導(dǎo)言：

有一件驚人的事，大多數(shù)人可能沒(méi)有意識(shí)到：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，對(duì)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(diǎn)贊量已達(dá)4823

精彩呈現(xiàn)：

有一件驚人的事，大多數(shù)人可能沒(méi)有意識(shí)到：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，對(duì)于近在咫尺的海洋卻還做不到。為什么呢？因?yàn)楹Ｋ畬?dǎo)電，電波在其中有嚴(yán)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(méi)有互聯(lián)網(wǎng)，沒(méi)有移動(dòng)通信，沒(méi)有高清視頻，甚至就連遠(yuǎn)距離的雙向無(wú)線通信也幾乎不存在。不過(guò)，我們也不是毫無(wú)辦法。最近，我看到中國(guó)工程院院刊《Engineering》的文章《面向海洋世界的6G通信》，作者是馬遠(yuǎn)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(guò)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(lái)看，聲波仍是最好的選擇，它優(yōu)于無(wú)線電波、低頻電磁波和光波（這三種信息載體在某些特定場(chǎng)景下存在優(yōu)勢(shì)），因?yàn)槁暡ㄔ诤Ｋ械膫鞑ゾ嚯x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(dòng)力學(xué)等其他方法，只能作為水聲技術(shù)的補(bǔ)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(yuǎn)距離使用時(shí)必須采用低頻率，導(dǎo)致可用帶寬隨之降低。也就是說(shuō)，近距離通信時(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。

聲信號(hào)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(jiǎn)稱CTD，受到地理位置、季節(jié)、氣象和水文條件的嚴(yán)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(gè)深度，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），其中傳播衰減遠(yuǎn)小于其他區(qū)域，所以通信距離可達(dá)數(shù)千公里。

近幾十年來(lái)，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(kāi)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。

還有另一種深海水聲傳播現(xiàn)象，叫做聲會(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)，帶來(lái)會(huì)聚增益。可靠聲路徑水聲通信正好可以利用會(huì)聚增益，進(jìn)一步擴(kuò)大連接范圍。

在觀測(cè)平臺(tái)方面，海洋通信網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有連續(xù)不斷的供電，無(wú)法對(duì)鏈路隨時(shí)進(jìn)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(dòng)通信平臺(tái)。在過(guò)去十多年中，大批創(chuàng)新性移動(dòng)平臺(tái)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(biāo)和各種航船外，出現(xiàn)了波浪滑翔器、風(fēng)能或波浪能推進(jìn)的無(wú)人船、自主水面航行器、自移動(dòng)浮標(biāo)等新型無(wú)人平臺(tái)。在水體中，有Argo浮標(biāo)、有人或無(wú)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(biāo)、錨系浮標(biāo)、水下機(jī)器人以及海底自主觀測(cè)站。在海面的上方，有無(wú)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。

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(wú)線電信號(hào)送入大氣電波信道。怎樣做到這一點(diǎn)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(wú)線電浮標(biāo)。第二道橋梁，甚低頻電磁波（VLF, 3~30 kHz）。第三道橋梁，海洋移動(dòng)平臺(tái)。第四道橋梁是一種新發(fā)現(xiàn)的方法，對(duì)水下聲音產(chǎn)生的海表面條紋進(jìn)行微波探測(cè)。海基通信網(wǎng)絡(luò)必然是稀疏和異質(zhì)的。

論文的圖2十分生動(dòng)，展示了局域一體化海洋無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)包括衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、飛機(jī)、無(wú)人水面艇（USV）、波浪滑翔器、水面浮標(biāo)、Argo浮標(biāo)、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(wú)線電、深海聲道等進(jìn)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(shí)間與廣闊的深水世界進(jìn)行通信是可行的，因?yàn)橛兄T多信道可以利用，如深海聲道、可靠聲路徑信道、空/海跨介質(zhì)信道和海洋移動(dòng)平臺(tái)。有朝一日，水下色彩斑斕的魚(yú)群活動(dòng)視頻將可以實(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(guò)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(wú)論從全球何處接入都具有盡可能小的時(shí)間延遲。

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作者簡(jiǎn)介：本文作者袁嵐峰，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)博士，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心副研究員，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技傳播系副主任，中國(guó)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(huì)會(huì)長(zhǎng)，“科技袁人”節(jié)目主講人，安徽省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)常務(wù)委員，中國(guó)青少年新媒體協(xié)會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)理事，入選“典贊·2018科普中國(guó)”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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