導(dǎo)言：

有一件驚人的事，大多數(shù)人可能沒有意識到：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，對于近在咫尺的海洋卻還做不到。

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本視頻發(fā)布于2022年7月13日，點贊量已達4823

精彩呈現(xiàn)：

有一件驚人的事，大多數(shù)人可能沒有意識到：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，對于近在咫尺的海洋卻還做不到。為什么呢？因為海水導(dǎo)電，電波在其中有嚴重的衰減。由此導(dǎo)致，在占據(jù)地球表面積71%的水下世界，至今還沒有互聯(lián)網(wǎng)，沒有移動通信，沒有高清視頻，甚至就連遠距離的雙向無線通信也幾乎不存在。不過，我們也不是毫無辦法。最近，我看到中國工程院院刊《Engineering》的文章《面向海洋世界的6G通信》，作者是馬遠良院士等人。6G的主要理念之一是泛在式網(wǎng)絡(luò)，他們提出的正是泛在式水下通信的宏大構(gòu)想。

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），因為聲波在海水中的傳播距離比它們高出一千倍以上。因此，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)。磁波、光波以及諸如生物學(xué)、放射學(xué)、水動力學(xué)等其他方法，只能作為水聲技術(shù)的補充。

聲波在海水中的衰減與頻率的增大呈指數(shù)關(guān)系，因此遠距離使用時必須采用低頻率，導(dǎo)致可用帶寬隨之降低。也就是說，近距離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(yīng)降低。

聲信號在海水中的傳播速度依賴于電導(dǎo)率（conductivity）、溫度（temperature）和深度（depth），這三者簡稱CTD，受到地理位置、季節(jié)、氣象和水文條件的嚴重影響。聲速的非定值性導(dǎo)致聲折射，并使傳播路徑彎曲。

在深海中有一個深度，其聲速有最小值。在這個深度附近形成深海聲道（deep sea acoustic channel），其中傳播衰減遠小于其他區(qū)域，所以通信距離可達數(shù)千公里。

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(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)定的信號傳輸、很低的環(huán)境噪聲以及較小的傳輸損失。

還有另一種深海水聲傳播現(xiàn)象，叫做聲會聚區(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)，形成一系列的會聚區(qū)，帶來會聚增益?？煽柯暵窂剿曂ㄐ耪每梢岳脮墼鲆?，進一步擴大連接范圍。

在觀測平臺方面，海洋通信網(wǎng)絡(luò)沒有連續(xù)不斷的供電，無法對鏈路隨時進行人工干預(yù)，也不可能像在陸地上一樣密集建設(shè)通信基站，所以需要構(gòu)建移動通信平臺。在過去十多年中，大批創(chuàng)新性移動平臺連同相應(yīng)的傳感器大量涌現(xiàn)。在海面上，除了傳統(tǒng)的錨系浮標和各種航船外，出現(xiàn)了波浪滑翔器、風(fēng)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。在水體中，有Argo浮標、有人或無人的水下航行器（包括自主水下航行器和線控水下航行器）、漂流浮標、錨系浮標、水下機器人以及海底自主觀測站。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。

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(yīng)盡快將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電信號送入大氣電波信道。怎樣做到這一點呢？作者建議構(gòu)筑“數(shù)據(jù)橋梁”（data bridge），在幾十至上百公里的距離上傳輸數(shù)據(jù)。第一道橋梁，漂浮在海面上的水聲-無線電浮標。第二道橋梁，甚低頻電磁波（VLF, 3~30 kHz）。第三道橋梁，海洋移動平臺。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。?；ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)必然是稀疏和異質(zhì)的。

論文的圖2十分生動，展示了局域一體化海洋無線移動網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想。這個網(wǎng)絡(luò)包括衛(wèi)星、無人機、飛機、無人水面艇（USV）、波浪滑翔器、水面浮標、Argo浮標、自主水下航行器（AUV）、跨界面數(shù)據(jù)橋梁、潛水艇、聲吶陣列、海底基站等，它們利用無線電、深海聲道等進行電磁、光學(xué)與聲學(xué)通信。

綜上所述，一體化的空-面-潛（air-surface-undersea）?；W(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)在我們面前。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。有朝一日，水下色彩斑斕的魚群活動視頻將可以實時呈現(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)報的數(shù)據(jù)可以在第一時間到達科學(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間延遲。

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作者簡介：本文作者袁嵐峰，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)博士，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心副研究員，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技傳播系副主任，中國科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心副主任，科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會會長，“科技袁人”節(jié)目主講人，安徽省科學(xué)技術(shù)協(xié)會常務(wù)委員，中國青少年新媒體協(xié)會常務(wù)理事，中國科普作家協(xié)會理事，入選“典贊·2018科普中國”十大科學(xué)傳播人物，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

責(zé)任編輯：陳昕悅

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