水下无线光通信系统研究进展.docx

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1、水下无线光通信系统研究进展海洋面积约占地球表面积的2/3,其中储藏着丰富的矿产资源和生物资源。进入新世纪以来，随着海洋探测的科学意义、经济效益和战略地位受到人们的关注，对海洋科学关键技术的研究已经成为各个国家的当务之急。未来谁能够拥有以及控制更广阔的海洋，谁就可以更多地掌握发展所需要的资源和生存空间。目前对海洋进行探索，主要有海底观测网、自主式水下航行器（AUV）、载人潜水（HOV）和遥控潜水器（RoV）等水下移动运载平台。而水下通信系统则是水下监视和数据传输中不可缺少的重要组成部分，主要分为有线通信和无线通信。传统的有线通信技术采用电缆或光纤实现通信，但在水下难以应用且安装设备复杂、维护困难

2、；水下无线通信技术作为现代海洋探索中一种高效便捷的数据传输技术，避免了线路冗杂和维护困难的问题，对海洋生态环境的影响也较小，已经在水下环境检测、水下导航、水下传感器网络和气候变化等方面发挥着重要作用。随着B5G/6G的发展，各种无线设备之间的通信更加密切，人们在陆地上建立起完备的智能通信网络系统，如何把它成熟应用到海底的通信系统之中，也将成为以后水下通信的主要发展方向。本文中简述了3种水下无线通信方式的性能比较以及水下无线光通信技术的国内外研究进展。考虑到外部环境会对水下无线光通信系统造成影响，对海水的光学特性和湍流等情况分别展开了介绍。同时，针对业界对水下无线光通信系统展开的研究工作，主要阐

3、述了光源、调制、信道编码、探测等关键性技术的相关性能比较以及研究进展。未来水下无线光通信系统将会面临诸多技术挑战，希望能为后续的深入研究和实用提供参考。一、水下无线通信的方式水下无线信息传输方式多样，根据通信载体的不同，大致把水下无线通信的方式分成：水声通信、水下射频通信以及水下无线光通信。表1是3种水下无线通信方式之间的性能比较。结合自身的优缺点，可以应用于不同的场合中。表13种水下无线通信方式参数声通信射频通信光通信传输速率kbit/sMbit/sGbit/s传输距离kmIOmIOrnIOOm通信容量小大大时延大大小哀减大大小（蓝绿光）带宽小小大功耗高高低回水声通信水声通信是使用时间最长、

4、技术最成熟、应用范围最广泛和传输最远（可达数IOkm）的一种水下无线通信技术。它是以声波为载体进行信息传输，针对不同传输距离，可采用不同的声波频段。而水声信道也存在复杂性和多变性，对于不同频段，水声通信会存在不同的频率衰减；同时，声速也有小尺度的时变性。此外，水声通信也存在带宽低（约千赫兹量级）、速率低（几百kbit/s）时延高、衰减大和多径效应严重等缺点，并且声波对海洋生态环境有严重影响，水声通信系统设备体积庞大，功耗也较高。团射频通信射频是频率范围为300kHz-300GHz的高频电磁波。水下射频通信以射频为载体，有更容易跨过海水与空气界面、无须链路精确对准、对海洋生物无影响等优点。但由于

5、海水具有良好的导电性，射频波在水下传输时被严重衰减，因此这会严重限制通信系统的距离。而且在射频通信中，往往需要用大尺寸的天线和高发射功率来补偿天线损耗，所以无法适用于长距离低损耗的水下无线通信系统中。团光通信针对水下环境特点，水下无线光通信主要采用蓝绿光作为载体。1963年，DUNT1EY等人研究发现，海水在蓝绿光波段（45Onm550nm）存在一个低损耗窗口。如图1所示，相对于其它波段的光，它在海水中的衰减最小，在水下传输时不仅穿透能力强、方向性好，而且时延低，这一现象的发现也为此后水下无线光通信的研究发展提供基础。相较于水声通信以及水下射频通信而言，水下无线光通信带宽更大、抗干扰性更强，能

