水下無(wú)線光通信關(guān)鍵技術(shù)與未來(lái)展望*

褚馨怡，袁仁智，彭木根

（北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876）

0 引言

水下無(wú)線通信（UWC,Underwater Wireless Communication）技術(shù)可廣泛應(yīng)用于軍事和民用水下通信場(chǎng)景，包括水下潛艇通信、水下無(wú)人機(jī)組網(wǎng)、水下洋流探測(cè)和海洋資源開(kāi)發(fā)等。按照信息媒介，可將UWC 分為水下射頻通信、水聲通信和水下無(wú)線光通信（UWOC,Underwater Wireless Optical Communication）[1]。由于射頻和水聲通信帶寬有限，利用藍(lán)綠光作為載波的UWOC 近年來(lái)已成為UWC的研究熱點(diǎn)。作為6G 愿景中空天地海一體化通信的關(guān)鍵部分，UWOC 將拓展水下通信覆蓋的廣度和深度[2]。

表1 定性比較了UWOC、水聲通信和水下射頻通信在通信距離、傳輸速率及局域保密性等方面的優(yōu)劣。按照性能等級(jí)，依次分為良好（+++）、中等（++）、偏低（+）和不足（-）。

表1 水下通信技術(shù)對(duì)比

可以看出，UWOC 具有高傳輸速率、高局域保密性以及低實(shí)現(xiàn)成本等優(yōu)勢(shì)：通信速率可達(dá)到Gbps 量級(jí)；通常采用視距（LOS,Line-of-Sight）通信鏈路，保密性良好；收發(fā)機(jī)體積小、成本低，便于實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和大規(guī)模商業(yè)化。但由于水下光信號(hào)衰減較快以及水下湍流的影響，UWOC 在通信距離和環(huán)境適應(yīng)性方面仍存在劣勢(shì)。

本文通過(guò)介紹UWOC 的傳播特性和應(yīng)用場(chǎng)景，探討了UWOC 關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，其中包括理論信道模型和編碼調(diào)制技術(shù)，并展望了UWOC 在多輸入多輸出（MIMO,Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)、弱光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和水下通感一體化技術(shù)方面的發(fā)展方向及相應(yīng)挑戰(zhàn)。

1 水下無(wú)線光通信簡(jiǎn)介

1.1 水下光傳播特性

水下環(huán)境的特殊性使UWOC 與其他光通信存在較大差異。水對(duì)可見(jiàn)光存在嚴(yán)重的吸收和散射效應(yīng)，前者限制了UWOC 的傳輸距離，后者擴(kuò)展了傳播光束，降低信噪比且產(chǎn)生多徑效應(yīng)，增大系統(tǒng)誤碼率。

水體對(duì)光的吸收和散射效應(yīng)取決于水的固有光學(xué)特性[3]。設(shè)波長(zhǎng)為λ的平行光束入射至寬度為△D的水，入射光功率為PI(λ)，水吸收光功率為PA(λ)，散射光功率為PS(λ)，出射光功率為PT(λ)。根據(jù)能量守恒定律，可得[3]：

利用吸光度和散射度定義式，可以得到吸收系數(shù)和散射系數(shù)分別如下：

光的衰減系數(shù)c(λ)可以表示為：

c(λ)與海水環(huán)境的多種因素相關(guān)，包括海水鹽度、渾濁度甚至浮游生物等。

1.2 應(yīng)用場(chǎng)景

UWOC 技術(shù)最初主要用于軍事領(lǐng)域，是水下潛艇高速率、高保密和強(qiáng)抗干擾通信的關(guān)鍵技術(shù)，如美軍進(jìn)行多次藍(lán)綠激光對(duì)潛通信實(shí)驗(yàn)，包含單向光通信和雙工光通信場(chǎng)景[4]，證實(shí)了UWOC 可以在惡劣天氣下保持良好的通信性能。

