0 引　言

第6代无线通信网络（6G）的总体愿景是“一念天地，万物随心”，网络通信实现全球无缝全覆盖。建立天空地海一体化综合网络是实现6G的基础，发展高可靠、高稳健的跨介质通信技术是连接天空和海洋的关键。随着跨介质通信技术的发展，其应用也越来越普及。人类在海洋上的活动也在不断扩大，现代信息系统的竞争也从单一的平台对抗体系向系统对抗体系转变，未来的海战将以海空一体化战为主。

近年来，跨介质通信技术由于其具有节省时间和空间资源的特点而受到越来越多专家学者的关注，如海洋生态研究、海洋石油勘探、海底网络组网、海空一体化协同探测与作战、空中和水下合作搜索与救援、水下实时监控等。然而，这一领域也存在着前所未有的挑战：1）没有一个单一的信号形式可以同时在水下和空中保持长时间、长距离的通信传输。传统的电磁波在水下衰减极其严重，尤其是高频信号，而声波会被复杂水域环境反射吸收；2）跨介质收发设备的对准误差较大、测量精度低，导致通信质量变差；3）跨介质通信需要穿透大气和海洋动态界面两个平行层，涉及3个信道，大气-海水海上信道中的海面波浪变化不一，大气信道中的电离层、风、云、雨、雾、建筑物，海洋信道中的盐度、温度、洋流、浪涌、悬浮颗粒等均会影响跨介质通信质量；4）由于不同传输介质所处的恶劣环境导致跨介质通信信道建模具有极大的挑战性；5）天空地海一体化协同通信急需解决信息可靠传输和保密安全等问题。

1 发展现状

随着信息技术的发展，各国海军一直致力于实现水下作战平台的高效通信，相应制定了许多重大计划，以确保水上/水下载人/无人平台链接成一体化的作战网络。在不久的将来，天基、空基、地基、海基中的各种作战平台将逐步融为一体，实现全集成、大立体的网络中心战格局。实现天空地海一体化作战的关键是大气和海洋的跨介质通信，如图1所示。现有跨介质通信方式主要有两类：中继辅助式跨介质通信和无需中继的跨介质通信，其中无需中继的跨介质通信方式又可分为: 甚低频/超低频/极低频跨介质通信技术、蓝绿激光跨介质通信技术、激光致声跨介质通信技术、磁感应跨介质通信技术、中微子跨介质通信技术、量子跨介质通信技术和引力波跨介质通信。

1.1 中继辅助式跨介质通信

如图2所示，中继辅助式跨介质通信技术需要利用中继系统配合使用，如浮标、潜标、自主水下潜航器、无人水下潜航器等。该类方式中，水下节点通过水声通信将数据传输到水面中继节点，然后水面中继节点利用无线电信号在空中传输数据。近年来，美国海军通过研制多种新型中继、丰富通信中继形式、提高中继性能、提高中继安全性能等方式构建作战任务、环境、装备灵活的跨介质通信方案。

1998年起，美国海军在水下水上联合作战领域通过积极开展“广域海网Seaweb、巡航状态下潜艇双向通信、浅水高频信号处理”等课题，在水下无线电通信、水下声通信、水下光通信取得了一定的进展，但通信带宽和通信速率一直未得到改善，因此这一时期的跨介质通信在通信距离层面仍未突破^[1]。2007年12月，美国海军试验了浮力电缆天线和高频互联网协议，使潜艇成功与航母打击群的8艘水面舰双向通信。2011年4月，北极冰层下的潜艇利用“深海汽笛”战术寻呼浮标与外界实现双向通信，该技术支持潜艇巡航状态双向通信，大幅降低潜艇暴露的风险^[2]。2016年，美国海军“黑翼”潜射无人机扮演着潜艇与“蓝鳍-21、沙鲨”无人潜航器间的通信中继，实现了跨介质通信指挥控制。2018年，美国海军采用泰莱达能源系统公司研制的“水下悬浮充电节点”样机在UUV充电的同时进行数据传输，首先UUV利用光纤通信向“水下悬浮充电节点”上传数据，然后再由声学调制解调器将信息发送给其他水面平台，其中通信距离2～6 km，通信速率80～15360 bit/s，典型工况下每小时传输一次数据，未来该项目还将在2 km深度的海洋试验^[3]。

1.2 甚低频/超低频/极低频跨介质通信技术

在无线电磁波通信中，电磁波在介质中的穿透深度能力与信号频率有关，当信号频率变高时，衰减也会随之增大，因此穿透深度会大大降低。因此要使用无线电磁波实现跨介质通信，一般可以采用甚低频、超低频、极低频3个频波段进行信号的发射和接收。

甚低频跨介质通信技术一般是采用频率3～30 kHz，波长10～10 km的电磁波进行数据传输，可以穿透的海水深度仅仅10～20 m深^[4]。目前，美国海军已经建成了全球性的陆基甚低频对潜通信网，为了应对陆基甚低频网络瘫痪，美国海军还在EX-130Q大型运输机上搭载了“塔卡木”甚低频通信发射机，当陆基甚低频发射机被摧毁时，可以用机载甚低频发射机直接为水下目标提供跨介质通信保障。

