葉梓豪

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

0 引言

現(xiàn)如今，通信技術(shù)發(fā)展更迭速度極快，水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)一經(jīng)推出在各大行業(yè)內(nèi)得到了廣泛使用，其本身具有通信速率高、信息容量大、傳輸距離遠、帶寬高、保密性好、體積小、功耗低、便于維護等特點。在水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)不斷完善的基礎(chǔ)上，通信速率必須要得到保證，以此可以讓通信傳輸運行的穩(wěn)定性、可靠性也隨之增強?；谒驴梢姽馔ㄐ抨P(guān)鍵技術(shù)展開全新的通信系統(tǒng)建設(shè)是順應(yīng)時代發(fā)展的必然選擇，能帶來諸多收益[1]。

1 水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用特點 分析

水下可見光通信技術(shù)是新一代的移動通信技術(shù)，它可以廣泛地應(yīng)用于各種場合，高效率處理海量信息，是一種低能耗、高連接、高可靠、低時延的通信技術(shù)。就水下可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)而言，其可以才能在短時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理，減少傳輸費用，提高傳輸?shù)陌踩浴?30 MHz和1800 MHz的無線專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，是近年來最受歡迎的通信設(shè)備，但是目前還不能滿足大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理需求，在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中引入了可見光技術(shù)，可以提供更多的流量，同時保證低延遲業(yè)務(wù)的正常運行。從實際應(yīng)用情況來看，利用水下可見光通信技術(shù)，可以構(gòu)建一個一體化的通信體系，滿足各種業(yè)務(wù)需求，同時滿足了許多通信模塊之間的互聯(lián)要求?？傮w上，采用通信速率技術(shù)，既可以改善水下可見光通信的性能，又可以減少建設(shè)費用，為以后的維護打下堅實的基礎(chǔ)。

2 水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用原理 分析

通信速率技術(shù)是水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的重點內(nèi)容，主要表現(xiàn)為響應(yīng)速率技術(shù)、接口吞吐率技術(shù)和調(diào)制解調(diào)技術(shù)方面。綜合考慮到水下環(huán)境的特殊性，水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)必須要滿足穩(wěn)定性需求?，F(xiàn)階段，水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)主要作為業(yè)務(wù)挑梁存在，用服務(wù)于配電主站，以此從根本上解決了分布式電源并網(wǎng)后出現(xiàn)的配電網(wǎng)不可用問題，同時確保了通信系統(tǒng)的確定性、差異化特點，讓通信裝置實現(xiàn)靈活配置。應(yīng)該指出，為了實現(xiàn)通信速率技術(shù)工作，必須保證界面的速度，同時，為了滿足這種通信系統(tǒng)的高要求，還可以采用USB、PCIE等高速接口。為了計算出高精度的數(shù)據(jù)，得到精準(zhǔn)的接口吞吐速率，還需要進一步計算分析發(fā)射、接收終端以及解碼端等方面的數(shù)據(jù)信息。水下可見光通信技術(shù)的發(fā)展，提高了通信的穩(wěn)定性，使其能夠靈活地配置通信速率技術(shù)，為通信系統(tǒng)的建設(shè)打下了堅實的基礎(chǔ)。從通信需求的角度出發(fā)，調(diào)制和解調(diào)技術(shù)是目前最重要的技術(shù)之一，它能夠更好地滿足用戶的需要，提高通信速率，增強數(shù)據(jù)分析能力，特別是在數(shù)字信號的處理過程中，調(diào)制、解調(diào)、編碼、解碼等工作都會得到落實。作為“軟實力”的水下可見光通信技術(shù)，該技術(shù)的實施將促進智能內(nèi)容的發(fā)展，保證通信系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定，切實有效地改善通信傳輸用戶的服務(wù)水平，增強通信的供給。以水下可見光通信技術(shù)為例，利用調(diào)制、解調(diào)技術(shù)和接口吞吐率，建立起一套完整的數(shù)據(jù)分析機制，實現(xiàn)輸配自動化、故障評估和安全處理自動化，在水下可見光通信技術(shù)投入后，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、獲取、傳輸?shù)燃夹g(shù)也會得到進一步的發(fā)展，從而開辟出一條更加靈活、高效的“通道”[2]。

