水下通信
關注創建者：路路 創建時間：2018-08-30
水下通信的實例教程
如果將通信技術移植到黑匣子的身上，在其進入海中的時候自動啟動發射信號的功能，將會大大方便外界探測和接收信號，從而迅速查明事故原因，盡快避免類似情況的發生。
水下機器人研發
目前，越來越多的海洋勘探、海洋考古任務開始使用水下機器人進行功作業。由于通信技術的限制，很多情況下只能在機器人出水之后對資料進行分析處理，局限性很大。水中通信技術的加載可以實現機器人對水底情況的實時反饋，從而對探測內容作出相應的調整。
可以預期的是，隨著海洋在各國規劃和發展中越來越占據重要的戰略地位，關于海洋探索的技術也將不斷更新和迭代。又因海洋資源集中在海底，海底通信技術也成為解決一切問題的前提。在這種需求與競爭之下，水中通信也許即將在不遠的未來產生令人期待的突破。
展開 2014年，姚燦設計了基于開關鍵控（ON-OFF Keying，OOK）調制的水下實時光通信系統，該系統在串口速率為9600 bps時，傳輸距離可達27 m［11］。2018年王培林等采用448 nm藍光作為光源，實現了25 Mbps傳輸速率，10 m傳輸距離的低成本OOK水下光通信系統［12］。
水下激光通信具有傳輸碼率高、安全性高、抗干擾性強、傳輸延遲短等優點，但距離實用化還有一定距離。激光與海水中物質間相互作用會產生復雜效應。海水中的水分子、浮游植物和巖屑會不同程度地對激光產生吸收效應和散射效應，限制信號的傳輸距離及性能；海水介質折射率的變化，會使水下激光通信信道表現出湍流效應［13］，強湍流效應會導致通信系統能力惡化。水下激光通信傳輸需要直線對準，具有極強的方向性，通信時必須知道目標的大致位置，通信距離較短。
未來對水下激光通信的需求應當是高保密、高速率、低時延、大容量的。水下激光通信的發展趨勢包括：在保證傳輸性能的基礎上添加有效的加密算法，發展安全性更高的水下激光通信系統；結合水聲通信與激光通信的優點，發展混合聲光通信系統；提高通信容量和速率，發展實時水下激光通信系統。
2.3 水下-空中跨介質通信技術
借助水下無人平臺、水面浮標、岸基等通信資源，通過節點間的相互通信，構建多平臺、網絡化的通信系統，從而實現UUS海空天三位一體協同工作。其中，水聲組網通信技術、水下中繼水聲通信技術和水下-水面-空中一體化中繼通信技術亟待突破。由于通信節點的網絡覆蓋范圍是有限的，限制了通信距離和靈活性，促使新型跨介質通信技術的發展，如水下中微子通信［14］、引力波通信［15］和水下量子通信［16］等技術等。
展開 東京大學工業科學研究所的研究人員發現，無人機由于其高速定位、穩定性和效率，可能成為下一代海洋監測和海底的通信的基地。為了進行海洋調查，安裝在水下機器人設備上的傳感器通常用于與海面基站通信。來自日本的研究人員發現了一種很有前途的方法來優化這種水下通信。
圖片來源：東京大學
在本月發表在《遙感》(Remote Sensing)雜志上的一項研究中，東京大學工業科學研究所的研究人員透露，無人機(uav)，通常被稱為無人機，有望成為與機器人設備(AUV)進行海洋調查的通信基地。
由于能夠獲得詳細的海底圖像和信息，AUV被廣泛用于水下調查和海底監測任務。由于海水會削弱發射的無線電波信號，因此海面基站是自動水下航行器獲取絕對位置和實時數據的必要合作伙伴。然而，這些基站具有低機動性和隨海洋干擾的漂移。因此，為了優化這種水下通信，東京大學工業科學研究所的研究人員試圖用更高效、更快、更穩定的設備來解決這些限制。
該研究的主要作者Yokota Yusuke解釋說:“因為海面上的飛行器不能有效地實現高速觀測，所以我們研究了無人機是否可以用作與AUV進行水下通信的基站。”“無人機可以以50公里/小時或更高的速度飛行，它們不受洋流或其他干擾的影響，這使它們成為這一應用的理想候選者。”
為了做到這一點，研究人員首先觀察無人機是否能在海面上著陸并起飛返回基地。然后，他們使用兩架無人機(其中一架模仿AUV)研究水下通信，以確定懸停與水下設備之間的距離穩定性。最后，研究人員檢查了作為浮標使用的無人機的海面搖擺。
