水下無線光通信系統(tǒng)研究進(jìn)展

王 博，吳 瓊，劉立奇，王 濤*，朱仁江，張 鵬，汪麗杰

(1.重慶師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，重慶 401331；2.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130033)

引 言

海洋面積約占地球表面積的2/3，其中儲(chǔ)藏著豐富的礦產(chǎn)資源和生物資源。進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著海洋探測(cè)的科學(xué)意義、經(jīng)濟(jì)效益和戰(zhàn)略地位受到人們的關(guān)注，對(duì)海洋科學(xué)關(guān)鍵技術(shù)的研究已經(jīng)成為各個(gè)國家的當(dāng)務(wù)之急。未來誰能夠擁有以及控制更廣闊的海洋，誰就可以更多地掌握發(fā)展所需要的資源和生存空間。

目前對(duì)海洋進(jìn)行探索，主要有海底觀測(cè)網(wǎng)、自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)、載人潛水(human occupied vehicle,HOV)和遙控潛水器(remote operation vehicle,ROV)等水下移動(dòng)運(yùn)載平臺(tái)[1-2]。而水下通信系統(tǒng)則是水下監(jiān)視和數(shù)據(jù)傳輸中不可缺少的重要組成部分，主要分為有線通信和無線通信。傳統(tǒng)的有線通信技術(shù)采用電纜或光纖實(shí)現(xiàn)通信，但在水下難以應(yīng)用且安裝設(shè)備復(fù)雜、維護(hù)困難[3]；水下無線通信技術(shù)作為現(xiàn)代海洋探索中一種高效便捷的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，避免了線路冗雜和維護(hù)困難的問題，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的影響也較小，已經(jīng)在水下環(huán)境檢測(cè)、水下導(dǎo)航、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)和氣候變化等方面發(fā)揮著重要作用。隨著B5G/6G的發(fā)展，各種無線設(shè)備之間的通信更加密切[4]，人們?cè)陉懙厣辖⑵鹜陚涞闹悄芡ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如何把它成熟應(yīng)用到海底的通信系統(tǒng)之中，也將成為以后水下通信的主要發(fā)展方向。

本文中簡(jiǎn)述了3種水下無線通信方式的性能比較以及水下無線光通信技術(shù)的國內(nèi)外研究進(jìn)展?？紤]到外部環(huán)境會(huì)對(duì)水下無線光通信系統(tǒng)造成影響，對(duì)海水的光學(xué)特性和湍流等情況分別展開了介紹。同時(shí)，針對(duì)業(yè)界對(duì)水下無線光通信系統(tǒng)展開的研究工作，主要闡述了光源、調(diào)制、信道編碼、探測(cè)等關(guān)鍵性技術(shù)的相關(guān)性能比較以及研究進(jìn)展。未來水下無線光通信系統(tǒng)將會(huì)面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，希望能為后續(xù)的深入研究和實(shí)用提供參考。

1 水下無線通信的方式

水下無線信息傳輸方式多樣，根據(jù)通信載體的不同，大致把水下無線通信的方式分成：水聲通信、水下射頻通信以及水下無線光通信。表1是3種水下無線通信方式之間的性能比較。結(jié)合自身的優(yōu)缺點(diǎn)，可以應(yīng)用于不同的場(chǎng)合中[5-7]。

表1 3種水下無線通信方式

1.1 水聲通信

水聲通信是使用時(shí)間最長、技術(shù)最成熟、應(yīng)用范圍最廣泛和傳輸最遠(yuǎn)(可達(dá)數(shù)10km)的一種水下無線通信技術(shù)。它是以聲波為載體進(jìn)行信息傳輸，針對(duì)不同傳輸距離，可采用不同的聲波頻段。而水聲信道也存在復(fù)雜性和多變性，對(duì)于不同頻段，水聲通信會(huì)存在不同的頻率衰減；同時(shí)，聲速也有小尺度的時(shí)變性[8]。此外，水聲通信也存在帶寬低(約千赫茲量級(jí))、速率低(幾百kbit/s)、時(shí)延高、衰減大和多徑效應(yīng)嚴(yán)重等缺點(diǎn)，并且聲波對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境有嚴(yán)重影響，水聲通信系統(tǒng)設(shè)備體積龐大，功耗也較高。

