水下光通信技术发展现状＊

［林木泉 杨少程］

1 前言

光通信技术发展可追溯至1880 年，光电话由美国贝尔发明，但仅处于试验阶段。当前光通信技术已被广泛应用于电信、互联网工控等诸多领域。我国海岸线长度超过3 万公里，对海洋资源的探索也随科技发展而逐步深入。对海洋资源的开发，离不开通信技术的支持。现在的水下通信方式还是主要依靠海缆完成，但无线通信方式相对线缆通信具备更多优势，一直是当前的研究热点，特别是水下光通信。

水下光通信(Underwater Wireless Optical Communication，UWOC)作为一种新兴的水下无线通信方式，是以可见光信息为载体，通过对数字信号进行编码调制和解调，以水作为信道进行传输的通信方式。由于其具备低延时、高带宽的特点，在海底资源探索及海洋环境监测等方面具备较广泛的应用前景，且具备高保密性的特点，在军事上也具备一定的发展潜力，现今成为水下信息传输领域的研究热点。

2 水下光通信系统模型和研究现状

水下可见光通信的系统模型如图1 所示，整体结构可分为3 部分，发射部分、信道部分和接收部分。发射部分主要实现信号的编码调制，要求光源效率高、编码抗干扰能力强。该部分实现了电信号转光信号。

图1 水下可见光通信系统模型

水下信道完成光信号的传输，信道环境通常较复杂，需考虑吸收、散射、温度、湍流等一系列因素的影响。接收部分完成信号解调，实现光信号到电信号的转换，需考虑去干扰、有效解调解码的问题。

目前学者的研究主要集中在信道建模技术和信道调制技术方面。

2.1 信道建模技术研究现状

2008 年，Jaruwatanadilok[1]等人提出一种基于矢量辐射传输理论的水下无线光通信信道建模方法。使用其信道模型，通过数值蒙特卡罗模拟将散射效应量化为距离和比特率的函数。同时作者还通过研究提出光散射时交叉偏振分量的重要性。

2011 年，Gabriel 等[2]采用蒙特卡罗方法模拟光子传播轨迹建立信道模型，观察在经过量化后的不同水质、链路距离和收发器参数的脉冲响应，实验证明大多数情况下，时间弥散不会对接收信号产生干扰。

2013 年，E.Kazemian[3]等人研究了叶绿素浓度和海水对水下光通信(UWOC)链路误码率以及可靠性的影响。作者基于Collins 公式研究了高斯激光束在海洋中的传输特性，且推导出海水沿光路传输的解析公式。

2014 年，Dong 等[4]研究MIMO 配置下UWOC 的链路脉冲响应。所提出的加权双伽马函数（WDGF）模型与UWOC MIMO 链路在实际海洋环境中得到的实验数据与理论值吻合度较高。

2014 年，Choudhary 等人[5]提出了基于蒙特卡罗模拟和Henyey-Greenstein 模型的无视距（NLOS）水下无线光通信（UWOC）信道。基于路径损耗，分析了不同水类型和接收器视场（FOV）水下（UW）系统的性能。

2017 年，Oubei 等人[6]为了研究弱温度诱导湍流的统计特性，使用了广义伽马分布，针对温度梯度的UWOC信道进行建模，数据表明该模型与各类信道条件下的测量数据具有很好的拟合度。

2017 年，Jamali[7]分析评估了点对点多跳水下无线光通信系统的端到端误码率（BER），吸收、散射和湍流引起的衰落是影响UWOC 信道的主要因素。实验数值结果表明，以多跳传输方式缓解信道损伤，可以显著提高系统性能，增加端到端通信的通信距离。

2017 年，Rabia Qada[8]等在单输入单输出UWOC 信道中提出一种基于蒙特卡罗模拟的自适应方法，该方法通过误码率（BER）和接收功率确定光子能量损耗。其数据结果表明，较大的接收器孔径可以增加所需的光功率和BER。

2017 年，Oubei[9]提出了Weibull 模型来表征盐度引起的湍流水下无线光通道的衰落。实验结果表明该模型在所有信道条件下都理论值与测量数据吻合度较高。

