水下光通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀＊

［林木泉 楊少程］

1 前言

光通信技術(shù)發(fā)展可追溯至1880 年，光電話由美國貝爾發(fā)明，但僅處于試驗階段。當(dāng)前光通信技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于電信、互聯(lián)網(wǎng)工控等諸多領(lǐng)域。我國海岸線長度超過3 萬公里，對海洋資源的探索也隨科技發(fā)展而逐步深入。對海洋資源的開發(fā)，離不開通信技術(shù)的支持。現(xiàn)在的水下通信方式還是主要依靠海纜完成，但無線通信方式相對線纜通信具備更多優(yōu)勢，一直是當(dāng)前的研究熱點，特別是水下光通信。

水下光通信(Underwater Wireless Optical Communication，UWOC)作為一種新興的水下無線通信方式，是以可見光信息為載體，通過對數(shù)字信號進(jìn)行編碼調(diào)制和解調(diào)，以水作為信道進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。由于其具備低延時、高帶寬的特點，在海底資源探索及海洋環(huán)境監(jiān)測等方面具備較廣泛的應(yīng)用前景，且具備高保密性的特點，在軍事上也具備一定的發(fā)展?jié)摿ΓF(xiàn)今成為水下信息傳輸領(lǐng)域的研究熱點。

2 水下光通信系統(tǒng)模型和研究現(xiàn)狀

水下可見光通信的系統(tǒng)模型如圖1 所示，整體結(jié)構(gòu)可分為3 部分，發(fā)射部分、信道部分和接收部分。發(fā)射部分主要實現(xiàn)信號的編碼調(diào)制，要求光源效率高、編碼抗干擾能力強。該部分實現(xiàn)了電信號轉(zhuǎn)光信號。

圖1 水下可見光通信系統(tǒng)模型

水下信道完成光信號的傳輸，信道環(huán)境通常較復(fù)雜，需考慮吸收、散射、溫度、湍流等一系列因素的影響。接收部分完成信號解調(diào)，實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換，需考慮去干擾、有效解調(diào)解碼的問題。

目前學(xué)者的研究主要集中在信道建模技術(shù)和信道調(diào)制技術(shù)方面。

2.1 信道建模技術(shù)研究現(xiàn)狀

2008 年，Jaruwatanadilok[1]等人提出一種基于矢量輻射傳輸理論的水下無線光通信信道建模方法。使用其信道模型，通過數(shù)值蒙特卡羅模擬將散射效應(yīng)量化為距離和比特率的函數(shù)。同時作者還通過研究提出光散射時交叉偏振分量的重要性。

2011 年，Gabriel 等[2]采用蒙特卡羅方法模擬光子傳播軌跡建立信道模型，觀察在經(jīng)過量化后的不同水質(zhì)、鏈路距離和收發(fā)器參數(shù)的脈沖響應(yīng)，實驗證明大多數(shù)情況下，時間彌散不會對接收信號產(chǎn)生干擾。

2013 年，E.Kazemian[3]等人研究了葉綠素濃度和海水對水下光通信(UWOC)鏈路誤碼率以及可靠性的影響。作者基于Collins 公式研究了高斯激光束在海洋中的傳輸特性，且推導(dǎo)出海水沿光路傳輸?shù)慕馕龉健?/p>

2014 年，Dong 等[4]研究MIMO 配置下UWOC 的鏈路脈沖響應(yīng)。所提出的加權(quán)雙伽馬函數(shù)（WDGF）模型與UWOC MIMO 鏈路在實際海洋環(huán)境中得到的實驗數(shù)據(jù)與理論值吻合度較高。

2014 年，Choudhary 等人[5]提出了基于蒙特卡羅模擬和Henyey-Greenstein 模型的無視距（NLOS）水下無線光通信（UWOC）信道?；诼窂綋p耗，分析了不同水類型和接收器視場（FOV）水下（UW）系統(tǒng)的性能。

