基于扩频技术的水下无线光通信系统

吕伟超，徐 敬,2

(1.浙江大学 海洋学院光通信实验室，浙江 舟山 316021;2.海洋感知技术与装备教育部工程研究中心，浙江 舟山 316021)

0 引言

随着社会的发展，人们对开发利用海洋资源和进行海洋探测的需求逐渐增加，高速长距离的水下无线通信技术也显得愈发重要。传统的水声通信数据传输速率较低，且信号传输时延较大，而射频信号在水中衰减较大，且往往需要庞大的天线，严重限制了其在水下通信中的应用[1-2]。水下无线光通信(Underwater Wireless Optical Communication,UWOC)技术以光为载波，具有带宽大、速率高、延时低、安全性高、体积小等优点，这些优点使其在一些需要以数据、图像或视频为传输信号且速率要求极高的应用中非常具有吸引力[3]。

由于蓝绿光在多数海水中的吸收系数最小，目前一般使用蓝绿波段的光作为载波进行水下无线光通信。而随着科技的不断进步，光源和探测器的制造工艺也在逐渐成熟并日臻完善。目前许多有关UWOC研究使用的光源和探测器的带宽均已达到GHz水平，如文献[5]使用的探测器3 dB带宽可达7 GHz，而文献[6]使用的激光器带宽甚至达到了26 GHz，在此基础上构建的UWOC系统通信速率最高可达到几十Gbit/s级别，远远超过目前在用的水声通信(kbit/s级别)，也足已满足几乎所有的水下应用需求。这些研究为了实现高速数据传输，通常采用频谱效率较高的信号调制格式，如正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)[7-9]，其需要较高的接收光功率和信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)，因此其传输距离往往较短，一般仅为几十米。对于很多UWOC的应用，如图片和视频传输，几十Mbit/s的速率便可满足通信需求，而传输距离却逐渐成为限制UWOC应用的一块短板。

延长UWOC传输距离一般有3种途径：一是提高发射端的光源功率，但激光器功率达到瓦级别后，进一步提升光源功率的成本与延长的通信距离的收益不成正比；二是采用高灵敏探测器，如单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)、光电倍增管(Photo Multiplier Tube,PMT)及多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter,MPPC)等[10-12]，三者均具有探测单个光子的能力，接收灵敏度可逼近探测极限，已被用来实现较长距离的UWOC；三是选用合适的信号调制格式并辅以信号处理来提高接收端灵敏度。那么如何利用目前已有的商业化器件，在保证UWOC的数据速率在Mbit/s级别满足大多数水下应用的前提下，进一步延长通信距离，非常具有研究意义。

扩频通信是现代通信系统中一种通信方式，它使用比信号带宽宽很多的频带来传输信息，具有较强的抗干扰、抗衰落和抗多径性能，且可实现码分多址，这在移动通信、卫星通信等领域都得到了越来越广泛的应用[13-16]。根据香农公式：C=B×log2(1+S/N)，其中，C为信道容量，B为频带宽度，S为信号功率，N为噪声功率。由公式可以看出，当信道容量C一定时，增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。对于UWOC系统来说，假设由于探测器等器件带来的噪声功率保持不变，增大信号带宽便可降低通信需要的接收光功率，即提升了接收端的接收灵敏度，延长了通信距离，而本文的出发点也正是基于此。正如前文描述的用于UWOC的器件带宽已达GHz级别，完全可以通过扩频技术交换信号带宽来提高接收端灵敏度，实现更长距离的UWOC[17]。相较于文献[17]，本文重点比较了基于PIN扩频系统的实验结果与仿真结果，并证实了其一致性；此外基于前期的结果，本文首次提出对于一些数据速率要求更低的UWOC应用场景，如水下物联网，使用灵敏度更高且热噪声极低的单光子探测器结合扩频技术来进一步提高UWOC系统的接收灵敏度及抗噪声性能。

本文首先简要介绍了扩频技术，并使用Matlab对扩频技术的基本性能进行了仿真；然后搭建了基于扩频通信的UWOC系统，实验验证了扩频技术确实可用于提升UWOC的接收灵敏度，进而延长UWOC的传输距离，且实验结果与仿真结果比较吻合；最后提出扩频技术可进一步应用于更灵敏的单光子探测器，并对其性能进行了仿真，初步验证了其可行性。