隨著海洋探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，傳感信息的實(shí)時(shí)傳輸需求增加，UWOC 是水下環(huán)境實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)協(xié)作監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)。此外，UWOC 還能應(yīng)用于水下機(jī)器人對(duì)接，如2022年北京冬奧會(huì)借助UWOC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水下多機(jī)器人跨域火炬?zhèn)鬟f[5]。目前UWOC 仍受限于較短通信距離（百米量級(jí)），僅有少數(shù)UWOC 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。例如，英國(guó)BlueComm 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)150 m 內(nèi)10 Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸，美國(guó)Ambalux 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)40 m 內(nèi)10 Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸[1]，我國(guó)首臺(tái)雙光源UWOC 商用設(shè)備可實(shí)現(xiàn)50 m 內(nèi)3 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸[6]。

2 UWOC關(guān)鍵技術(shù)及研究進(jìn)展

下面重點(diǎn)介紹UWOC 在信道建模、編碼調(diào)制和實(shí)驗(yàn)探索等方面的進(jìn)展。

2.1 理論信道建模

光在水下傳輸需考慮信道衰減損耗、收發(fā)機(jī)系統(tǒng)損耗、收發(fā)端對(duì)準(zhǔn)誤差和水下湍流的影響，下面主要介紹水下光衰減的建模方法。

水下光衰減信道模型分為L(zhǎng)OS 結(jié)構(gòu)和非視距（NLOS,Non-Line-of-Sight）結(jié)構(gòu)兩種類(lèi)型。LOS 結(jié)構(gòu)可采用比爾-朗伯特定律[7]進(jìn)行建模：

其中，I0表示透射光的功率，z表示透射光的距離，I表示透射距離z之后的光功率，c(λ) 表示衰減系數(shù)?；诒葼?朗伯特定律的信道建模計(jì)算并未將所有散射次數(shù)的散射光子計(jì)入，嚴(yán)重低估了接收光功率。水下光衰減一般理論模型由輻射傳輸方程（RTE,Radiative Transfer Equation）描述，在不考慮時(shí)間色散的情況下，典型的二維RTE 方程如下[7]：

求解RTE 最常用的數(shù)值解法是蒙特卡羅仿真（MCS,Monte-Carlo Simulation）方法。該方法通過(guò)發(fā)送和跟蹤大量光子來(lái)模擬水下光傳播損失，具有簡(jiǎn)單靈活、魯棒性高等優(yōu)點(diǎn)，被研究人員廣泛采用。例如，文獻(xiàn)[8] 利用MCS 評(píng)估不同條件下UWOC 系統(tǒng)的信道容量，仿真結(jié)果與水箱實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近；文獻(xiàn)[9]通過(guò)MCS 求解RTE 方程，得到可預(yù)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的信道模型，并計(jì)算出信道脈沖響應(yīng)函數(shù)。

與LOS 結(jié)構(gòu)的光衰減信道建模相比，NLOS 結(jié)構(gòu)的精確信道模型尚未提出。在NLOS 結(jié)構(gòu)中，多利用海面反射來(lái)解決非視距障礙，其信道建模的關(guān)鍵在于對(duì)海面反射效應(yīng)的建模。與LOS 結(jié)構(gòu)類(lèi)似，大多數(shù)NLOS 模型都是通過(guò)MCS 等數(shù)值方法建立。文獻(xiàn)[10] 基于MCS 方法引入隨機(jī)海面坡度和海水散射的影響，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)海面坡度嚴(yán)重影響接收信號(hào)。

MCS 方法需要大量光子參與仿真，通常具有較低的計(jì)算效率。文獻(xiàn)[11]提出基于部分重要性采樣的蒙特卡羅積分（MCI,Monte-Carlo Integration）模型，其計(jì)算效率能夠達(dá)到經(jīng)典MCS模型效率的5.6倍以及MCI模型效率的12倍。

2.2 編碼調(diào)制技術(shù)

為了減輕水下光衰減的影響，并在低信噪比水下環(huán)境中實(shí)現(xiàn)低誤碼率，可以在UWOC 系統(tǒng)中使用前向糾錯(cuò)編碼（FEC,Forward Error Correction）技術(shù)。FEC 具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、魯棒性高等優(yōu)點(diǎn)，但在強(qiáng)干擾環(huán)境下性能較差[12]。因此，可以考慮采用更復(fù)雜的信道編碼方案，如低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC,Low-Density Parity-Check）和Turbo 碼。LDPC 碼是一種高效的線性分組碼，Turbo碼是一種并行級(jí)聯(lián)碼，它們都可以提供接近香農(nóng)極限的糾錯(cuò)性能[13]。目前在UWOC 中LDPC 碼和Turbo 碼的應(yīng)用較少，仍待進(jìn)一步研究。