2017 年，Oubei 等人[6]為了研究弱溫度誘導(dǎo)湍流的統(tǒng)計特性，使用了廣義伽馬分布，針對溫度梯度的UWOC信道進(jìn)行建模，數(shù)據(jù)表明該模型與各類信道條件下的測量數(shù)據(jù)具有很好的擬合度。

2017 年，Jamali[7]分析評估了點對點多跳水下無線光通信系統(tǒng)的端到端誤碼率（BER），吸收、散射和湍流引起的衰落是影響UWOC 信道的主要因素。實驗數(shù)值結(jié)果表明，以多跳傳輸方式緩解信道損傷，可以顯著提高系統(tǒng)性能，增加端到端通信的通信距離。

2017 年，Rabia Qada[8]等在單輸入單輸出UWOC 信道中提出一種基于蒙特卡羅模擬的自適應(yīng)方法，該方法通過誤碼率（BER）和接收功率確定光子能量損耗。其數(shù)據(jù)結(jié)果表明，較大的接收器孔徑可以增加所需的光功率和BER。

2017 年，Oubei[9]提出了Weibull 模型來表征鹽度引起的湍流水下無線光通道的衰落。實驗結(jié)果表明該模型在所有信道條件下都理論值與測量數(shù)據(jù)吻合度較高。

2018 年Sharifzadeh[10]為了研究提出的不同概率密度函數(shù)（PDF）對水下衰落統(tǒng)計行為的影響，適當(dāng)考慮吸收和散射效應(yīng)，采用基于蒙特卡洛數(shù)值方法建立模型，并將衰落效應(yīng)視為上述PDF 的乘法系數(shù)。其結(jié)果表明，隨著湍流強度增大，不同統(tǒng)計分布預(yù)測的系統(tǒng)性能差距變大，作者強調(diào)了精確信道模型對于UWOC系統(tǒng)設(shè)計十分重要。

2019 年，Zedini[11]提出了一種統(tǒng)計模型，研究淡水以及咸水中的氣泡和溫度梯度條件下UWOC 信道中湍流誘導(dǎo)衰落的特征。這是較早提出的一個綜合信道模型，用于統(tǒng)計由于氣泡和溫度梯度引起的UWOC 信道中的光束輻照度波動。

2020 年，Singh[12]提出一種統(tǒng)計信道模型，用于表征不同氣泡種群下存在淡水情景下的水下無線光通信（UWOC）系統(tǒng)。基于實驗數(shù)據(jù)，采用高斯混合模型對接收到的光信號的輻照度波動進(jìn)行了表征。UWOC 通道的行為以分析表達(dá)式的形式建模。在定通道條件下，作者通過使用提出的解析表達(dá)式所得到的數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)吻合度高。

2021 年，Cai[13]提出了一種綜合吸收、散射和動態(tài)湍流效應(yīng)的水下無線光通信（UWOC）信道多參數(shù)模型。Z作者認(rèn)為，在弱湍流或中等湍流下，通過增加發(fā)射光功率可以有效提高誤碼率（BER）性能。50 m UWOC 通道從純海水到海水的功率損失為5.8 dBm，從弱湍流到中等湍流的功率損失為1.0 dBm，誤碼率閾值為10-6。

2021 年，Kumar[14]實驗分析了不同垂直水道條件下水下無線光通信（UWOC）的性能。通過改變垂直水道的溫度和鹽度進(jìn)行了實驗。作者通過接收光功率作為實驗結(jié)果來完成傳輸深度和衰減函數(shù)的擬合。本文在垂直UWOC 鏈路中的功率預(yù)算以及不同信道條件下傳輸數(shù)據(jù)速率等方面能夠為研究者提供一定的參考意見。

2021 年，Singh[15]使用高斯混合模型（GMM）對水中氣泡存在的影響進(jìn)行研究。通過信噪比、中斷概率、誤碼率、最大Q 因子等方面對UWOC 系統(tǒng)的性能進(jìn)行了評估，其結(jié)果表明，使用GMM 模型建模的實驗結(jié)果與提出的理論結(jié)果吻合度較高。

