水下可见光通信关键技术分析

叶梓豪

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310）

0 引言

现如今，通信技术发展更迭速度极快，水下可见光通信关键技术一经推出在各大行业内得到了广泛使用，其本身具有通信速率高、信息容量大、传输距离远、带宽高、保密性好、体积小、功耗低、便于维护等特点。在水下可见光通信关键技术不断完善的基础上，通信速率必须要得到保证，以此可以让通信传输运行的稳定性、可靠性也随之增强。基于水下可见光通信关键技术展开全新的通信系统建设是顺应时代发展的必然选择，能带来诸多收益[1]。

1 水下可见光通信关键技术的应用特点 分析

水下可见光通信技术是新一代的移动通信技术，它可以广泛地应用于各种场合，高效率处理海量信息，是一种低能耗、高连接、高可靠、低时延的通信技术。就水下可见光通信的关键技术而言，其可以才能在短时间内完成数据处理，减少传输费用，提高传输的安全性。230 MHz和1800 MHz的无线专用网络设备，是近年来最受欢迎的通信设备，但是目前还不能满足大规模的数据处理需求，在现有的数据传输系统中引入了可见光技术，可以提供更多的流量，同时保证低延迟业务的正常运行。从实际应用情况来看，利用水下可见光通信技术，可以构建一个一体化的通信体系，满足各种业务需求，同时满足了许多通信模块之间的互联要求。总体上，采用通信速率技术，既可以改善水下可见光通信的性能，又可以减少建设费用，为以后的维护打下坚实的基础。

2 水下可见光通信关键技术的应用原理 分析

通信速率技术是水下可见光通信关键技术的重点内容，主要表现为响应速率技术、接口吞吐率技术和调制解调技术方面。综合考虑到水下环境的特殊性，水下可见光通信关键技术必须要满足稳定性需求。现阶段，水下可见光通信关键技术主要作为业务挑梁存在，用服务于配电主站，以此从根本上解决了分布式电源并网后出现的配电网不可用问题，同时确保了通信系统的确定性、差异化特点，让通信装置实现灵活配置。应该指出，为了实现通信速率技术工作，必须保证界面的速度，同时，为了满足这种通信系统的高要求，还可以采用USB、PCIE等高速接口。为了计算出高精度的数据，得到精准的接口吞吐速率，还需要进一步计算分析发射、接收终端以及解码端等方面的数据信息。水下可见光通信技术的发展，提高了通信的稳定性，使其能够灵活地配置通信速率技术，为通信系统的建设打下了坚实的基础。从通信需求的角度出发，调制和解调技术是目前最重要的技术之一，它能够更好地满足用户的需要，提高通信速率，增强数据分析能力，特别是在数字信号的处理过程中，调制、解调、编码、解码等工作都会得到落实。作为“软实力”的水下可见光通信技术，该技术的实施将促进智能内容的发展，保证通信系统的安全、稳定，切实有效地改善通信传输用户的服务水平，增强通信的供给。以水下可见光通信技术为例，利用调制、解调技术和接口吞吐率，建立起一套完整的数据分析机制，实现输配自动化、故障评估和安全处理自动化，在水下可见光通信技术投入后，数据的产生、获取、传输等技术也会得到进一步的发展，从而开辟出一条更加灵活、高效的“通道”[2]。

3 水下可见光通信关键技术的应用分析

3.1 远距离通信技术分析

水下可见光通信关键技术主要作用于远距离通信，但相比较其他环境来看，水下环境更加特殊，可能会吸收光信号，还会产生散射问题。虽然水环境并不利于光信号传播，但依然可以从通过其他技术进行弥补，以此保证通信效果，强化光信号的转化效率，减少水下环境带来的信道衰减问题，让光功率得到最大程度提高。想要提高传输距离，可以通过采用高功率、多光源技术来保证，或者可以采用探测微弱信号的高灵敏度探测器和小信号放大技术。简言之，就是对发射端或者接收端进行系统的调整，在这样的情况下，信道衰减程度也会得到降低，光功率本身的转化效率也得到提高。从现行的水下可见光通信关键技术的角度出发，蓝光和绿光目前应用范围较广，LED光源是目前应用频率最高的一种，因其本身的光功率高、调制带宽高等优势，现阶段还需要结合实际情况进行分析。在应用LED灯作为发射光源后，还可以进一步落实小信号放大技术和抗干扰性强的解调算法，以此降低系统对接收端信噪比的要求，实现有效通信。从目前来看，可以设计出一种基于水声辅助的水下可见光通信图像喷泉码中继传输方案设计，设计出一套完整的传感通信系统，建立静态、动态的传感通信系统，强化传输性能。而且这种全新的传输方案可以减少传输压力，在其中基于水声辅助反馈的扩展窗喷泉码，可以更好地适应复杂多变的信道环境，提供高优先级通信，最为关键的是，这种全新的传输模式降低译码开销和冗余，提高吞吐量和通信效率，传输效率、传输稳定性都得到提高，传输距离也达到最大。通过对水下可见光通信系统的构建，努力实现了短距离高速传输，同时也实现远距离稳定传输，抗干扰能力、传输效率也得到了根本上的保证[3]。