3 水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用分析

3.1 遠距離通信技術(shù)分析

水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)主要作用于遠距離通信，但相比較其他環(huán)境來看，水下環(huán)境更加特殊，可能會吸收光信號，還會產(chǎn)生散射問題。雖然水環(huán)境并不利于光信號傳播，但依然可以從通過其他技術(shù)進行彌補，以此保證通信效果，強化光信號的轉(zhuǎn)化效率，減少水下環(huán)境帶來的信道衰減問題，讓光功率得到最大程度提高。想要提高傳輸距離，可以通過采用高功率、多光源技術(shù)來保證，或者可以采用探測微弱信號的高靈敏度探測器和小信號放大技術(shù)。簡言之，就是對發(fā)射端或者接收端進行系統(tǒng)的調(diào)整，在這樣的情況下，信道衰減程度也會得到降低，光功率本身的轉(zhuǎn)化效率也得到提高。從現(xiàn)行的水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的角度出發(fā)，藍光和綠光目前應(yīng)用范圍較廣，LED光源是目前應(yīng)用頻率最高的一種，因其本身的光功率高、調(diào)制帶寬高等優(yōu)勢，現(xiàn)階段還需要結(jié)合實際情況進行分析。在應(yīng)用LED燈作為發(fā)射光源后，還可以進一步落實小信號放大技術(shù)和抗干擾性強的解調(diào)算法，以此降低系統(tǒng)對接收端信噪比的要求，實現(xiàn)有效通信。從目前來看，可以設(shè)計出一種基于水聲輔助的水下可見光通信圖像噴泉碼中繼傳輸方案設(shè)計，設(shè)計出一套完整的傳感通信系統(tǒng)，建立靜態(tài)、動態(tài)的傳感通信系統(tǒng)，強化傳輸性能。而且這種全新的傳輸方案可以減少傳輸壓力，在其中基于水聲輔助反饋的擴展窗噴泉碼，可以更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的信道環(huán)境，提供高優(yōu)先級通信，最為關(guān)鍵的是，這種全新的傳輸模式降低譯碼開銷和冗余，提高吞吐量和通信效率，傳輸效率、傳輸穩(wěn)定性都得到提高，傳輸距離也達到最大。通過對水下可見光通信系統(tǒng)的構(gòu)建，努力實現(xiàn)了短距離高速傳輸，同時也實現(xiàn)遠距離穩(wěn)定傳輸，抗干擾能力、傳輸效率也得到了根本上的保證[3]。

3.2 高穩(wěn)定傳輸技術(shù)分析

從通信技術(shù)的角度來講，高穩(wěn)定性、高可靠性是必須要實現(xiàn)的性能，以此確保通信過程中不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、信息丟失等情況的出現(xiàn)?？煽啃?、穩(wěn)定性是衡量判斷通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)，如果這一性能無法保證，就很容易導(dǎo)致通信失敗、紊亂。從水下可見光通信技術(shù)的角度出發(fā)，水下環(huán)境較為復(fù)雜，相比較大氣環(huán)境而言，突發(fā)問題更多，對通信系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性面臨諸多威脅。從目前來看，系統(tǒng)必須要提高自身的抗干擾能力，可以更好地應(yīng)對水環(huán)境中的突發(fā)情況。光、機、電是實現(xiàn)水下可見光通信系統(tǒng)中的核心關(guān)鍵，這幾個方面的設(shè)計是強化設(shè)計可靠性基礎(chǔ)。光學(xué)系統(tǒng)是水下可見光通信技術(shù)的基礎(chǔ)，元器件的選型、鏡片的選擇等因素都會影響到穩(wěn)定性。從機械系統(tǒng)的角度出發(fā)，可以讓水下可見光通信技術(shù)具備良好的力學(xué)性能，在實際設(shè)計的過程中，需要加強對熱量分布分析、散熱設(shè)計，以此更好地強化設(shè)計。通信速率技術(shù)則需要對軟件設(shè)計、電路設(shè)計進行分析，在進行電路設(shè)計的過程中需要充分考慮到電磁兼容、電磁屏蔽，溫漂特性、噪聲特性等方面內(nèi)容，為通信軟件可靠性奠定基礎(chǔ)。在可靠性設(shè)計分析中，系統(tǒng)仿真技術(shù)格外關(guān)鍵，也是保證水下可見光通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的主要技術(shù)，因此，需要在設(shè)計階段建立形成健全完善的仿真模型，對水下可見光通信系統(tǒng)的整個鏈路進行模擬。在仿真系統(tǒng)中需要對不同的水下環(huán)境進行模擬分析，考慮到不同水質(zhì)、不同水域?qū)νㄐ畔到y(tǒng)的影響，在此基礎(chǔ)上，還需要對通信距離、通信速率、通信角度、誤碼率等參數(shù)進行綜合性計算，明確具體的參數(shù)指標(biāo)，確定光源發(fā)散角、接收視場角、接收孔徑等數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)完成元器件的選型。值得一提的是，在構(gòu)建仿真模擬系統(tǒng)模型時，需要對信道信噪比特性進行分析，判斷噪聲情況，強化水下可見光通信系統(tǒng)的可適應(yīng)性，讓其能夠在不同的水質(zhì)、水域環(huán)境中應(yīng)用，切實提高系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)仿真系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)，可以更好地調(diào)試水下可見光通信系統(tǒng)，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)能夠全面了解通信系統(tǒng)的運行情況，了解通信設(shè)備的固有特性，確定通信距離、通信開角、抗干擾能力，完成對水下可見光通信系統(tǒng)的實測，解決系統(tǒng)中存在的問題。以某水下可見光通信單光子系統(tǒng)中選擇了基于實際FGPA電路板LED指示燈和SPAD接收機的通信系統(tǒng)，從仿真實驗分析過程中，發(fā)現(xiàn)SPAD接收機器件可能會影響到新系統(tǒng)的性能。在這個過程中運用基于死時間效應(yīng)下的GMLUD算法判斷水下可見光通信系統(tǒng)的信息傳輸效果，根據(jù)實際的仿真結(jié)果，提出了若干方案，以此強化水下可見光通信系統(tǒng)中的電磁干擾問題。由上可知，仿真模擬測試是提高水下可見光通信技術(shù)穩(wěn)定性的關(guān)鍵，從目前來看，可以基于標(biāo)準(zhǔn)Poisson模型開展，還可以從混合噪聲模型下的廣義最大似然聯(lián)合檢測算法及其快速搜索算法進行檢測。在實際仿真實驗的過程中，還需要對具體的性能展開分析，建立形成統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，找到高性能的接收機和低功率的光設(shè)備，全面強化水下可見光通信技術(shù)系統(tǒng)。根據(jù)實際的仿真數(shù)據(jù)分析和長距離弱光實驗系統(tǒng)，最終選擇了發(fā)送光功率較低的LED指示燈，同時選擇了高靈敏度的SPAD接收機。根據(jù)理想泊松信道模型檢測方案，可知在常規(guī)條件下，傳輸速率為100 kbps時，通信距離超過320 m[4]。在上述配置下，根據(jù)具體的檢測仿真數(shù)據(jù)來看，傳輸距離為1 244 m，實時通信速率1 Mbps，系統(tǒng)誤比特率BER低于10-7的性能，實時傳輸語音業(yè)務(wù)和txt文本傳輸業(yè)務(wù)。這種配置在通信系統(tǒng)中也可以得到廣泛應(yīng)用，將其應(yīng)用在水下可見光通信系統(tǒng)中，具有較高的隔離度以及抗電磁干擾特性，同時也具備一定的信息監(jiān)控能力。