2022年，Lou Y[16]研究了垂直水下無線光通信（UWOC）系統(tǒng)在存在氣泡和溫度梯度下的性能。作者提出廣義的UWOC 通道模型，其中包含層，每G 個N 層具有相同的分布，但具有不同的參數(shù)，以考慮水下環(huán)境的垂直不均勻性。作者使用混合指數(shù)廣義伽馬分布對每一層進(jìn)行建模。

2.2 信道調(diào)制技術(shù)研究現(xiàn)狀

2009 年，Sui[17]通過建模和仿真，表明脈沖位置調(diào)制（PPM）更適合于低功率的海底通信系統(tǒng)，作者認(rèn)為相移鍵控（PSK）調(diào)制對比其他調(diào)制方法在帶寬以及誤差方面表現(xiàn)更好，而功率效率則較差。

2010 年，劉金濤等人[18]使用MonteCarlo 方法模擬了衛(wèi)星接收到的水下平臺上行激光鏈路的性能，在衛(wèi)星與激光信號中心水平距離5km 范圍內(nèi)，作者采用脈沖位置調(diào)制和最大似然估計的方法，實現(xiàn)了通信系統(tǒng)的誤碼率小于10-4。

2013 年，胡秀寒等人[19]設(shè)計了一種采用數(shù)字信號處理機(DSP)實現(xiàn)的高速水下通信系統(tǒng)，作者成功實現(xiàn)在100 m 的水池中進(jìn)行全雙工水下通信，且通信速率達(dá)到73 kbit/s，能夠進(jìn)行實時傳輸語音和圖像信息。作者采用脈沖位置調(diào)制和RS 編碼的方式完成實驗。

2015 年，Oubei[20]等人使用開關(guān)鍵控不歸零（OOKNRZ）調(diào)制方案在 7 m 距離上實驗實現(xiàn)在2.3 Gbit/s 傳輸時，接收數(shù)據(jù)的實測誤碼率遠(yuǎn) 2.23×10-4，低于無差錯操作 2×10-3所需的前向糾錯（FEC）閾值。

2016 年，周田華等人[21]發(fā)現(xiàn)信號在海水信道中衰減嚴(yán)重，提出一種將低密度奇偶校驗碼和脈沖位置調(diào)制的方式相結(jié)合且在脈沖位置調(diào)制的軟解調(diào)基礎(chǔ)上進(jìn)行簡化的方法，作者通過軟件仿真驗證了采用該方法的誤碼率性能優(yōu)于RS 碼，作者認(rèn)為該方法甚至不需要知道信道的詳細(xì)特征，適用于不同信道。

2017 年，CHEN 等人[22]使用單模辮狀綠色激光二極管作為光源，調(diào)制技術(shù)為32-正交調(diào)幅-正交頻分復(fù)用，在21 m 的水下信道中成功完成了5.3 Gbit/s 的無功率負(fù)載上行傳輸5.5 Gbit/s 的有功率負(fù)載下行傳輸?shù)膶嶒?，其接收?shù)據(jù)誤碼率分別為2.47×10-3和2.92×10-3。

2018 年，HUANG 等人[23]使用藍(lán)色激光二極管作為發(fā)射光源，調(diào)制方式為16-正交振幅調(diào)制-頻分復(fù)用，實現(xiàn)14.8 Gbit/s 的傳輸速率和1.9×10-5的誤碼率以及1.7 m的水下通信距離以及10.8 Gbit/s 的傳輸速率和1.5×10-4的誤碼率以及10.2 m 的水下通信距離兩個實驗。

2019 年，Wang J 等人[24]提出了一種以多像素光子計數(shù)器（MPPC）為接收器和正交頻分復(fù)用（OFDM）的水下無線光通信（UWOC）系統(tǒng)，利用 32-QAM OFDM 調(diào)制，在 21 m 水下通道上成功實現(xiàn)了 312.03 Gbit/s 的凈數(shù)據(jù)速率，誤碼率（BER）低于前向糾錯（FEC）限制。