2018 年Sharifzadeh[10]为了研究提出的不同概率密度函数（PDF）对水下衰落统计行为的影响，适当考虑吸收和散射效应，采用基于蒙特卡洛数值方法建立模型，并将衰落效应视为上述PDF 的乘法系数。其结果表明，随着湍流强度增大，不同统计分布预测的系统性能差距变大，作者强调了精确信道模型对于UWOC系统设计十分重要。

2019 年，Zedini[11]提出了一种统计模型，研究淡水以及咸水中的气泡和温度梯度条件下UWOC 信道中湍流诱导衰落的特征。这是较早提出的一个综合信道模型，用于统计由于气泡和温度梯度引起的UWOC 信道中的光束辐照度波动。

2020 年，Singh[12]提出一种统计信道模型，用于表征不同气泡种群下存在淡水情景下的水下无线光通信（UWOC）系统。基于实验数据，采用高斯混合模型对接收到的光信号的辐照度波动进行了表征。UWOC 通道的行为以分析表达式的形式建模。在定通道条件下，作者通过使用提出的解析表达式所得到的数据与实验数据吻合度高。

2021 年，Cai[13]提出了一种综合吸收、散射和动态湍流效应的水下无线光通信（UWOC）信道多参数模型。Z作者认为，在弱湍流或中等湍流下，通过增加发射光功率可以有效提高误码率（BER）性能。50 m UWOC 通道从纯海水到海水的功率损失为5.8 dBm，从弱湍流到中等湍流的功率损失为1.0 dBm，误码率阈值为10-6。

2021 年，Kumar[14]实验分析了不同垂直水道条件下水下无线光通信（UWOC）的性能。通过改变垂直水道的温度和盐度进行了实验。作者通过接收光功率作为实验结果来完成传输深度和衰减函数的拟合。本文在垂直UWOC 链路中的功率预算以及不同信道条件下传输数据速率等方面能够为研究者提供一定的参考意见。

2021 年，Singh[15]使用高斯混合模型（GMM）对水中气泡存在的影响进行研究。通过信噪比、中断概率、误码率、最大Q 因子等方面对UWOC 系统的性能进行了评估，其结果表明，使用GMM 模型建模的实验结果与提出的理论结果吻合度较高。

2022年，Lou Y[16]研究了垂直水下无线光通信（UWOC）系统在存在气泡和温度梯度下的性能。作者提出广义的UWOC 通道模型，其中包含层，每G 个N 层具有相同的分布，但具有不同的参数，以考虑水下环境的垂直不均匀性。作者使用混合指数广义伽马分布对每一层进行建模。

2.2 信道调制技术研究现状

2009 年，Sui[17]通过建模和仿真，表明脉冲位置调制（PPM）更适合于低功率的海底通信系统，作者认为相移键控（PSK）调制对比其他调制方法在带宽以及误差方面表现更好，而功率效率则较差。

2010 年，刘金涛等人[18]使用MonteCarlo 方法模拟了卫星接收到的水下平台上行激光链路的性能，在卫星与激光信号中心水平距离5km 范围内，作者采用脉冲位置调制和最大似然估计的方法，实现了通信系统的误码率小于10-4。

2013 年，胡秀寒等人[19]设计了一种采用数字信号处理机(DSP)实现的高速水下通信系统，作者成功实现在100 m 的水池中进行全双工水下通信，且通信速率达到73 kbit/s，能够进行实时传输语音和图像信息。作者采用脉冲位置调制和RS 编码的方式完成实验。

2015 年，Oubei[20]等人使用开关键控不归零（OOKNRZ）调制方案在 7 m 距离上实验实现在2.3 Gbit/s 传输时，接收数据的实测误码率远 2.23×10-4，低于无差错操作 2×10-3所需的前向纠错（FEC）阈值。

2016 年，周田华等人[21]发现信号在海水信道中衰减严重，提出一种将低密度奇偶校验码和脉冲位置调制的方式相结合且在脉冲位置调制的软解调基础上进行简化的方法，作者通过软件仿真验证了采用该方法的误码率性能优于RS 码，作者认为该方法甚至不需要知道信道的详细特征，适用于不同信道。