3.3 仿真模擬分析技術(shù)

半實物仿真技術(shù)在水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)運行過程中的應(yīng)用，可以有效地節(jié)約資源，特別是在一些復(fù)雜的水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用分析中，通過模擬關(guān)鍵參數(shù)和性能，進一步判斷應(yīng)用效果，為后續(xù)的實際應(yīng)用設(shè)計奠定良好基礎(chǔ)。在水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的實施過程中，安全通信非常重要，這與水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的最終實現(xiàn)有關(guān)。采用硬件仿真技術(shù)可以有效地解決這一問題，提高通信質(zhì)量。第一，信息接收和信息處理。對于水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)而言，其需要接收GPS、傳感器等諸多地面設(shè)備在內(nèi)傳輸過來的圖片、數(shù)據(jù)信息，還需要對實時數(shù)據(jù)資源、信息情況進行處理。尤其是數(shù)據(jù)信息的處理，涉及大量復(fù)雜的動態(tài)數(shù)據(jù)參數(shù)，這對水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的信息接收和信息處理提出了較高的要求，借助云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)可以實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)處理，配合半實物仿真技術(shù)這一數(shù)據(jù)處理工作可以得到更進一步的發(fā)展，打造出自動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)，確保技術(shù)應(yīng)用安全性。第二，水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)過程中的信息感應(yīng)。未來水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)會朝著集成化、整體化的方向發(fā)展，信息感應(yīng)能力的提高也非常關(guān)鍵。隨著水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)數(shù)量的增加，行業(yè)整體的進步，對水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)本身的處理能力、防御能力都提出了較高的要求，如何確保信息更好地進行運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的高效運行，是現(xiàn)階段的重點任務(wù)之一。在實際發(fā)展過程中，水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)可以配合半實物仿真技術(shù)，更高效地完成信息處理，確保水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的整體運行情況，更快地完成效應(yīng)，在規(guī)避信息安全危險上可以發(fā)揮出更好的作用[5]。

4 結(jié)束語

綜上所述，在水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用過程中，需要綜合考慮不同的場景，全面模擬驗證具體的傳輸流程和技術(shù)機制。未來，可以借助半實物仿真體系，從而更好地落實水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)中的參數(shù)數(shù)據(jù)指標(biāo)，此外，水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)中的高通信速率關(guān)鍵技術(shù)、遠距離通信關(guān)鍵技術(shù)、高可靠性關(guān)鍵技術(shù)以及仿真技術(shù)都需要展開進一步探討。