UWOC 系統(tǒng)普遍采用強(qiáng)度調(diào)制，如開(kāi)關(guān)鍵控（OOK,On-Off Keying）和脈沖位置調(diào)制（PPM,Pulse Position Modulation），具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但強(qiáng)度調(diào)制能量和頻譜效率較低[14]。相干調(diào)制方案如正交幅度調(diào) 制（QAM,Quadrature Amplitude Modulation）和 極 化位移鍵控（PolSK,Polarization Shift Keying），具有靈敏度高、誤碼性能好等優(yōu)勢(shì)，但系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高。近年來(lái)，研究人員結(jié)合強(qiáng)度調(diào)制和相干調(diào)制提出新的調(diào)制方式，如極化-脈沖位置調(diào)制（P-PPM,Polarized-Pulse Position Modulation）和極化-差分脈沖位置調(diào)制（P-DPPM,Polarized-Differential Pulse Position Modulation），進(jìn)一步提高UWOC 系統(tǒng)的傳輸帶寬和距離[15-16]。

2.3 最新實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

UWOC 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通常采用藍(lán)綠波段的發(fā)光二極管（LED,Light-Emitting Diode）光源和激光光源。LED具有成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，被研究人員廣泛使用。UWOC 實(shí)驗(yàn)的接收端主要采用PIN（Positive-Intrinsic-Negative）二極管、雪崩光電二極管（APD,Avalanche Photodiode）和光電倍增管（PMT,Photomultiplier Tube）。相較于PIN 二極管，APD 可以提供更高增益，因此可用于更長(zhǎng)距離的UWOC 鏈路，但APD 具有較復(fù)雜的輔助電路[13]。相較于APD，PMT 具有更高的靈敏度和光學(xué)增益，且噪聲水平更低，但其易受到?jīng)_擊和振動(dòng)的影響，且成本較高[1]。圖1 統(tǒng)計(jì)了近年來(lái)UWOC 系統(tǒng)在通信距離和通信速率上的主要實(shí)驗(yàn)進(jìn)展：

圖1 2010至2021年UWOC主要實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

可以看出，早期的UWOC 實(shí)驗(yàn)多以短距離低速的單向傳輸為主。2011 年，麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了全雙工UWOC 系統(tǒng)AquaOptical II[17]，并于2013 年利用該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)視頻傳輸實(shí)驗(yàn)。2015 年，伍茲霍爾海洋研究所搭建的UWOC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100 m 的通信距離[18]，同年，阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)實(shí)現(xiàn)了通信速率從Mbps 量級(jí)至Gbps 量級(jí)的突破[19]。2019年，英國(guó)Sonardyne 公司發(fā)布的商用UWOC BlueComm200系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了10 Mbps 速率150 m 距離的傳輸[1]。2020 年，葡萄牙INESC TEC 研究所利用正交頻分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了5.36 Gbps 的短距離高速傳輸[20]。2021 年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)采用激光和APD 搭建的UWOC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了1 Gbps 速率130 m 距離的傳輸[21]。

3 UWOC的未來(lái)發(fā)展方向

下面主要介紹UWOC 的MIMO 技術(shù)、水下弱光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和水下通感一體化技術(shù)。

3.1 MIMO技術(shù)

為了降低海洋湍流對(duì)UWOC 系統(tǒng)的影響，可以采用MIMO 的空間分集技術(shù)對(duì)抗湍流引起的信道衰弱。單輸入單輸出（SISO,Single-Input Single-Output）系統(tǒng)的大孔徑接收將會(huì)加劇碼間串?dāng)_，如圖2 所示，多輸入多輸出結(jié)構(gòu)能降低衰弱影響，且具有更高的能量效率、信道容量和穩(wěn)定性[22]。此時(shí)，UWOC 的多路信號(hào)合并方式將對(duì)后續(xù)的檢測(cè)性能產(chǎn)生重要影響。