1.2 射頻通信

射頻是頻率范圍為300kHz～300GHz的高頻電磁波。水下射頻通信以射頻為載體，有更容易跨過海水與空氣界面、無須鏈路精確對(duì)準(zhǔn)、對(duì)海洋生物無影響等優(yōu)點(diǎn)。但由于海水具有良好的導(dǎo)電性，射頻波在水下傳輸時(shí)被嚴(yán)重衰減，因此這會(huì)嚴(yán)重限制通信系統(tǒng)的距離[9]。而且在射頻通信中，往往需要用大尺寸的天線和高發(fā)射功率來補(bǔ)償天線損耗，所以無法適用于長距離低損耗的水下無線通信系統(tǒng)中。

1.3 光通信

針對(duì)水下環(huán)境特點(diǎn)，水下無線光通信主要采用藍(lán)綠光作為載體。1963年,DUNTLEY等人[10]研究發(fā)現(xiàn)，海水在藍(lán)綠光波段(450nm～550nm)存在一個(gè)低損耗窗口。如圖1所示[11]，相對(duì)于其它波段的光，它在海水中的衰減最小，在水下傳輸時(shí)不僅穿透能力強(qiáng)、方向性好，而且時(shí)延低，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)也為此后水下無線光通信的研究發(fā)展提供基礎(chǔ)。相較于水聲通信以及水下射頻通信而言，水下無線光通信帶寬更大、抗干擾性更強(qiáng)，能做到實(shí)時(shí)信息傳輸，同時(shí)收發(fā)設(shè)備體積較小，耗能也低，有利于對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的保護(hù)[12]。

圖1 海水在藍(lán)綠光波段的低損耗窗口[11]

隨著水下無線光通信技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，美國海軍率先對(duì)其展開研究，提出了激光對(duì)潛艇通信方案，并證實(shí)此方案的可行性，接著實(shí)戰(zhàn)演習(xí)了藍(lán)綠激光對(duì)潛艇通信系統(tǒng)性的綜合實(shí)驗(yàn)，完成了水下無線光通信的初級(jí)階段[13-14]。美國多所研究機(jī)構(gòu)和其它國家也相繼對(duì)水下無線光通信技術(shù)開展了大量研究。北卡羅萊納州立大學(xué)研究人員在3.6m水箱中實(shí)現(xiàn)500kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸[15]。美國海軍空間和海戰(zhàn)系統(tǒng)中心的研究人員對(duì)1064nm的激光二極管(laser dio-de,LD)倍頻，得到532nm綠光，并在2m長的水箱中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)出其通信速率可達(dá)1Gbit/s[16]。日本山梨大學(xué)的研究人員使用光強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)正交頻分復(fù)用(intensity modulation and direct detected-orthogonal frequency division multiplexing,IM/DD-OFDM)技術(shù)，在405nm LD通過4.8m的水下信道中，獲得1.45Gbit/s的通信速率[17]。圖2為沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)的實(shí)驗(yàn)流程圖。研究人員使用TO-9封裝的520nm綠光LD實(shí)現(xiàn)7m的水下通信，得到高達(dá)2.3Gbit/s的通信速率[18]。在實(shí)際海域測(cè)試中，日本海洋與地球科學(xué)技術(shù)研究所在700m深的海水完成長達(dá)120m、20Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸[19]。

圖2 沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)的實(shí)驗(yàn)框圖[18]

相較于國外，國內(nèi)對(duì)藍(lán)綠激光水下通信相關(guān)研究開展較晚，但也取得不錯(cuò)的研究成果。中國海洋大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)一個(gè)由89C51單片機(jī)控制的全雙工水下激光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效地消除水下背景光影響，并完成了3m水箱、最大傳輸速率19.2kbit/s圖片傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)[20]。桂林電子科技大學(xué)研究人員采用多路分集接收和自適應(yīng)濾波的方法，并使用波長為532nm的Nd∶YAG倍頻激光器作為光源，在海南省3個(gè)不同海區(qū)成功實(shí)現(xiàn)50m海深的通信實(shí)驗(yàn)[21]。浙江大學(xué)的研究人員實(shí)現(xiàn)了高速率的空氣-水下無線光通信系統(tǒng)的上行和下行傳輸，通過5m空氣信道和21m水下信道，上行和下行鏈路的傳輸速率均能達(dá)到5.5Gbit/s[22]。為了緩解接收端光功率、光電二極管和傳輸距離之間的問題，復(fù)旦大學(xué)的研究人員提出一種基于圖像的幾何整形16正交幅度調(diào)制(quadrature amplitude modulation,QAM)、離散多音頻(discrete multi-tone,DMT)編碼的可見光通信方案，通過MATLAB仿真證實(shí)此方案擁有更好的性能[23]，并且在1.2m水下鏈路中實(shí)現(xiàn)凈傳輸速率達(dá)到1.58Gbit/s的實(shí)時(shí)高清視頻傳輸實(shí)驗(yàn)[24]。