2017 年，CHEN 等人[22]使用单模辫状绿色激光二极管作为光源，调制技术为32-正交调幅-正交频分复用，在21 m 的水下信道中成功完成了5.3 Gbit/s 的无功率负载上行传输5.5 Gbit/s 的有功率负载下行传输的实验，其接收数据误码率分别为2.47×10-3和2.92×10-3。

2018 年，HUANG 等人[23]使用蓝色激光二极管作为发射光源，调制方式为16-正交振幅调制-频分复用，实现14.8 Gbit/s 的传输速率和1.9×10-5的误码率以及1.7 m的水下通信距离以及10.8 Gbit/s 的传输速率和1.5×10-4的误码率以及10.2 m 的水下通信距离两个实验。

2019 年，Wang J 等人[24]提出了一种以多像素光子计数器（MPPC）为接收器和正交频分复用（OFDM）的水下无线光通信（UWOC）系统，利用 32-QAM OFDM 调制，在 21 m 水下通道上成功实现了 312.03 Gbit/s 的净数据速率，误码率（BER）低于前向纠错（FEC）限制。

2020 年，Chen H 等人[25]建立了一个基于单光子雪崩二极管（SPAD）接收器的水下无线光通信（UWOC）系统。得到了不同距离和数据传输速率下UWOC 的误码率（BER）和信噪比（SNR）性能。UWOC 系统采用开关键控（OOK）调制方案分别获得最大估计距离144 m和117 m，对应的BER 为1.89×10-3和5.31 10-4，数据传输速率为500 bit/s 和2 Mbit/s。作者认为获得的长UWOC 距离部分受益于高灵敏度SPAD，小激光发散角和低光衰减。

2022 年，GaiL 等人[26]通过设计和开发偏振复用调制和光子计数检测的UWOC 实验系统，分别采用偏振开关键控调制和偏振2 脉冲位置复用调制，在92 m 的水道上实现了14.58 Mbit/s 和7.29 Mbit/s 的数据传输速率。

2023 年，Qasem[27]提出并实验演示了用于水下无线光通信（UWOC）的能量和频谱效率指数调制（IM）方案。该方案利用基于离散哈特利变换（DHT-OFDM）的直流光正交频分复用IM 而不是传统的基于离散傅里叶变换的OFDM（DFT-OFDM）。与DFT-OFDM 和DHT-OFDM相比，IM-DHT-OFDM 的频谱效率提高了50%，作者在2米UWOC 上进行仿真和实验测试，证明了所提出的方案在误码率（BER）、实现SE、峰均比（PAPR）和计算复杂度方面优于现有基准方案。

3 结束语

目前UWOC 的相关技术仍然在发展中，其中有一些困难是研究者待解决的。例如如何实现精确信道建模，因为光信号在海水中会受到严重的吸收与散射效应以及其他因素影响，信道建模复杂度是比较高的。而实验过程中也发现，收发设备常因湍流海水影响未对准导致链路失准。海水信道高衰减环境下，UWOC 系统设备的功耗与效率如何有效提升。从文献中发现，当前UWOC 系统的通信距离和通信速率较多都是在实验室环境下测试得到，或者在模拟环境中，或者在单一应用场景中，而真实环境不仅包括吸收、散射、气泡、温度等因素会造成环境多变，盐度、水藻、漂浮物等也会影响实验数据，后续在真实的、不同环境下的湖泊、河流、海洋等环境中进行应用仍然需要进一步研究。而实验数据中，常见实现的距离也较少超过百米以上，后续需要更多的理论支持和实验数据来解决UWOC 系统中长通信距离的难题。目前国内外主要的研究方向包括信道建模技术和信道调制技术。国外对UWOC 系统的研究开始比较早，其相关研究者能够实现更高的通信速率，而国内的研究者能够实现更远的通信距离。目前研究者不少的实验是基于实验室模拟的海水环境，或者指定位置的海水环境，实验数据与真实数据存在误差，实验数据不具备泛化性，所以未来对UWOC 系统的研究实验应该在真实的、不同区域的海洋中进行，使得到的数据更加可靠。