圖2 基本UWOC系統(tǒng)MIMO結(jié)構(gòu)

目前MIMO 技術(shù)在UWOC 的應(yīng)用大都停留在理論探索階段。UWOC 空間分集技術(shù)通常采用等增益合并或最大比合并。由于接收端的散粒噪聲大小與信號(hào)光強(qiáng)有關(guān)，UWOC 的最優(yōu)合并方式不再是最大比合并，因此有必要探索在UWOC 空間分集技術(shù)的最優(yōu)合并方式。

3.2 水下弱光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

由于水體對(duì)水下光信號(hào)的強(qiáng)散射和吸收效應(yīng)，以及水下湍流帶來(lái)的衰減和衰弱影響，UWOC 中的接收光信號(hào)強(qiáng)度常處于微弱情形。通常在接收光信號(hào)強(qiáng)度較大時(shí)，由接收光信號(hào)帶來(lái)的散粒噪聲可用高斯分布近似，但當(dāng)接收光信號(hào)強(qiáng)度很弱時(shí)，接收機(jī)對(duì)弱光信號(hào)的檢測(cè)需要考慮光的粒子特性，此時(shí)常用泊松信道假設(shè)取代高斯信道假設(shè)，且接收機(jī)采用弱光信號(hào)單側(cè)器，如PMT 或光子計(jì)數(shù)器時(shí)引入的熱噪聲相比散粒噪聲不可忽略。因此，對(duì)水下弱光信號(hào)的檢測(cè)需同時(shí)考慮弱光信號(hào)的泊松特性和熱噪聲影響。

目前對(duì)弱光信號(hào)檢測(cè)的研究多面向深空光通信場(chǎng)景[23]。由于水下湍流帶來(lái)的信道衰弱影響，深空光通信中的弱光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)難以直接用于水下弱光檢測(cè)。文獻(xiàn)[24]建立了湍流信道下的自由空間光通信量子傳輸模型，該模型為后續(xù)研究UWOC中降低水下湍流影響的弱光檢測(cè)技術(shù)提供了新思路。

3.3 水下通感一體化技術(shù)

隨著人們對(duì)于海底探測(cè)需求的提高，UWOC 逐漸往水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（UWSN,Underwater Wireless Senor Network）方向發(fā)展。UWSN 通過(guò)多傳感器系統(tǒng)的密切協(xié)調(diào)，形成海陸空傳感器互補(bǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，可對(duì)水下目標(biāo)和環(huán)境進(jìn)行測(cè)量及感知[25]。如圖3 所示，典型的UWSN 由多個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)組成，其中海底傳感器用于收集數(shù)據(jù)，并通過(guò)UWOC 鏈路傳輸?shù)阶灾魇剿潞骄€器（AUV,Autonomous Underwater Vehicles）和遙控?zé)o人潛水器（ROV,Remotely Operated Underwater Vehicle），AUV和ROV再向船只、潛艇、中繼浮標(biāo)及其他AUV 和ROV 傳遞信號(hào)。

圖3 典型的UWSN示意圖

此外，水下通感一體化技術(shù)可通過(guò)主動(dòng)認(rèn)知并分析水下信道特性以感知水下環(huán)境特征，實(shí)現(xiàn)通信與感知功能互相增強(qiáng)。由于深海節(jié)點(diǎn)攜帶能量有限，更換電池成本較高，因此優(yōu)化深海節(jié)點(diǎn)功率和合理分配通感資源成為水下通感一體化技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。未來(lái)有必要探索相應(yīng)的功率優(yōu)化算法以提高能量效率，并可通過(guò)引入邊緣計(jì)算等技術(shù)來(lái)解決節(jié)點(diǎn)算力不足的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了UWOC 在理論信道建模、編碼調(diào)制技術(shù)和最新實(shí)驗(yàn)研究方面的進(jìn)展，并基于UWOC 的應(yīng)用場(chǎng)景，展望了UWOC 的未來(lái)發(fā)展方向與相應(yīng)挑戰(zhàn)，有助于推動(dòng)UWOC 的實(shí)用化研究。