超低频跨介质通信技术一般采用频率3～300 Hz，波长1000～10000 km的电磁波进行数据传输，可以穿透的海水深度约100 m深，当接收机性能较好时可以穿透400 m深的海水^[4]。美国海军在1986年建成了抗干扰能力较强的超低频跨介质通信系统，系统总跨度258 km，天线总长135 km，但该类跨介质通信只能发送简单字母组合信息，且每次通信时间需要10 min以上。

这两类跨介质通信技术主要存在以下缺点：1）甚低频/超低频电磁波信号强度较弱，穿透海水深度较低，水下接收机难以持续接收信号；2）甚低频/超低频通信发射机造价成本昂贵，必须使用超大尺寸的天线和发射功率，这种体积较大的岸基设备在战时很容易暴露；3）潜艇或UUV等水下目标只能单方面接收岸基发送的指令数据，并不能直接发送数据给岸基通信设备，只能通过上浮到通信深度或这是利用中继系统转发实现跨介质通信，很容易暴露水下目标；4）岸基通信设备发送信号时采用广播的方式，具有高截获率，通信安全性能较差。

除此以外，还有极低频跨介质通信技术^[4]，该种方式一般是采用频率3～30 Hz，波长10000～100000 km的电磁波进行数据传输，这种跨介质通信信号在海水中的衰减远比甚低频/超低频小得多，海水穿透深度也比超低频跨介质通信深很多，能够满足水下目标的航行深度要求，且极低频跨介质通信受电离层干扰较小，传播较为稳定可靠，但该种方式每分钟可以传输的数据相对较少，仅仅支持简短指令的下发。

1.3 蓝绿激光跨介质通信技术

1963年，Duntley S.Q等^[5]研究激光在海洋中的传播特性时发现，当光波在海洋中传播时，0.45～0.55 μm波段内的蓝绿激光受到的衰减比其他光波段的要小很多，给出了海洋中存在着“透光窗口”的结论。因此，蓝绿激光跨介质通信技术原理是利用激光波束为信息传输的载体，将数据信号调制到光载波上进行传输，如图3所示。

1977年，美国NASA制定了激光通信战略计划，给出了星载激光与水下目标实现跨介质通信的可行性，并进行了多次蓝绿激光跨介质通信试验。其中空中通信平台位于12 km高度，水下通信平台位于300 m深的海域^[6]。2011年，Cox等^[7]基于软件定义网络利用发光二极管通信和激光通信试验了BPSK和GMSK单/双工链路的性能，数据传输速率可以达到Mbps量级。Gabriel等^[8]通过水下光通信链路仿真分析了水下信道特性和链路时延特性，实验结果表明，通信时延可忽略不记，且接收到的光信号无符号间干扰。2012年，Kizilkaya等^[9]研究了激光跨介质通信过程中海洋表面和重力波对数据传输的影响。2014年，Poirier等^[10]基于偏振光和波长调制技术提高了蓝绿激光跨介质通信的通信速率。2018年，Kane等^[11]基于统计模型和物理模型分析了粗糙海面对蓝绿激光跨介质通信的影响，并在水槽中进行了大尺度扰动下的海浪模型对蓝绿激光跨介质通信链路试验。

1.4 激光致声跨介质通信技术

激光致声跨介质通信技术原理是采用天基/空基平台对水下发射经过信号调制的强脉冲激光并在水面激发声波，声波再携带信号完成水中传播，如图4所示。完成光波到声波的过程是一种非线性的机制，相比线性机制的转换，非线性转换机制可以高好几个量级，主要包含热膨胀机制、汽化机制、光击穿机制。

激光致声跨介质通信技术原理是采用天基/空基平台对水下发射经过信号调制的强脉冲激光并在水面激发声波，声波再携带信号完成水中传播，如图4所示。完成光波到声波的过程是一种非线性的机制，相比线性机制的转换，非线性转换机制可以高好几个量级，主要包含热膨胀机制、汽化机制、光击穿机制。

激光致声跨介质通信技术属于光声领域，早在1963年，Askar'Yan等^[12]就发现了激光致声效应现象，但没有理论支持和解释这一现象。直到1971年，Bunkin等^[13]开始深入研究光学转换机制和激光声源特性，并给出了理论推导经验公式和试验结果。Egerev等^[14]基于激光致声跨介质通信技术设计了一套远程遥控水下设备的系统，并给出了处理脉冲位置调制信号的算法理论分析。彭水等^[15]将高重复频率激光技术应用到激光致声跨介质通信中，试验结果表明，高重复频率激光比普通长脉冲激光的水下通信距离更远，且性能更优。吕杏利等^[16]提出了一种基频可调编码的激光致声跨介质通信方案。费志刚等^[17]为了降低水下信息传输过程中出现的码间干扰，提出一种基于Sato算法的信道忙均衡算法，大大提高了激光致声跨介质通信的性能。