2 水下無線光通信的信道特征

由于海水組成成分復(fù)雜，其中存在各種可溶性物質(zhì)、懸浮物、湍流和氣泡等，此外不同的水體的基本特性差異較大，還需要深入了解水下環(huán)境特征，因此光在水下的傳輸依然具有很大的挑戰(zhàn)性[25]。光在海水中傳播速度雖然很快，但還是會(huì)受到海水各種環(huán)境嚴(yán)重的吸收和散射效應(yīng)而衰減，使整個(gè)信號(hào)合成后產(chǎn)生波形失真，加劇碼間串?dāng)_以及誤比特率的提高，并且多變的海水環(huán)境也會(huì)給水下無線光通信(underwater wireless optical communication,UWOC)系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定，影響通信質(zhì)量。因此，光在水下信道傳輸特性的相關(guān)研究是十分有必要的，它是整個(gè)UWOC系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對(duì)水下無線光通信整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有很大的參考價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義。

2.1 海水的光學(xué)特性

海水的光學(xué)性質(zhì)可以分為兩類：固有光學(xué)性質(zhì)(inherent optical properties,IOPs)以及表觀光學(xué)性質(zhì)(apparent optical properties,AOPs)[26]。IOPs僅僅依賴于傳輸介質(zhì)自身的光學(xué)參量，也就是傳輸介質(zhì)的組成和介質(zhì)中存在的微粒物質(zhì)，它與光場(chǎng)無關(guān)；AOPs不僅與傳輸介質(zhì)本身有關(guān)，還與光場(chǎng)的幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)[27]。其中，海水的IOPs主要由吸收系數(shù)、散射系數(shù)、衰減系數(shù)和體積散射函數(shù)決定；AOPs則是由亮度、輻照度和反射率所決定[28]。

光在不同海水中的傳輸特性差異較大，而海水因溶解物質(zhì)濃度的不同以及地理環(huán)境的差異也會(huì)有很大的差別。通常分為純海水、清澈海水、沿海海水、渾濁海港水這4種不同類型的海水。實(shí)際海水的測(cè)試實(shí)驗(yàn)較復(fù)雜，所以通常使用仿真的方法來模擬不同類型海水的光學(xué)特性。如圖3所示，參考文獻(xiàn)[29]中采用蒙特卡洛仿真法，模擬在靜水環(huán)境下，針對(duì)不同類型海水歸一化接收功率幅度和傳輸距離、發(fā)散角之間的關(guān)系得出以下結(jié)果，在給定發(fā)散角θ=π/360rad時(shí)，純海水與清澈海水在5m傳輸距離下的接收光功率近似相等，此時(shí)衰減較?。幌嗤那闆r下，渾濁度越高的海水，它的光功率衰減也就越大，隨距離變化也就越明顯。其中，在渾濁海港水10m～20m的傳輸距離內(nèi)，不同發(fā)散角的接收功率卻趨于一致，如12m時(shí)的4個(gè)發(fā)散角接收功率都約為-84dB，17m時(shí)的接收功率約為-101dB。這是因?yàn)楣庾釉跍啙岷８鬯械纳⑸溥^大，光束發(fā)散角的影響可以忽略，只有少部分的光子落在接收端，所以此時(shí)的接收功率與發(fā)射角無關(guān)，只與傳輸距離相關(guān)。

海水信道對(duì)光的衰減包括海水的吸收和散射，同時(shí)它們也是IOPs主要組成部分。圖4為海水固有光學(xué)性質(zhì)的幾何圖，入射光束的波長為、總功率為Pi，通過寬度為ΔD、體積為ΔV的水時(shí)，其中功率Pa被吸收，功率Ps被散射，功率Pc依舊沿著初始方向傳播[30]，由能量守恒定律可知:

