播速度隨頻率的降低而減小。當頻率降低到10 Hz時，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間。與具有幾千秒時間延遲的水聲傳輸相比，這樣的時間延遲在實際應用中是非常重要的。

第三道橋梁，即海洋移動平臺。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。誠然會有航行帶來的時延，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間內(nèi)把大量數(shù)據(jù)發(fā)送到電波信道中。實際上，激光通信技術也有類似應用，不過獲取數(shù)據(jù)時的對準問題要得到適當?shù)慕鉀Q。顯然，自主水下航行器、無人水下航行器、遙控無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)生的海表面條紋進行微波探測。當水聲信號入射到海面時，會產(chǎn)生一定的紋理，混合于海面波浪的擾動之中。最近MIT的一個團隊報道了實驗室測試的結果，用微波方法獲得令人鼓舞的結果。2009年，也有學者在MIT該項工作之前在水箱實驗中獲得了成功。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。其原理就是使水面下方的水體受到高強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，進而產(chǎn)生具有垂直方向的聲波波束。然而，此種方式下信號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，它可以沿著照射點周圍的“透聲窗口”進入水中。如果聲波頻率較低，則有可能傳播到水下很遠的地方。多年前報道過一艘潛艇在深海區(qū)檢測到數(shù)百公里之外的飛機輻射噪聲信號。不幸的是，反過來在空氣中直接檢測水下聲信號卻不可行，除非聲源的深度遠小于波長。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：構建連接空-面-潛的一體化?；W(wǎng)絡

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

首先，在任何地方、任何時間與廣闊的深水世界進行通信是可行的，因為有諸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)信道和海洋移動平臺。通過對這些信道的合理利用，可以避免一體化通信時鏈路的頻繁“掉線”。例如，在海面節(jié)點和位于聲影區(qū)的節(jié)點之間建立通信鏈路時，可以通過可靠聲路徑信道將海面節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸至海底后再傳輸?shù)铰曈皡^(qū)。

其次，通過水聲技術和空中無線電傳輸技術的有效結合，可以大大改善水下數(shù)據(jù)傳輸時的高延時和低數(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，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來提高頻譜效率，如軌道角動量調(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、時間壓縮和拉伸、利用自主水下航行器轉(zhuǎn)運大批量數(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)絡相比，所提出的一體化空-面-潛?；W(wǎng)絡是無線、分布式和由機動平臺構成的，因此可以進一步實現(xiàn)“無所不聯(lián)”。正如移動無線通信相比固定有線電話帶給人們?nèi)碌纳畋憷?，我們相信一個無線和可移動的?；W(wǎng)絡肯定會提供巨大的新機遇。然而，這并不是說所有的水下固定式網(wǎng)絡都應該被取代，它們在近?；蜓睾\水區(qū)仍存在獨特的優(yōu)勢。我們認為，未來的應用中水下固定式網(wǎng)絡或許將成為無線網(wǎng)絡的補充手段。

目前，在水下世界中開發(fā)一個類似于陸地和空天環(huán)境中那樣的一體化網(wǎng)絡還很難立刻實現(xiàn)。更為現(xiàn)實的做法是，鼓勵為達此目的開展多種不同技術途徑的創(chuàng)新研究。我們希望，有大批的研究團隊和研究項目涌現(xiàn)出來，針對海洋一體化網(wǎng)絡的不同應用需求、不同信號傳播條件、不同聯(lián)網(wǎng)規(guī)模進行研究。多樣性、異質(zhì)性、可擴展規(guī)模的海洋網(wǎng)絡研究都應該受到鼓勵。在這個啟動階段，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)展時期之后，豐富的成果積累將足以支撐建設海洋一體化網(wǎng)絡的終極目標。我們有理由相信，有朝一日水下色彩斑斕的魚群活動視頻將可實時呈現(xiàn)在普通家庭的電視屏幕上；海底的采礦設備可以在陸基工廠中通過物聯(lián)網(wǎng)進行遙控；自主水下航行器可以在數(shù)百公里外與母船通信聯(lián)絡；極端天氣預報的數(shù)據(jù)可以在第一時間到達科學家手中；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間延遲。

然而，我們不可過于浪漫，在一體化網(wǎng)絡到來之前最好從眼前的小規(guī)模試驗田做起：開發(fā)一個局域的水聲無線移動網(wǎng)絡，并使它跨越水空界面連接到空中無線電網(wǎng)絡系統(tǒng)。最好在深水區(qū)去做該試驗田，并達到中/遠距離通信；其基本元素應該是：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?？煽柯暵窂絺鞑バ诺?，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），共同形成一個跨界面的最小網(wǎng)絡系統(tǒng)。圖2呈現(xiàn)了局域一體化海洋無線移動網(wǎng)絡的構想。未來，倘若5G/6G技術滿足水下通信的要求，也可以加入到一體化網(wǎng)絡中去。這樣的局域網(wǎng)絡可以得到寶貴的“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。曾經(jīng)報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)點水聲監(jiān)測系統(tǒng)。它們是一些固定設施，非常昂貴，靈活性不足且維修困難，其運行須依賴陸基設施。然而，為了在全球海洋任何地方實現(xiàn)水下和水上的良好連接，更應強調(diào)的是：無線、移動、可擴展以及低成本。目前需要突破的技術還很多，也很迫切，所以不要猶豫，讓我們從種好試驗田開始行動。

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圖2. 空-面-潛一體化?；W(wǎng)絡的構想。

六、結語

4G/5G技術已取得巨大進展，6G也已成為人們關注的熱門話題，然而在廣袤海洋的水下世界里，有關無線移動通信和網(wǎng)絡技術還遠遠落后。究其原因是一個公開的科學技術問題，涉及海水介質(zhì)中電磁波的傳輸受限和水聲技術的發(fā)展前景?；趯@個問題的分析，本文給出了未來水下世界里6G研發(fā)的解決方案和愿景。本文在全面回顧實際需求、瓶頸制約、物理發(fā)現(xiàn)、科技突破和跨學科整合的基礎上，總結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)展構想和關鍵環(huán)節(jié)，如信道特性的充分利用、多樣化移動平臺的發(fā)展、通信網(wǎng)絡的組織結構等。對于每個關鍵方面，都對應用場景進行了深入的分析和討論。為了結合無線電和聲學通信的優(yōu)點，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-潛一體化海基網(wǎng)絡是可行的。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，人們必須從各種應用場景下的局域演示試驗系統(tǒng)開始逐步發(fā)展和演進。總之，海洋世界的6G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。

實際上，大規(guī)模的水下通信網(wǎng)絡有一些特點，與深地和深空環(huán)境下的通信網(wǎng)絡有共同性。比如，都受到物理層面的客觀約束、通信時延大、跨越多種介質(zhì)、異質(zhì)網(wǎng)絡結構以及特殊的網(wǎng)絡協(xié)議等。深地和深空環(huán)境下的通信網(wǎng)絡也同樣存在迫切的需求牽引和創(chuàng)新發(fā)展推動。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，它們之間應該協(xié)同發(fā)展、取長補短。若如是，6G的研究領域和應用范圍將由此得到進一步拓展。

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

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馬遠良，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和裝備研究。?

編輯：黃飛

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