水声通信（Underwater Acoustic Communication, UAC）是利用声波在水下进行信息传输的技术。由于电磁波在水中衰减极快（尤其是高频），而光波受散射和吸收影响严重，声波成为水下中远距离通信的主要手段。以下是其现状与应用设计方案的概述：

一、水声通信现状

1. 核心技术挑战

   • 带宽受限：典型带宽仅kHz级（1-50 kHz），远低于陆地无线通信（MHz/GHz级），导致数据传输率低（kbps~Mbps量级）。
   • 多径效应：声波在水下反射、折射形成多条路径，信号叠加导致码间干扰（ISI）。
   • 多普勒效应：水体流动或收发端移动造成信号频率偏移，影响解调精度。
   • 环境噪声：船舶、生物、波浪等噪声干扰显著。
   • 传播时延长：声速约1500 m/s，延迟远超电磁波，影响实时性。

2. 研究进展

   • 调制技术：
     • 非相干调制：FSK（频移键控）抗多径能力强，适用于低速率场景（如传感器网络）。
     • 相干调制：PSK、QAM结合均衡技术，提升频谱效率（适用中高速率）。
     • 多载波技术：OFDM（正交频分复用）成为主流，通过子载波划分抵抗多径，但需应对多普勒敏感问题。
   • 信道编码：LDPC码、Turbo码等接近香农极限的编码方案提升抗误码能力。
   • 自适应均衡：盲均衡、判决反馈均衡（DFE）等技术抑制ISI。
   • MIMO技术：利用空间分集提高容量和可靠性，但需解决信道相关性难题。
   • AI辅助：深度学习用于信道估计、信号检测和资源调度，如基于神经网络的均衡器。

3. 实际应用能力

   • 短距高速：在百米级距离实现Mbps级传输（如BlueComm-200系统达5Mbps@100m）。
   • 中距中速：1-10 km距离下可达数十kbps（如采用OFDM+MIMO）。
   • 长距低速：数十至百公里级通信（如深海监测），速率约bps~kbps。

二、典型应用场景与设计方案

1. 水下传感器网络（UWSN）

• 场景：海洋环境监测（温度、盐度、污染物）、资源勘探。
• 设计要点：
  • 协议分层：结合TDMA/FDMA和路由协议（如VBF、DBR）降低能耗。
  • 调制选择：FSK或Chirp扩频技术（抗噪强），速率1-10kbps。
  • 拓扑结构：多跳中继部署，利用浮标网关转接到卫星/陆地。
  • 案例：美国OOI（海洋观测倡议）网络，使用多节点协同采集数据。

2. 自主水下航行器（AUV/UUV）通信

• 场景：AUV集群协作、数据回传、远程控制。
• 设计要点：
  • 移动通信方案：
  • 单载波+自适应均衡：如MB-OFDM结合时域均衡应对高速移动。
  • 多普勒补偿：估计器（如锁相环PLL）实时校正频偏。
  • 路由协议：结合声学定位动态规划路径（如AODV-UW）。
  • 安全传输：使用轻量级加密（如AES）保障指令安全。

3. 水下无线视频传输

• 场景：ROV实时视频监控、深海勘探直播。
• 设计要点：
  • 高压缩编码：H.265/HEVC压缩视频至低码率（数百kbps）。
  • OFDM+MIMO：利用空间分集提升带宽效率，如S2C系统在1km内传720p视频。
  • 前向纠错（FEC）：LDPC码保护关键帧数据，降低误帧率。

4. 军事应用

• 场景：潜艇通信、水雷遥控、水下无人作战平台。
• 设计要点：
  • 低截获概率（LCP）：跳频（FHSS）或直接序列扩频（DSSS）抗干扰防侦听。
  • 长波通信：极低频（ELF/10-100 Hz）穿透海水百米，用于全球指挥（速率仅bps级）。
  • 中继浮标系统：潜艇释放浮标接收卫星指令，避免暴露深度。

5. 潜水员通信

• 场景：潜水员对水面/同伴语音通话。
• 设计要点：
  • 骨传导/数字声码器：减少环境噪声影响。
  • 调制解调器集成：手持设备支持QPSK+DPSK，语音码率2-4kbps（如Divecomm系统）。

三、前沿发展方向

1. 跨介质通信：水下声波+水面无线电/激光的中继架构（如水声-6LoWPAN网关）。
2. 智能超表面（RIS）：调控声波反射路径，增强信号覆盖。
3. 量子水声通信：探索声量子纠缠传输，突破传统速率限制（实验阶段）。
4. 仿生通信：借鉴海豚/鲸鱼声纳机制设计高效编解码算法。

四、总结

水声通信在中低速场景（监测、控制）已商业化，但高速率、低延迟仍是瓶颈。未来需结合AI、新型调制（如FBMC）、跨域协同突破性能边界。其不可替代性（尤其在深海和军事领域）将持续驱动技术创新。