圖3 歸一化接收功率幅度和傳輸距離、發(fā)散角之間的關(guān)系[29]

圖4 海水光學(xué)性質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)

Pi=Pa+Ps+Pc

(1)

當(dāng)水的寬度ΔD接近無窮小時(shí)，吸收系數(shù)a和散射系數(shù)b分別為：

(2)

(3)

所以海水的衰減系數(shù)c為：

c=a+b

(4)

式中，c的單位為m-1?；诮o定的衰減系數(shù)，Beer-Lambert定律[31]描述了光束在水中的衰減效應(yīng)為：

P=P0exp(-cl)

(5)

式中，P0為初始功率，l為光束在水中傳播距離，P為傳播l之后的剩余功率。表2中給出了4種主要海水類型相關(guān)的吸收系數(shù)a、散射系數(shù)b和衰減系數(shù)c的典型值[26]。純海水中，水和無機(jī)鹽是主要成分，所以吸收是主要的限制因素，低散射系數(shù)使光束不易發(fā)散；清澈海水中，高濃度的溶解微粒影響散射；沿海海水中，浮游生物、碎屑和礦物質(zhì)是吸收和散射的主要來源；渾濁海灣水中，溶解物和懸浮物濃度最高，導(dǎo)致嚴(yán)重衰減。

表2 4種海水類型的相關(guān)系數(shù)

2.2 湍流

在水下無線通信中，海水的鹽度、密度和溫度的變動(dòng)都會(huì)引起折射率的變化[27]。當(dāng)光束通過海洋湍流時(shí)，光強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)(閃爍)，這會(huì)對(duì)通信性能造成很大的影響。海水湍流的模型建立主要是基于自由空間光通信中的光學(xué)湍流模型，由于海水湍流的物理性質(zhì)與自由空間光通信的光學(xué)湍流相似性，研究學(xué)者們通常把經(jīng)典自由空間光學(xué)湍流模型直接應(yīng)用到海水中[30]。

為了減弱海洋湍流對(duì)水下無線光通信系統(tǒng)的影響，一般可以采取自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償、信號(hào)處理等方法來保證通信質(zhì)量[32]。通過蒙特卡洛仿真法，能模擬在不同強(qiáng)度的湍流下，誤比特率性能的變化。南方科技大學(xué)的研究人員使用水泵在水箱中模擬海水的湍流，在純凈水中，誤比特率受湍流的影響較?。辉邴}水中，湍流強(qiáng)度越強(qiáng)，相應(yīng)誤比特率變化也就越明顯[33]。西安電子科技大學(xué)的研究人員在弱海洋湍流的情況下發(fā)現(xiàn)，增大調(diào)制階數(shù)可以提高系統(tǒng)容量、降低誤比特率[32]。華僑大學(xué)的研究人員則在二進(jìn)制開關(guān)鍵控(on-off keying,OOK)或差分相移鍵控(differential phase shift keying,DPSK)調(diào)制的中強(qiáng)度湍流下，采用孔徑平均技術(shù)能有效提升通信系統(tǒng)的性能[34]。

3 水下無線光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

水下無線光通信系統(tǒng)一般由發(fā)射端、接收端和水下信道3個(gè)部分組成。圖5為水下無線光通信系統(tǒng)的一般模型。發(fā)送端由信號(hào)輸入、編碼與信號(hào)處理電路、光源及其驅(qū)動(dòng)電路組成；接收端由探測(cè)器、譯碼和信號(hào)處理電路組成。

完整的水下無線光通信系統(tǒng)能夠完成對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行編碼調(diào)制，由光源進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成光信號(hào)在水下信道傳輸，再由探測(cè)器接收并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、譯碼解調(diào)，恢復(fù)出原始信號(hào)。其中編碼調(diào)制主要包括信源編碼和信道編碼，前者主要通過壓縮數(shù)據(jù)以減小所占的系統(tǒng)帶寬；后者則是提高系統(tǒng)的抗干擾能力，提升系統(tǒng)的性能[35]。光鏈路對(duì)準(zhǔn)也是關(guān)鍵技術(shù)，在整個(gè)水下信道中，光束的傳輸受到吸收散射的影響，保持穩(wěn)定的對(duì)準(zhǔn)是難以實(shí)現(xiàn)的。瞄準(zhǔn)、追蹤和對(duì)準(zhǔn)(acquisition,tracking,pointing,ATP)能建立起高精度的通信鏈路，所以ATP系統(tǒng)往往成為光鏈路是否成功的關(guān)鍵[1]。而在接收端，探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)很微弱，還會(huì)受到信號(hào)處理電路的影響從而導(dǎo)致信噪比的降低，所以通常會(huì)在探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后做放大、濾波的處理以得到更好的信號(hào)。