1.5 磁感应跨介质通信技术

磁感应通信以磁场为载体，利用近场交变磁感应进行数据传输，是跨介质通信的重点关注领域。磁感应通信具有如下特点：1)可忽略传播时延；不易受多径效应的影响；对时变环境敏感度低；不受恶劣水文条件和浑浊海水遮挡影响；无需大尺寸天线；具有双向跨介质通信潜质；可以穿透海水和大气分界面，甚至油层和浮冰层；传输距离可达100 m，速率可达兆比特/秒量级。因目前尚没有有效的侦察手段反制，故隐蔽性极强，得到美军相关研究单位的高度重视等。但由于磁场分量的传输特性是随距离和频率的增加而快速衰减，故限制了磁感应通信的传输距离。为了获得更大的入水深度，需要采用较低频率，而这必然影响传输带宽，进而影响通信的数据率。这些缺陷是限制磁感应通信走向实际应用的关键，因此，磁感应通信研究关注的重点应该放在增加传输距离和扩大数据率上。

2001年，Sojdehei等^[18]提出了磁感应跨介质通信技术，并给出了磁感应信号和电磁波信号传播原理的区别。Gulbahar等^[19]在收发线圈天线上安装了一个超材料的金属外壳，以此来增加收发器周围的磁感应强度。Ge S S等^[20]和Zhao等^[21]通过采用MIMO天线阵列设计提高了磁感应通信的信道容量。Guo等^[22]搭建了由发射机、接收机、中继组成的磁感应跨介质通信网络，并分析了其误码率性能。Han等^[23]和Guo等^[24]中Akyildiz I F等人提出磁感应中继波导通信技术，该种方式通过收发设备和中继设备的线圈耦合减少传播路径的所示，提高了通信距离。Akyildiz等^[25]研究了一维和二维磁感应中继波导技术，中继波导通过收发线圈之间的相互耦合，利用物理效应来减少磁感应传输时造成的路径损耗，而中继设备的位置则决定所获得的增益。Zhi等^[26]和Sun等^[27]研究了水下拖曳船锚定位系统和深水系泊系统中的磁感应跨介质通信模型，并验证了其方案的可行性。

1.6 其他跨介质通信技术

目前还有一些可以实现跨介质通信的技术研究尚在初步阶段。例如：1）中微子跨介质通信：以中微子基石粒子为载体进行数据传输的技术。该种方式在传播过程中不会发声折射、反射和散射现象，几乎无信号衰减，极易穿透钢铁、海水乃至整个地球，方向性极强^[4]。2）量子跨介质通信。基于量子相干叠加和量子纠缠效应进行数据传输的技术。该种方式具有时效性高、抗干扰性强、保密性和隐蔽性好等优点^[4]。3）引力波跨介质通信。以物质振动产生的引力波为载体进行数据传输的技术。引力波是一种以光速传播的横波，穿透能力极强、即使是在铁或海水中进行长距离的传播，其能量衰减也是极低的，是一种极好的极远距离跨介质通信载波^[4]。

2 发展启示 2.1 持续发展中继辅助跨介质通信技术，中继朝多样化、小型化、高可靠和多功能方向发展。

由于直接跨介质通信技术还不成熟，而中继辅助跨介质通信技术发展时间久，技术相对成熟，可以满足现代化跨域协同作战的基本要求，所以短期内仍然需要中继系统辅助进行跨介质通信。一方面，应当继续研制新型的中继系统，提高跨介质通信性能；丰富中继形式，包括天基、空基、地基和海基中继系统形式，便于根据军事作战任务需求灵活构建更多的跨介质通信方案；丰富中继功能，组合现有水面水下通信方式，提高数据传输效率、传输距离、误码率等性能。另一方面，现有中继系统仅仅具备解码转发、放大转发功能，安全方面涉及较少，相对来说较为不可靠，未来应当充分考虑中继系统安全、接入认证等问题。

2.2 探索发展无需中继辅助的跨介质通信技术，通信能力朝更远距离、更优性能、更易检测、更大数据和更加安全方向发展。

现有的甚低频/超低频/极低频、蓝绿激光、激光致声和磁感应等跨介质通信技术均存在着受海域水文条件恶劣与否而导致的传输距离短、误码高等问题，且相应收发设备存在体积大容易暴露的风险。首先，应发展跨介质通信信道建模，建立跨介质通信传播模型，优化跨介质通信编码调制技术、信道均衡技术、信号处理技术、纠错和安全传输方式，提升其通信速率、距离、容量和安全性。其次，中微子跨介质通信、量子跨介质通信和引力波跨介质通信的发展刚刚起步，这些都是可以形成颠覆性通信革新的技术，应当重点关注和研发。最后应加强跨介质通信研发合作，建立跨介质通信相应协议标准和通信算法，推动未来空天海地一体化网络构建。

3 结　语

跨介质通信使天基、空基、地基和海基系统实现了万物互联，能广泛覆盖民用、军事等多个领域。尽管现有的各种跨介质通信技术各有优劣，但只要充分利用创新思维、兼顾其可靠性、及时性、有效性、安全性和机动性等多个方面，必能攻克相应的技术瓶颈，跨介质通信将会得到优化和改善，为天空地海一体化网络体系构建提供强有力的保障。