展開 如何開發一種能夠結合水下粘附性、水下自修復、可拉伸、光學透明和導電的材料是水下人機界面面臨的關鍵挑戰。
武培怡教授課題組近年來一直致力于柔性傳感器的開發與多功能應用，實現了仿生離子皮膚傳感器的自修復特性(Adv. Mater. 2017, 29, 1700321)，雙模式感知及廣譜可調的力學性質(Nat. Commun. 2018, 9, 1134)，光學和電學性質的同步響應(ACS Nano, 2018, 12, 12860)，集成溫度、濕度、應力和應變多重感知功能的離子皮膚(Mater. Horiz. 2019, 6, 538)，提出分子協同策略優化了本征可拉伸導體的力學性能以及實現對液體分子的感知功能(Nat. Commun. 2019, 10, 3429)，基于可食用面團和口香糖的離子皮膚傳感器(Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908018., ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 5, 6731–6738)，可感知多種外界刺激的彈性水凝膠微纖維（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910387），以及具有診療功能的仿生離子皮膚（Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2008020）等。
近日，武培怡教授課題組利用含氟聚離子液體（PIL）與離子液體（IL）之間的離子-偶極和離子-離子相互作用，設計了一種高性能的離子凝膠。疏水性動態粘彈性網絡賦予了離子凝膠光學透明性、可調節的力學性能、水下自愈合能力、水下粘附性、導電性和可3D打印的能力。基于離子凝膠優異的性能，制備了一種視覺上不易察覺的水下柔性傳感器。該傳感器可以實現光學偽裝、人體運動檢測和水環境中的無障礙通信。
展開 除了此前已有的高密度組網、全雙工技術(一種能實現在同一頻率信道下同時進行發射和接收信號，從而提高頻譜資源利用率的技術)等之外，業界還在探討一些全新的技術方案，例如衛星通信技術、平流層通信技術與地面技術的融合。這樣的融合技術一旦研制成熟，意味著此前大量未被通信信號覆蓋的地方，如無法建設基站的海洋、難以鋪設光纖的部分新疆和西藏等地區，今后都有可能收發信號，信號覆蓋“死角”將進一步減少。
中國通信業觀察家、飛象網首席執行官項立剛則進一步提出，除陸地通信覆蓋外，水下通信覆蓋也有望在6G時代啟動，成為整個網絡覆蓋體系中的一部分。
項立剛在近日接受采訪時表示，采集有關海洋學的數據、監測水下環境污染、海底異常活動和氣候變化、探查海底目標以及遠距離圖像傳輸等活動，都離不開網絡支持。此外，水下無線通信在軍事領域也起到至關重要的作用。“在4G、5G時代，我們還未考慮在水下進行網絡覆蓋，但到了6G時代應進行相關規劃。”項立剛說。
采用智能化管理，將網絡“切片”分配
頻譜資源稀缺是阻礙通信行業發展的重要因素。解決的辦法，一種是提高現有頻譜資源的利用率，例如一個單位的頻譜資源，以前可能只能傳10兆的數據量，現在就想辦法提高到上百兆、甚至上千兆。另一種則是如何去挖掘更多的頻譜資源。
頻譜資源是拓展帶寬的基礎，因此為提高帶寬，業界一直在努力挖掘更高頻段的資源。在項立剛看來，6G網絡很有可能從毫米波頻段擴展到太赫茲波頻段。太赫茲波是指頻率介于0.1THz到10THz之間的電磁波，其波長范圍為0.03毫米到3毫米，在頻譜中的位置處于微波和紅外輻射之間。將太赫茲波引入6G網絡，在項立剛看來，這意味著今后6G的峰值速度將會達到100Gbps，單信道帶寬也會達到1GHz。
但不同于以往通訊行業常用的低頻無線電波，太赫茲波的穿透能力極弱。“低頻無線電波可以穿透一般的障礙物，比如門、墻，但是太赫茲波做不到。
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水下通信的最新內容