圖5 水下無線光通信系統(tǒng)法的一般模型

3.1 光源技術(shù)

水下無線光通信系統(tǒng)中，光源起著至關(guān)重要的作用，影響著光信號(hào)質(zhì)量、傳輸距離和光路穩(wěn)定性[36]。目前，常用的光源有發(fā)光二極管(light-emitting diode,LED)和LD。LED是加上正向電壓后電子自發(fā)輻射躍遷而發(fā)光，發(fā)出的光相干性較差，線寬較寬，且光束發(fā)散角較大，光能不集中。而LD則是電子受激輻射躍遷發(fā)出激光，其特點(diǎn)是發(fā)光功率高、相干性好、方向性好、線寬窄，由于對(duì)溫度敏感，所以需要附加溫度控制器和驅(qū)動(dòng)器。LED和LD的主要性能比較如表3所示。

隨著LED的廣泛研究及應(yīng)用，它的優(yōu)點(diǎn)很明顯，如成本低、壽命長(輸出功率隨時(shí)間增減產(chǎn)生衰減小)、安全性高、功耗低、可同時(shí)用于通信以及照明等等。但是它的缺點(diǎn)同樣也很顯著，由于它調(diào)制帶寬小于200MHz，從而限制UWOC系統(tǒng)的傳輸速率；發(fā)散角大、能量分散，導(dǎo)致UWOC傳輸距離短。為了解決這些問題，不同的方法被提出[35,37]，如采用頻譜效率較高的調(diào)制技術(shù)，來增大UWOC的傳輸速率；通過用LED陣列來增大UWOC的傳輸距離。

表3 發(fā)射端光源的性能比較

2010年，麻省理工學(xué)院的研究人員構(gòu)建了一個(gè)雙向、高速率的水下無線光通信系統(tǒng)。圖6a是由6個(gè)5W藍(lán)光LED組成的陣列和探測(cè)器，在30m傳輸距離的清水水池測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，傳輸速率達(dá)到了1.2Mbit/s；在能見度估計(jì)為3m的水池中，距離達(dá)9m時(shí)，數(shù)據(jù)速率為0.6Mbit/s[38]。2019年，英國思克萊德大學(xué)的研究人員使用6個(gè)串聯(lián)的LED組成的陣列(如圖6b所示)，在4.5m的清水中最大傳輸速率為3.4Gbit/s[39]。LED陣列作為通信光源使用的比較頻繁，這種結(jié)構(gòu)有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，首先是能夠增大發(fā)射光功率；其次是可以提高光源的穩(wěn)定性，也就是當(dāng)單個(gè)LED損壞的時(shí)候可以繼續(xù)使用該通信光源。

圖6 a—美國麻省理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)所用的光源[38] b—英國思克萊德大學(xué)實(shí)驗(yàn)采用微型LED陣列[39]

在UWOC中，直接調(diào)制可見光波段的LD帶寬高(大于1GHz)，信號(hào)傳輸速率可達(dá)Gbit/s量級(jí)，同時(shí)LD的發(fā)散角小(約0.01°)，能量集中，傳輸距離長，保密性好，信息不容易被竊取和監(jiān)聽[40]。2020年，浙江大學(xué)CHEN等人設(shè)計(jì)了基于綠光LD的水下無線光通信系統(tǒng)，首次在接收端采用噪聲預(yù)測(cè)的頻域均衡器(frequency domain equalization and noise prediction,FDE-NP)和交織器/解交織器來處理碼間干擾和譯碼時(shí)延，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)最大凈速率為3.48Gbit/s,同時(shí)傳輸距離更是達(dá)到了56m[41]。圖7中分別展示了近年來藍(lán)綠光LED/LED陣列以及LD的水下無線光通信的部分研究成果(圖中“[]”內(nèi)對(duì)應(yīng)文后的參考文獻(xiàn)序號(hào))，可以看到,LD作為光源的水下無線光通信系統(tǒng)，它的傳輸距離會(huì)得到大幅度提升；與LED相比，在傳輸距離相同的情況下，系統(tǒng)的傳輸速率會(huì)更高。因此，LD十分適用于高速率、長距離的水下無線光通信系統(tǒng)中。