2020 年，Chen H 等人[25]建立了一個基于單光子雪崩二極管（SPAD）接收器的水下無線光通信（UWOC）系統(tǒng)。得到了不同距離和數(shù)據(jù)傳輸速率下UWOC 的誤碼率（BER）和信噪比（SNR）性能。UWOC 系統(tǒng)采用開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制方案分別獲得最大估計距離144 m和117 m，對應(yīng)的BER 為1.89×10-3和5.31 10-4，數(shù)據(jù)傳輸速率為500 bit/s 和2 Mbit/s。作者認(rèn)為獲得的長UWOC 距離部分受益于高靈敏度SPAD，小激光發(fā)散角和低光衰減。

2022 年，GaiL 等人[26]通過設(shè)計和開發(fā)偏振復(fù)用調(diào)制和光子計數(shù)檢測的UWOC 實驗系統(tǒng)，分別采用偏振開關(guān)鍵控調(diào)制和偏振2 脈沖位置復(fù)用調(diào)制，在92 m 的水道上實現(xiàn)了14.58 Mbit/s 和7.29 Mbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率。

2023 年，Qasem[27]提出并實驗演示了用于水下無線光通信（UWOC）的能量和頻譜效率指數(shù)調(diào)制（IM）方案。該方案利用基于離散哈特利變換（DHT-OFDM）的直流光正交頻分復(fù)用IM 而不是傳統(tǒng)的基于離散傅里葉變換的OFDM（DFT-OFDM）。與DFT-OFDM 和DHT-OFDM相比，IM-DHT-OFDM 的頻譜效率提高了50%，作者在2米UWOC 上進(jìn)行仿真和實驗測試，證明了所提出的方案在誤碼率（BER）、實現(xiàn)SE、峰均比（PAPR）和計算復(fù)雜度方面優(yōu)于現(xiàn)有基準(zhǔn)方案。

3 結(jié)束語

目前UWOC 的相關(guān)技術(shù)仍然在發(fā)展中，其中有一些困難是研究者待解決的。例如如何實現(xiàn)精確信道建模，因為光信號在海水中會受到嚴(yán)重的吸收與散射效應(yīng)以及其他因素影響，信道建模復(fù)雜度是比較高的。而實驗過程中也發(fā)現(xiàn)，收發(fā)設(shè)備常因湍流海水影響未對準(zhǔn)導(dǎo)致鏈路失準(zhǔn)。海水信道高衰減環(huán)境下，UWOC 系統(tǒng)設(shè)備的功耗與效率如何有效提升。從文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前UWOC 系統(tǒng)的通信距離和通信速率較多都是在實驗室環(huán)境下測試得到，或者在模擬環(huán)境中，或者在單一應(yīng)用場景中，而真實環(huán)境不僅包括吸收、散射、氣泡、溫度等因素會造成環(huán)境多變，鹽度、水藻、漂浮物等也會影響實驗數(shù)據(jù)，后續(xù)在真實的、不同環(huán)境下的湖泊、河流、海洋等環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用仍然需要進(jìn)一步研究。而實驗數(shù)據(jù)中，常見實現(xiàn)的距離也較少超過百米以上，后續(xù)需要更多的理論支持和實驗數(shù)據(jù)來解決UWOC 系統(tǒng)中長通信距離的難題。目前國內(nèi)外主要的研究方向包括信道建模技術(shù)和信道調(diào)制技術(shù)。國外對UWOC 系統(tǒng)的研究開始比較早，其相關(guān)研究者能夠?qū)崿F(xiàn)更高的通信速率，而國內(nèi)的研究者能夠?qū)崿F(xiàn)更遠(yuǎn)的通信距離。目前研究者不少的實驗是基于實驗室模擬的海水環(huán)境，或者指定位置的海水環(huán)境，實驗數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)存在誤差，實驗數(shù)據(jù)不具備泛化性，所以未來對UWOC 系統(tǒng)的研究實驗應(yīng)該在真實的、不同區(qū)域的海洋中進(jìn)行，使得到的數(shù)據(jù)更加可靠。