6、做到实时信息传输，同时收发设备体积较波长um图1海水在蓝绿光波段的低损耗窗口随着水下无线光通信技术受到越来越多的关注，美国海军率先对其展开研究，提出了激光对潜艇通信方案，并证实此方案的可行性，接着实战演习了蓝绿激光对潜艇通信系统性的综合实验，完成了水下无线光通信的初级阶段。美国多所研究机构和其它国家也相继对水下无线光通信技术开展了大量研究。北卡罗莱纳州立大学研究人员在3.6m水箱中实现500kbits的数据传输。美国海军空间和海战系统中心的研究人员对1064nm的激光二极管(1D)倍频，得到532nm绿光，并在2m长的水箱中进行实验，测出其通信速率可达1Gbit/So日本山梨大学的研究人员使用

7、光强度调制直接检测正交频分复用(IM/DD-OFDM)技术，在405nm1D通过4.8m的水下信道中，获得145Gbits的通信速率。图2为沙特阿卜杜拉国王科技大学的实验流程图。研究人员使用T0-9封装的520nm绿光1D实现7m的水下通信，得到高达2.3Gbits的通信速率。在实际海域测试中，日本海洋与地球科学技术研究所在700m深的海水完成长达120m20Mbits的数据传图2沙特阿卜杜拉国王科技大学的实验框图相较于国外，国内对蓝绿激光水下通信相关研究开展较晚，但也取得不错的研究成果。中国海洋大学研究人员设计一个由89C51单片机控制的全双工水下激光通信系统，该系统能有效地消除水下背景光影

8、响，并完成了3m水箱、最大传输速率19.2kbits图片传输的实验。桂林电子科技大学研究人员采用多路分集接收和自适应滤波的方法，并使用波长为532nm的Nd:YAG倍频激光器作为光源，在海南省3个不同海区成功实现50m海深的通信实验。浙江大学的研究人员实现了高速率的空气水下无线光通信系统的上行和下行传输，通过5m空气信道和21m水下信道，上行和下行链路的传输速率均能达到5.5Gbit/S。为了缓解接收端光功率、光电二极管和传输距离之间的问题，复旦大学的研究人员提出一种基于图像的几何整形16正交幅度调制(QAM)、离散多音频(DMT)编码的可见光通信方案，通过MAT1AB仿真证实此方案拥有更好的

9、性能，并且在1.2m水下链路中实现净传输速率达到1.58Gbits的实时高清视频传输实验。二、水下无线光通信的信道特征由于海水组成成分复杂，其中存在各种可溶性物质、悬浮物、湍流和气泡等，此外不同的水体的基本特性差异较大,还需要深入了解水下环境特征，因此光在水下的传输依然具有很大的挑战性。光在海水中传播速度虽然很快，但还是会受到海水各种环境严重的吸收和散射效应而衰减，使整个信号合成后产生波形失真，加剧码间串扰以及误比特率的提高，并且多变的海水环境也会给水下无线光通信(UWOC)系统带来不稳定，影响通信质量。因此，光在水下信道传输特性的相关研究是十分有必要的，它是整个UWOC系统的基础，对水下无线

10、光通信整体系统的设计和实现具有很大的参考价值和实际应用意义。回海水的光学特性海水的光学性质可以分为两类：固有光学性质(IOPS)以及表观光学性质(AOPS)。IOPS仅仅依赖于传输介质自身的光学参量，也就是传输介质的组成和介质中存在的微粒物质，它与光场无关；AoPS不仅与传输介质本身有关，还与光场的几何结构相关。其中，海水的IOPS主要由吸收系数、散射系数、衰减系数和体积散射函数决定；AOPS则是由亮度、辐照度和反射率所决定。光在不同海水中的传输特性差异较大，而海水因溶解物质浓度的不同以及地理环境的差异也会有很大的差别。通常分为纯海水、清澈海水、沿海海水、浑浊海港水这4种不同类型的海水。实际海

11、水的测试实验较复杂，所以通常使用仿真的方法来模拟不同类型海水的光学特性。如图3所示，有文献采用蒙特卡洛仿真法，模拟在静水环境下，针对不同类型海水归一化接收功率幅度和传输距离、发散角之间的关系得出以下结果，在给定发散角=360rad时，纯海水与清澈海水在5m传输距离下的接收光功率近似相等，此时衰减较小；相同的情况下，浑浊度越高的海水，它的光功率衰减也就越大，随距离变化也就越明显。一8a-纯海水；b清澈海水；C-沿海海水；d浑浊海港图3归一化接收功率幅度和传输距离、发散角之间的关其中，在浑浊海港水IOm20m的传输距离内，不同发散角的接收功率却趋于一致，如12m时的4个发散角接收功率都约为一84d