圖7 近年藍(lán)綠光水下水下無線通信的部分研究成果

除了傳統(tǒng)的LD，激光器的改良也能很好地提升系統(tǒng)性能，臺(tái)北科技大學(xué)Lü等人利用注入鎖定技術(shù)，將光注入到特定頻率工作的激光諧振腔，得到了更高功率的激光輸出。2016年，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于兩級(jí)注入鎖定藍(lán)光LD的水下無線光通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)8m、9.6Gbit/s水下數(shù)據(jù)傳輸[59]。次年，又使用680nm紅光垂直腔面發(fā)射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)作為光源，最終成功實(shí)現(xiàn)5m水下鏈路、25Gbit/s速率的傳輸，并發(fā)現(xiàn)在高度渾濁的海港水中，其衰減系數(shù)比藍(lán)綠光更小[52]。

3.2 調(diào)制技術(shù)

除了要選擇合適的光源器件，調(diào)制解調(diào)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)性能也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。調(diào)制技術(shù)主要分為單載波調(diào)制和多載波調(diào)制，常見的單載波調(diào)制技術(shù)有OOK、脈沖位置調(diào)制(pulse position modulation,PPM)、差分脈沖位置調(diào)制(differential pulse-position modulation,DPPM)等等；而多載波調(diào)制技術(shù)有DMT調(diào)制、正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)等等[37]。

在高速水下無線光通信系統(tǒng)中，多載波調(diào)制技術(shù)能夠?qū)箍梢姽庑诺赖亩鄰叫?yīng)，因此更適用于提升該系統(tǒng)的通信質(zhì)量[60]。其中，OFDM作為一種多載波調(diào)制技術(shù)，近年來在UWOC中得到廣泛應(yīng)用。圖8為OFDM系統(tǒng)原理框圖。數(shù)據(jù)先經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后再由各自的子載波頻域上進(jìn)行QAM映射，此時(shí)信號(hào)變?yōu)閺?fù)數(shù)信號(hào)，然后進(jìn)行快速傅里葉逆變換(inverse fast Fourier transform,IFFT)，得到了時(shí)域上的復(fù)數(shù)信號(hào)，給每個(gè)OFDM符號(hào)前加循環(huán)前綴(cycle prefix,CP)，接著進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換得到將要傳輸?shù)腛FDM時(shí)域信號(hào)，最后再經(jīng)過數(shù)/模(digital/analog,D/A)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)送入信道傳輸。其中，QAM的數(shù)據(jù)傳輸效率與載波上的比特位數(shù)成正比，即比特位數(shù)越多，傳輸效率越高。接收端由探測(cè)器接收到傳輸?shù)男盘?hào)后，解調(diào)過程則和發(fā)送端相反。高階QAM-OFDM雖然能夠充分利用信道帶寬、提高頻譜效率和傳輸速率以及抗頻率選擇性衰落的影響；但它的峰值平均功率比高，會(huì)讓射頻功率放大器的效率減?。徊⑶覍?duì)信道產(chǎn)生的頻率偏移和相位噪聲都很敏感[3,36]。表4是對(duì)近幾年來，在使用不同高階QAM-OFDM調(diào)制格式以及不同探測(cè)器的一些水下藍(lán)綠激光通信的研究成果的總結(jié)。

圖8 OFDM系統(tǒng)原理框圖

表4 近年高階QAM-OFDM調(diào)制下的水下無線光通信研究成果

3.3 信道編碼技術(shù)

光在海水中傳輸會(huì)受到吸收和衰減，這不僅會(huì)直接影響水下無線光通信系統(tǒng)的傳輸距離，而且也會(huì)增大系統(tǒng)的誤比特率。為了提高通信系統(tǒng)的魯棒性，減小光衰減，保持低誤比特率的傳輸，可以使用前向糾錯(cuò)編碼(forward error correction,FEC)。FEC按照特定的算法給傳輸信息加入冗余部分，在解碼時(shí)，根據(jù)這些冗余部分判斷傳輸中的有限錯(cuò)誤數(shù)量，如果這些錯(cuò)誤在可糾范圍內(nèi)，則糾正這些錯(cuò)誤，降低誤比特率[35]。