3.2 高稳定传输技术分析

从通信技术的角度来讲，高稳定性、高可靠性是必须要实现的性能，以此确保通信过程中不会出现数据丢失、信息丢失等情况的出现。可靠性、稳定性是衡量判断通信系统的重要指标，如果这一性能无法保证，就很容易导致通信失败、紊乱。从水下可见光通信技术的角度出发，水下环境较为复杂，相比较大气环境而言，突发问题更多，对通信系统的安全性、稳定性面临诸多威胁。从目前来看，系统必须要提高自身的抗干扰能力，可以更好地应对水环境中的突发情况。光、机、电是实现水下可见光通信系统中的核心关键，这几个方面的设计是强化设计可靠性基础。光学系统是水下可见光通信技术的基础，元器件的选型、镜片的选择等因素都会影响到稳定性。从机械系统的角度出发，可以让水下可见光通信技术具备良好的力学性能，在实际设计的过程中，需要加强对热量分布分析、散热设计，以此更好地强化设计。通信速率技术则需要对软件设计、电路设计进行分析，在进行电路设计的过程中需要充分考虑到电磁兼容、电磁屏蔽，温漂特性、噪声特性等方面内容，为通信软件可靠性奠定基础。在可靠性设计分析中，系统仿真技术格外关键，也是保证水下可见光通信系统稳定可靠的主要技术，因此，需要在设计阶段建立形成健全完善的仿真模型，对水下可见光通信系统的整个链路进行模拟。在仿真系统中需要对不同的水下环境进行模拟分析，考虑到不同水质、不同水域对通信系统的影响，在此基础上，还需要对通信距离、通信速率、通信角度、误码率等参数进行综合性计算，明确具体的参数指标，确定光源发散角、接收视场角、接收孔径等数据，以此为依据完成元器件的选型。值得一提的是，在构建仿真模拟系统模型时，需要对信道信噪比特性进行分析，判断噪声情况，强化水下可见光通信系统的可适应性，让其能够在不同的水质、水域环境中应用，切实提高系统的可靠性。根据仿真系统得到的数据，可以更好地调试水下可见光通信系统，根据仿真数据能够全面了解通信系统的运行情况，了解通信设备的固有特性，确定通信距离、通信开角、抗干扰能力，完成对水下可见光通信系统的实测，解决系统中存在的问题。以某水下可见光通信单光子系统中选择了基于实际FGPA电路板LED指示灯和SPAD接收机的通信系统，从仿真实验分析过程中，发现SPAD接收机器件可能会影响到新系统的性能。在这个过程中运用基于死时间效应下的GMLUD算法判断水下可见光通信系统的信息传输效果，根据实际的仿真结果，提出了若干方案，以此强化水下可见光通信系统中的电磁干扰问题。由上可知，仿真模拟测试是提高水下可见光通信技术稳定性的关键，从目前来看，可以基于标准Poisson模型开展，还可以从混合噪声模型下的广义最大似然联合检测算法及其快速搜索算法进行检测。在实际仿真实验的过程中，还需要对具体的性能展开分析，建立形成统一的数学模型，找到高性能的接收机和低功率的光设备，全面强化水下可见光通信技术系统。根据实际的仿真数据分析和长距离弱光实验系统，最终选择了发送光功率较低的LED指示灯，同时选择了高灵敏度的SPAD接收机。根据理想泊松信道模型检测方案，可知在常规条件下，传输速率为100 kbps时，通信距离超过320 m[4]。在上述配置下，根据具体的检测仿真数据来看，传输距离为1 244 m，实时通信速率1 Mbps，系统误比特率BER低于10-7的性能，实时传输语音业务和txt文本传输业务。这种配置在通信系统中也可以得到广泛应用，将其应用在水下可见光通信系统中，具有较高的隔离度以及抗电磁干扰特性，同时也具备一定的信息监控能力。

3.3 仿真模拟分析技术

半实物仿真技术在水下可见光通信关键技术运行过程中的应用，可以有效地节约资源，特别是在一些复杂的水下可见光通信关键技术应用分析中，通过模拟关键参数和性能，进一步判断应用效果，为后续的实际应用设计奠定良好基础。在水下可见光通信关键技术的实施过程中，安全通信非常重要，这与水下可见光通信关键技术的最终实现有关。采用硬件仿真技术可以有效地解决这一问题，提高通信质量。第一，信息接收和信息处理。对于水下可见光通信关键技术而言，其需要接收GPS、传感器等诸多地面设备在内传输过来的图片、数据信息，还需要对实时数据资源、信息情况进行处理。尤其是数据信息的处理，涉及大量复杂的动态数据参数，这对水下可见光通信关键技术的信息接收和信息处理提出了较高的要求，借助云计算、物联网等技术可以实现高效率、高质量的数据处理，配合半实物仿真技术这一数据处理工作可以得到更进一步的发展，打造出自动化、智能化、网联化的水下可见光通信关键技术，确保技术应用安全性。第二，水下可见光通信关键技术过程中的信息感应。未来水下可见光通信关键技术会朝着集成化、整体化的方向发展，信息感应能力的提高也非常关键。随着水下可见光通信关键技术数量的增加，行业整体的进步，对水下可见光通信关键技术本身的处理能力、防御能力都提出了较高的要求，如何确保信息更好地进行运转，实现水下可见光通信关键技术的高效运行，是现阶段的重点任务之一。在实际发展过程中，水下可见光通信关键技术可以配合半实物仿真技术，更高效地完成信息处理，确保水下可见光通信关键技术的整体运行情况，更快地完成效应，在规避信息安全危险上可以发挥出更好的作用[5]。

4 结束语

综上所述，在水下可见光通信关键技术应用过程中，需要综合考虑不同的场景，全面模拟验证具体的传输流程和技术机制。未来，可以借助半实物仿真体系，从而更好地落实水下可见光通信关键技术中的参数数据指标，此外，水下可见光通信关键技术中的高通信速率关键技术、远距离通信关键技术、高可靠性关键技术以及仿真技术都需要展开进一步探讨。