12、B,17m时的接收功率约为一IO1dB。这是因为光子在浑浊海港水中的散射过大，光束发散角的影响可以忽略，只有少部分的光子落在接收端，所以此时的接收功率与发射角无关，只与传输距离相关。海水信道对光的衰减包括海水的吸收和散射，同时它们也是IOPS主要组成部分。D图4海水光学性质的几何结构图4为海水固有光学性质的几何图,入射光束的波长为、总功率为pi,通宽度为AD、体积为AV的水时，其中功率Pa被吸收，功率PS被散射，功率PC依旧沿着初始方向传播，由能量守恒定律可知：Pi=Pa+Ps+PC,团当水的宽度AD接近无穷小时，吸收系数a和散射系数b分别为:(2)(3)Pa=Iim二MP0。P.b=Iim二

13、二Cp-oPIAO所以海水的衰减系数C为：C=a+b,团式中，C的单位为m1。基于给定的衰减系数，Beer1ambert定律描述了光束在水中的衰减效应为：P=POexp(c1),回式中，PO为初始功率，I为光束在水中传播距离，P为传播I之后的剩余功率。表2中给出了4种主要海水类型相关的吸收系数a、散射系数b和衰减系数C的典型值。纯海水中，水和无机盐是主要成分，所以吸收是主要的限制因素，低散射系数使光束不易发散；清澈海水中，高浓度的溶解微粒影响散射；沿海海水中，浮游生物、碎屑和矿物质是吸收和散射的主要来源；浑浊海湾水中，溶解物和悬浮物浓度最高，导致严重衰减。表24种海水类型的相关系数海水类型ab

14、C纯海水0.0530.0030.056清澈海水0.1140.0370.151沿海海水0.1790.2190.398浑浊海水0.2951.8752.17回湍流在水下无线通信中，海水的盐度、密度和温度的变动都会引起折射率的变化。当光束通过海洋湍流时，光强会产生抖动（闪烁），这会对通信性能造成很大的影响。海水湍流的模型建立主要是基于自由空间光通信中的光学湍流模型，由于海水湍流的物理性质与自由空间光通信的光学湍流相似性，研究学者们通常把经典自由空间光学湍流模型直接应用到海水中。为了减弱海洋湍流对水下无线光通信系统的影响，一般可以采取自适应光学补偿、信号处理等方法来保证通信质量。通过蒙特卡洛仿真法，能模

15、拟在不同强度的湍流下，误比特率性能的变化。南方科技大学的研究人员使用水泵在水箱中模拟海水的湍流，在纯净水中，误比特率受湍流的影响较小；在盐水中，湍流强度越强，相应误比特率变化也就越明显。西安电子科技大学的研究人员在弱海洋湍流的情况下发现，增大调制阶数可以提高系统容量、降低误比特率。华侨大学的研究人员则在二进制开关键控（OoKM）或差分相移键控（DPSKM）调制的中强度湍流下，采用孔径平均技术能有效提升通信系统的性能。三、水下无线光通信系统的关键技术水下无线光通信系统一般由发射端、接收端和水下信道3个部分组成。图5为水下无线光通信系统的一般模型。发送端由信号输入、编码与信号处理电路、光源及其驱动电路组成；接收端由探测器、译码和信号处理电路组成。图5水下无线光通信系统法的一般模型完整的水下无线光通信系统能够完成对输入的信号进行编码调制，由光源进行电光转换，转换成光信号在水下信道传输，再由探测器接收并进行光电转换、译码解调，恢复出原始信号。其中编码调制主要包括信源编码和信道编码，前者主要通过压缩数据以减小所占的系统带宽；后者则是提高系统的抗干扰能力，提升系统的性能。光链路对准也是关键技术，在整个水下信道中，光束的传输受到吸收散射的影响，保持稳定的对准是难以实现的。瞄准、追踪和对准（ATP）能建立起高