FEC主要分為分組碼和卷積碼。里所碼(Reed-Solomon,RS)、線性循環(huán)糾錯(cuò)碼(bose chaudhuri hocquenghem,BCH)和循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(cyclic redundancy check,CRC)都是分組碼，它們以犧牲帶寬為代價(jià)，從而提高水下無線光通信系統(tǒng)的鏈路范圍和功率效率[25]。COX等人使用一個(gè)(255,129)RS碼系統(tǒng)，和沒有編碼的OOK系統(tǒng)相比，降低了8dB的所需接收功率[68]。中國海洋大學(xué)的研究結(jié)果表明,RS碼比BCH碼的糾錯(cuò)能力更強(qiáng)[69]。在更渾濁的水質(zhì)中，采用多層編碼的方案可以大大提高水下無線光通信系統(tǒng)的魯棒性[70]。

低密度匹配校驗(yàn)碼(low density parity check code,LDPC)和turbo碼均是卷積碼[30]。它們都逼近香農(nóng)容量極限，糾錯(cuò)能力強(qiáng)。其中turbo碼是一種級(jí)聯(lián)碼，它的譯碼復(fù)雜度大、時(shí)延長，在水下無線光通信系統(tǒng)中實(shí)施起來相對(duì)難度較大。turbo碼通常與PPM調(diào)制一起使用來保證潛水員在水下準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸[71]。而LDPC碼利用校驗(yàn)矩陣的稀疏性，能夠解決譯碼時(shí)延的問題，提高系統(tǒng)的性能；LDPC碼還會(huì)受到溫度的影響，編碼增益隨著溫度梯度增加而增大[72]。在干擾因素更多的水下環(huán)境中，LDPC碼和turbo碼相對(duì)于分組碼對(duì)通信系統(tǒng)的性能會(huì)更好，因此得到更廣泛的應(yīng)用[73]。

3.4 探測(cè)技術(shù)

在整個(gè)通信過程中，接收端保持穩(wěn)定的對(duì)準(zhǔn)是難以實(shí)現(xiàn)的，而ATP能夠建立起高精度的通信鏈路。ATP系統(tǒng)通常由粗跟蹤系統(tǒng)(捕獲)和精跟蹤系統(tǒng)(跟蹤、瞄準(zhǔn))組成，粗跟蹤是采用陣列電荷耦合器件 (charge-coupled device，CCD)與信號(hào)實(shí)時(shí)處理的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成的；精跟蹤則是捕獲后，采用位置傳感器和相應(yīng)的電子伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤，ATP系統(tǒng)往往成為光鏈路是否成功的關(guān)鍵[1,10]。

在水下無線光通信系統(tǒng)中，為了讓光斑與接收端精對(duì)準(zhǔn)，西安郵電大學(xué)的研究人遠(yuǎn)采用擴(kuò)展卡爾曼濾波和基本狀態(tài)控制反饋理論實(shí)現(xiàn)了接收端和光斑中心的主動(dòng)跟蹤對(duì)準(zhǔn)，傳輸距離小于25m時(shí)，接收效率達(dá)98%以上[74]。隨后，又使用均值漂移與無跡卡爾曼濾波器結(jié)合的算法，跟蹤光斑的實(shí)時(shí)位置，并搭建了接收機(jī)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，圖9為光斑被遮擋時(shí)跟蹤結(jié)果。圖9a～圖9f中選取了一組序列的6個(gè)時(shí)刻，圖9d對(duì)應(yīng)的時(shí)刻光斑被遮擋，但根據(jù)算法仍能預(yù)測(cè)光斑的位置進(jìn)行跟蹤；圖9g為實(shí)際移動(dòng)軌跡和跟蹤軌跡的比較圖，兩個(gè)軌跡幾乎重合在一起，能有效地解決水下無線光通信中光斑易被遮擋的問題[75]。