利用激光脈沖在水中激發聲脈沖，可用于江、湖、河、海的水下目標及海洋地層結構探測或水下通信，也是當今水聲學的研究課題之一。
4、聲電子技術
聲波歷來是人類實現信息轉遞的主要媒介。隨著現代科學技術的進步，信息交流日益頻繁，并且逐漸發展為遠距離通訊。因此對信息的優質傳遞提出更高的要求。最常用的信息傳遞載體是無線電波，近年來還利用光纜，即利用光波。
“由于整個過程只需要一個開關就能將設備從非反射狀態轉換為反射狀態，因此消耗的電能比典型的水下通信系統要少5個數量級。”Afzal說。
研究人員在幾種水下環境中測試了該相機。在其中一個實驗中，他們捕捉到了新罕布什爾州池塘中漂浮的塑料瓶的彩色圖像。他們還能夠拍攝到非洲海星的高質量照片，甚至可以清楚地看到它手臂上的小結節。
座長波電臺構成了嚴密的全球潛艇通信收發報網，另外，我國也有好幾座，具體在哪有幾座肯定屬于最高機密，船長也不知道，不過今年1月份出版的《中國船舶研究》雜志中，就有關于“世界最大天線已經在我國建成并投入使用，其海底水面下200米處的無線電接收設備可以毫不費力地接收1300千米巨型天線發出的信號”的內容，其實這就是我國在華中地區建造的一座超級天線陣列-極低頻探地工程，除了科研目的外，其實就是具備和3000公里以外的水下設施保持通信的能力
WFA屬于探照聲吶，可實現水聲測距、水下通信以及探測魚雷等功能。WFA搜索效率低，為提高搜索效率，美國海軍研制出QHB聲吶用于裝備在“鸚 鵡 螺號”核潛艇上。“鸚 鵡 螺號”核潛艇是供美國海軍使用的第一艘核動力潛艇，也是世界上第一艘核潛艇，于1954年下水，該潛艇配備2臺QHB-1聲吶，分別裝于甲板上和艇底部。
⑷通信系統
水下無線通信技術主要可以分成三大類：水下電磁波通信、水下量子通信和水聲通信，它們具有不同的特性及應用場合，如表1所示。無法跨越水與空氣界面傳播，受溫度、鹽度等參數影響。
其中水聲通信由于其衰減慢可實現遠距離水下通信的特點最適用于UUV集群中成員間的相互通信。但是水聲通信存在帶寬有限和傳輸速度慢且信道不穩定等缺點，有通信延遲和數據丟包等問題。因此在特定的環境條件限制以及沒有更好的通信手段的情況下，通信網絡的合理設計是一種提高水下UUV集群間相互通信效率和可靠性，從而更好地協作完成任務的可行方法。
室內等實驗場景
Fig.3 The experimental scenes of FLA project, such as open country, indoor, etc.
2)AMEBA項目
2017年，DARPA針對傳統電磁波天線輻射性能受限于天線尺寸、缺乏機動性和靈活性以及在地下領域作用范圍嚴重不足的問題，提出了AMEBA計劃[8]，旨在開發一種超低頻和甚低頻范圍內的射頻發射機，用于地下和水下遠距離可靠通信的便攜式系統
因此，為了優化這種水下通信，東京大學工業科學研究所的研究人員試圖用更高效、更快、更穩定的設備來解決這些限制。
該研究的主要作者Yokota Yusuke解釋說:“因為海面上的飛行器不能有效地實現高速觀測，所以我們研究了無人機是否可以用作與AUV進行水下通信的基站。”
VLC有多種潛在的應用，包括基于光的無線通信、車對車（V2V）通信和水下應用。在某些傳統的射頻信號會帶來危險的專業應用中，如采礦或石油和天然氣平臺，VLC特別有意義。它還允許在靠近敏感設備的地方如醫院和飛機上進行無干擾通信。
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基于VLC的定位
室內定位可用于許多應用。
Commun. 2021, 12, 4082）；利用含氟聚離子液體與離子液體之間的離子-偶極和離子-離子相互作用，設計了一種可水下通信的光學偽裝離子凝膠（Adv. Mater. 2021, 33, 2008479）；結合3D打印、拉伸紡絲或褶皺芯鞘纖維等先進加工技術，提高了離子導體器件的感知靈敏度 (Mater. Horiz. 2017, 4, 694；Adv. Funct.
