［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(guó)貝爾發(fā)明，但僅處于試驗(yàn)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(guó)海岸線長(zhǎng)度超過3 萬(wàn)公里，對(duì)海洋資源的探索也隨科技發(fā)展而逐步深入。對(duì)海洋資源的開發(fā)，離不開通信技術(shù)的支持?，F(xiàn)在的水下通信方式還是主要依靠海纜完成，但無(wú)線通信方式相對(duì)線纜通信具備更多優(yōu)勢(shì)，一直是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，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(wú)線通信方式，是以可見光信息為載體，通過對(duì)數(shù)字信號(hào)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(shí)、高帶寬的特點(diǎn)，在海底資源探索及海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面具備較廣泛的應(yīng)用前景，且具備高保密性的特點(diǎn)，在軍事上也具備一定的發(fā)展?jié)摿?，現(xiàn)今成為水下信息傳輸領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

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(shí)現(xiàn)信號(hào)的編碼調(diào)制，要求光源效率高、編碼抗干擾能力強(qiáng)。該部分實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)轉(zhuǎn)光信號(hào)。

圖1 水下可見光通信系統(tǒng)模型

水下信道完成光信號(hào)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(hào)解調(diào)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)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(wú)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(shí)作者還通過研究提出光散射時(shí)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(shí)驗(yàn)證明大多數(shù)情況下，時(shí)間彌散不會(huì)對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生干擾。

2013 年，E.Kazemian[3]等人研究了葉綠素濃度和海水對(duì)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(shí)際海洋環(huán)境中得到的實(shí)驗(yàn)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(wú)視距（NLOS）水下無(wú)線光通信（UWOC）信道。基于路徑損耗，分析了不同水類型和接收器視場(chǎng)（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(jì)特性，使用了廣義伽馬分布，針對(duì)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(cè)量數(shù)據(jù)具有很好的擬合度。

2017 年，Jamali[7]分析評(píng)估了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)多跳水下無(wú)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(shí)驗(yàn)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(wú)線光通道的衰落。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該模型在所有信道條件下都理論值與測(cè)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(duì)水下衰落統(tǒng)計(jì)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(qiáng)度增大，不同統(tǒng)計(jì)分布預(yù)測(cè)的系統(tǒng)性能差距變大，作者強(qiáng)調(diào)了精確信道模型對(duì)于UWOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分重要。

2019 年，Zedini[11]提出了一種統(tǒng)計(jì)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(gè)綜合信道模型，用于統(tǒng)計(jì)由于氣泡和溫度梯度引起的UWOC 信道中的光束輻照度波動(dòng)。

2020 年，Singh[12]提出一種統(tǒng)計(jì)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(wú)線光通信（UWOC）系統(tǒng)?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用高斯混合模型對(duì)接收到的光信號(hào)的輻照度波動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)湍流效應(yīng)的水下無(wú)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(shí)驗(yàn)分析了不同垂直水道條件下水下無(wú)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(shí)驗(yàn)。作者通過接收光功率作為實(shí)驗(yàn)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?yàn)檠芯空咛峁┮欢ǖ膮⒖家庖姟?/p>

2021 年，Singh[15]使用高斯混合模型（GMM）對(duì)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(duì)UWOC 系統(tǒng)的性能進(jìn)行了評(píng)估，其結(jié)果表明，使用GMM 模型建模的實(shí)驗(yàn)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(wú)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(gè)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(duì)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(duì)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(tái)上行激光鏈路的性能，在衛(wèi)星與激光信號(hào)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(jì)的方法，實(shí)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(jì)了一種采用數(shù)字信號(hào)處理機(jī)(DSP)實(shí)現(xiàn)的高速水下通信系統(tǒng)，作者成功實(shí)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(shí)時(shí)傳輸語(yǔ)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(shí)驗(yàn)。

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(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)在2.3 Gbit/s 傳輸時(shí)，接收數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)誤碼率遠(yuǎn) 2.23×10-4，低于無(wú)差錯(cuò)操作 2×10-3所需的前向糾錯(cuò)（FEC）閾值。

2016 年，周田華等人[21]發(fā)現(xiàn)信號(hào)在海水信道中衰減嚴(yán)重，提出一種將低密度奇偶校驗(yàn)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(jiǎn)化的方法，作者通過軟件仿真驗(yàn)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(wú)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?shí)驗(yàn)，其接收數(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(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)。

2019 年，Wang J 等人[24]提出了一種以多像素光子計(jì)數(shù)器（MPPC）為接收器和正交頻分復(fù)用（OFDM）的水下無(wú)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(shí)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(cuò)（FEC）限制。

2020 年，Chen H 等人[25]建立了一個(gè)基于單光子雪崩二極管（SPAD）接收器的水下無(wú)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(jì)距離144 m和117 m，對(duì)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(zhǎng)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(jì)和開發(fā)偏振復(fù)用調(diào)制和光子計(jì)數(shù)檢測(cè)的UWOC 實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)演示了用于水下無(wú)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(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明了所提出的方案在誤碼率（BER）、實(shí)現(xiàn)SE、峰均比（PAPR）和計(jì)算復(fù)雜度方面優(yōu)于現(xiàn)有基準(zhǔn)方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(shí)現(xiàn)精確信道建模，因?yàn)楣庑盘?hào)在海水中會(huì)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(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)，收發(fā)設(shè)備常因湍流海水影響未對(duì)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)試得到，或者在模擬環(huán)境中，或者在單一應(yīng)用場(chǎng)景中，而真實(shí)環(huán)境不僅包括吸收、散射、氣泡、溫度等因素會(huì)造成環(huán)境多變，鹽度、水藻、漂浮物等也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，后續(xù)在真實(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，常見實(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來解決UWOC 系統(tǒng)中長(zhǎng)通信距離的難題。目前國(guó)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(guó)外對(duì)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(guó)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(shí)驗(yàn)是基于實(shí)驗(yàn)室模擬的海水環(huán)境，或者指定位置的海水環(huán)境，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)存在誤差，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不具備泛化性，所以未來對(duì)UWOC 系統(tǒng)的研究實(shí)驗(yàn)應(yīng)該在真實(shí)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。