在探測(cè)器對(duì)信號(hào)判決之前，采用信道均衡技術(shù)可以有效地消除多徑效應(yīng)產(chǎn)生的碼間串?dāng)_的問題，從而提高信道的抗衰落性。在無線信道傳輸中通常采用最大似然符號(hào)檢測(cè)、最大似然序列估值等非線性均衡器[76]。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的研究人員采用維特比均衡算法去估計(jì)最大似然接受序列，仿真結(jié)果證實(shí)在長距離高速率的水下無線光通信系統(tǒng)中具有高速率性能以及小誤比特率[77]。隨后他們將最大比合并分集接收技術(shù)應(yīng)用于水下通信技術(shù)中，優(yōu)化了合并后的信噪比，提高接收端的靈敏度[78]；又采用一種半解析的方法，準(zhǔn)確地估算出水下無線光通信系統(tǒng)的最大傳輸距離[79]。

接收端常用的探測(cè)器有PIN(positive-intrinsic-ne-gative)光電二極管、雪崩光電二極管(avalanche photon diode,APD)以及光電倍增管(photomultiplier tube,PMT)。它們?nèi)叩男阅鼙容^如表5所示。

表5 探測(cè)器性能比較

通過對(duì)表5中探測(cè)器性能比較分析發(fā)現(xiàn)，PIN不存在內(nèi)部增益，所以對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大處理是通過外加射頻放大器來實(shí)現(xiàn)的。APD利用雪崩擊穿效應(yīng)具有遠(yuǎn)高于PIN光電二極管的探測(cè)靈敏度，除此之外，在響應(yīng)速度、等效噪聲功率等方面較PIN的優(yōu)勢(shì)明顯；但是，二者的探測(cè)面積都較小，對(duì)UWOC系統(tǒng)的鏈路對(duì)準(zhǔn)要求較高[36,67]。在蓋格模式下工作的APD-單光子雪崩二極管(single photon avalanche diodes,SPAD)，因其能探測(cè)獨(dú)立光子的特性，不需要跨阻放大器來放大電信號(hào)的幅度，故而適用于長距離以及低功率的水下無線光通信系統(tǒng)[80]。復(fù)旦大學(xué)的研究人員使用SPAD作為接收端，實(shí)現(xiàn)了傳輸距離為117m、通信速率為2Mbit/s的水下無線光通信數(shù)據(jù)傳輸[56]。相較于前面幾種探測(cè)器，PMT的靈敏度高，可以探測(cè)由散射或非線性光學(xué)效應(yīng)而發(fā)散的低功率信號(hào)，對(duì)鏈路對(duì)準(zhǔn)要求比較低。但它因?yàn)榉糯笮Ч黠@而易導(dǎo)致接收的信號(hào)穩(wěn)定性不夠好，容易失真，在使用時(shí)特別易碎，不適合水下無線光通信系統(tǒng)。圖10為GABRIEL等人通過仿真發(fā)現(xiàn)，在相同傳輸功率下，使用不同的探測(cè)器所能達(dá)到的最遠(yuǎn)傳輸距離會(huì)有很大差異[81]。

圖10 在不同傳輸功率Pt、不同衰減系數(shù)的水質(zhì)以及不同探測(cè)器時(shí)，誤比特率隨距離z的變化[81]

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)水下無線通信技術(shù)手段相比較而言，水下無線光通信具有低延遲、大容量、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，因此為高速率、高可靠的水下無線通信系統(tǒng)提供了一種可能。但是目前對(duì)于水下光通信的研究，業(yè)界大多還停留在數(shù)值仿真和靜態(tài)的實(shí)驗(yàn)中。而在實(shí)際應(yīng)用中還需要考慮到水質(zhì)、湍流、氣泡等各種傳播損耗因素的影響，所以對(duì)現(xiàn)實(shí)復(fù)雜通道模型的研究較少。使用合適的調(diào)制技術(shù)以及信道編碼也是另一個(gè)值得探索的問題。在設(shè)計(jì)調(diào)制格式和編碼時(shí)，需要綜合考慮到水下信道的特殊性，不同類型的信道使用不同的調(diào)制格式和編碼技術(shù)，以便能達(dá)到最佳效果。

同時(shí)，光鏈路的對(duì)準(zhǔn)跟蹤技術(shù)也需要進(jìn)一步提高，從而減小通信鏈路損失。除此之外，高功率的光源、大探測(cè)面積高靈敏度的探測(cè)器等通信元器件性能的提升，對(duì)于光通信系統(tǒng)的實(shí)用化具有非常重要的作用，這也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。