1 扩频技术简介

扩频技术中应用最为广泛的为直接序列扩频(Direct-Sequence Spread Spectrum,DSSS)技术，简称直扩技术。直扩系统是将要发送的信息用伪随机(Pseudo Random，PN)序列扩展到一个很宽的频带上，然后在接收端采用与发射端相同的PN 码进行相关解扩，恢复出原始信息序列，原理框图如图1(a)所示。由于干扰信号与伪随机序列不相关，在接收端被扩展，使干扰信号的带内功率大大降低，从而提高了系统的信噪比，达到抗干扰并提高接收端灵敏度的目的。此外还有另一种扩频技术叫软扩频(Tamed Spread Spectrum,TSS)技术，是一种直接序列扩频技术与编码技术相结合的扩频技术[18-20]。软扩频技术相当于(N,k)编码，在发射端它是将信息空间中的kbit的数据，一一映射到伪随机编码空间中2k个长度为N的伪随机序列。理想情况下，伪随机码空间的2k个长为N的伪随机码是正交的，因此这种扩频方式又称为正交扩频。相对应的在接收机端，采用2k条长为N的伪随机码分别与接收信号相关，完成解调解扩，恢复发送的k比特信息，其结构示意图如图1(b)所示。与一般直接序列扩频不同，其扩频增益G=N/k比较小，且可不为整数，可更灵活调整信号带宽与抗干扰性能。此外采用编码来实现的软扩频不仅具有扩频增益，还具有编码增益。

(a) 直接序列扩频系统

为简化流程，只对加性高斯白噪声信道条件下的直序扩频性能进行了仿真，结果如图2所示。可以看出，随着扩频序列的长度(即扩频增益G)从3增加到10，以dB为单位的扩频增益则从4.77 dB增至10 dB，扩频通信系统在FEC阈值条件下(误码率为3.8×10-3)对信噪比的需求也从约3.6 dB降至-1.6 dB，这与扩频增益的增大数值基本吻合。甚至当扩频增益足够大时，系统可以工作在负信噪比条件下。考虑到直扩技术和软扩频技术的相似性，也为了在水下光通信系统中更加灵活地控制扩频增益与数据速率之间的关系，后续实验将主要采用软扩频信号。

图2 不同序列长度下的直扩系统误码率性能Fig.2 Simulated BERs performance of the DSSS system under different sequence lengths

2 实验系统与实验结果

通过实验来验证软扩频技术在提升系统UWOC接收灵敏度的可行性，实验装置如图3所示。OOK信号与TSS信号利用Matlab离线产生，并加载到任意波形发生器(AWG)产生电信号，经过放大器(AMP)和衰减器(ATT)调整信号幅度后，通过Bias-T与一起加载到一个波长为520 nm的绿光激光器(LD)上，输出光功率为4.1 mW的光信号。该激光经准直后进入一个长为7 m的亚克力水槽，在水中反射3次后，被一个带宽为150 MHz的光电探测器(PIN)所接收，其产生的电信号经过放大后被一台高速示波器(MSO)采样，然后送到电脑端进行离线处理，可调光衰减器(VOA)则用来改变进入探测器的光功率。

图3 实验装置示意图Fig.3 Block diagram of the experimental setup

考虑到系统带宽的限制，为了验证扩频技术的有效性，初步设置OOK信号带宽分别为20 MHz和100 MHz(通信速率分别为20 Mbit/s和100 Mbit/s)，而设置扩频增益为5的(15,3)软扩频信号的采样率为100 MSa/s(有效通信速率为20 Mbit/s)。通过计算得到了接收信号的信噪比，其与误码率的关系如图4所示。可以看出，对于OOK信号和扩频信号在指定误码率条件下所需要的信噪比，实验结果与仿真结果是基本一致的。而且相较于OOK通信系统，5倍扩频增益(约7 dB)的软扩频通信系统的信噪比需求降低了约7.7 dB，这也反映了软扩频的编码增益。

图4 系统误码率与信噪比的关系Fig.4 Simulated and experimental BERs versus the SNR

为了进一步研究扩频增益与系统性能间的关系，设计并发送具有不同扩频增益信号，包括(15,3)，(12,3)，(10,3)，(8,3)，(8,2)的扩频信号，其扩频增益分别为5,4,10/3,8/3,4，信号带宽为200 MHz，则以上几种扩频信号对应的有效数据速率分别为40 Mbit/s,50 Mbit/s,60 Mbit/s,75 Mbit/s,50 Mbit/s。OOK信号与扩频信号仅保持带宽一致，即数据速率为200 Mbit/s，此时得到的实验结果如图5所示。

(a) 在不同接收光功率下的误码率性能

由图5可以看出，不同的扩频增益会带来不同的接收灵敏度提升，且扩频增益越高，灵敏度提升效果越好。相较于OOK信号(灵敏度为-27.7 dBm)，同样信号带宽的条件下使用(15,3)扩频的接收灵敏度可达-32.5 dBm(0.56 μW)，即提升了4.8 dB。实验中测得水的衰减系数为0.191 6/m，则可计算得出在该实验条件下，使用扩频技术可将最大通信距离延长约5.8 m。从图5(b)可以得出扩频增益越大，需要的信噪比越低的结论。且比较(12,3)和(8,2)扩频信号的结果可以看出，扩频信号的编码长度越长，信噪比要求越低，即前面提到的编码增益。

实验中测得进入光衰减器的光功率仍有7 μW (-21.5 dBm)，相较于-32.5 dBm的接收灵敏度还有11 dB的光功率额度。由于实验场地的限制，光在7 m的水槽中反射3次后(共28 m)便很难对准。假设水槽长度足够长，且透镜尺寸和视场角足够大，即所有直接到达的光能量都可以被收集到探测器，那么本系统在该速率下所支持的最大传输距离为41 m。为了研究此实验系统在传输距离为28 m时可支持的最大传输速率，逐渐增大系统带宽至700 MHz，并分别测得OOK信号和扩频信号的误码率，结果如图6所示。可以看出扩频增益越大，可支持的信号带宽也越大。由于接收光功率比较大，(15,3)的扩频信号带宽甚至可达约670 MHz。该实验系统传输扩频信号最大速率为180 Mbit/s，其为(10,3)扩频信号在信号带宽600 MHz处的速率。

图6 28 m时系统误码率与信号带宽的关系Fig.6 BER performance of different schemes versus the signal bandwidth at the transmission distance of 28 m

从以上理论分析、系统仿真结果和实验结果均可以看出，扩频技术的确能在一定程度上突破硬件的接收灵敏度限制，通过一定带宽的代价来实现更高灵敏度的接收。

3 基于单光子探测器和扩频技术的UWOC系统

由于PIN探测器本身的热噪声较大，如本实验使用的PIN探测器其噪声等效功率为35 pW/Hz1/2，可计算200 MHz带宽下噪声功率为0.495 μW(约-33 dBm)，即使通过扩频技术将系统所需的信噪比降至0 dB甚至以下，其灵敏度也相对较低。即使更高灵敏的雪崩光电二极管(APD)也面临着较大的热噪声，限制了扩频技术的性能[17]。考虑到单光子探测器具有探测单个光子的能力，灵敏度非常高，且热噪声极低，但带宽一般相对较低(MHz级别)。对于一些数据速率要求不高的UWOC应用，能否使用单光子探测器结合扩频技术来进一步提高其接收灵敏度及抗噪声性能呢？单光子探测器(SPAD)是工作在盖革模式下的APD，当SPAD收到一个入射光子时便开始雪崩，并输出一个脉冲信号，然后进入死区时间。而由于光子的分布是泊松分布，则SPAD接收到的光子数ν(n)为j的概率可表示为[21]：

其中，μ(n)为接收信号的平均光子数，包含了信号与噪声两部分，即μ(n)=Ns+Nb；Ns和Nb分别为信号光子数与噪声光子数。当使用SPAD阵列时，通过统计所有SPAD的输出，便可得到此时进入探测器的光子数。简单起见，本文忽略了多个光子同时进入一个SPAD的情况。

为了验证扩频技术的可行性，仿真过程中首先分别产生OOK信号和(32,5)软扩频信号。当保持噪声光子数Nb为1时，改变不同的接收光子数Ns，根据泊松分布公式，便得到接收端实际计数到的光子数信息，然后对计数得到的光子数分别进行解调，计算得到误码率结果如图7(a)所示。可以看出在接收光功率极小以至每比特符号只有数个光子的情况下，扩频技术仍然有效，即在每比特具有的光子数一致的情况下，使用扩频信号依然能有效降低系统误码率。

(a) OOK信号和(32,5)软扩频信号

为了更直观地观察扩频增益与基于单光子探测器的扩频系统性能之间的关系，本文使用更为简单的直序扩频信号进行了仿真，依然保持噪声光子数Nb为1，通过改变直序扩频序列的长度来改变扩频增益(2～10)，得到的误码率结果如图7(b)所示，可以看出在每比特信息的光子数一致的前提下随着扩频增益的增大，系统的误码率在逐渐降低。在给定系统误码率时，使用扩频信号也能有效减少每比特需要的光子数，提高系统接收灵敏度，延长通信距离。

4 结论

本文提出使用扩频技术来提高UWOC系统的接收端灵敏度，进而延长其传输距离，并通过仿真模拟和实验验证了其可行性。实验使用5倍扩频增益的软扩频系统，在信号带宽为200 MHz条件下，将系统接收灵敏度提升至-32.5 dBm，提升了4.8 dB，相当于将传输距离延长5.8 m。并提出使用具有更高灵敏度、更低热噪声的单光子探测器结合扩频技术来进一步提升UWOC系统的传输距离，仿真结果也初步表明了其可行性，且灵敏度可至数光子每比特。考虑到扩频技术还具有抗干扰能力和可应用于码分多址的特性，其在未来的长距离UWOC中具有很高的应用前景。