張雨凡，李 鑫,，呂偉超,，陳家旺，鄭旻輝，徐 敬,*

1浙江大學(xué)海洋學(xué)院光通信實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316021；

2海洋觀測(cè)成像試驗(yàn)區(qū)浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316021；

3自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012

1 引 言

地球的海洋覆蓋率接近71%，海洋儲(chǔ)藏著豐富的生物資源、礦產(chǎn)資源。海洋的廣闊空間與豐富資源決定了它的科學(xué)價(jià)值與戰(zhàn)略地位，人類也從未停止對(duì)海洋的探索。水下潛器的發(fā)展將改變?nèi)祟悓?duì)95%的海底一無(wú)所知的現(xiàn)狀，其中自主式水下潛器(autonomous underwater vehicle, AUV)在打撈、勘探、檢修等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，而有效的通信手段是 AUV執(zhí)行長(zhǎng)期自主任務(wù)與集群作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。未來(lái)，隨著水下運(yùn)載器的大量部署、水下傳感網(wǎng)絡(luò)的密集化以及水下傳感器節(jié)點(diǎn)的劇增，水下數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)男枨髮⒑Ａ吭鲩L(zhǎng)，高帶寬、低延時(shí)的無(wú)線通信技術(shù)顯得尤為重要。人類的水下探索迫切需要一種高速、可靠、靈活的水下無(wú)線通信(underwater wireless communication,UWC)系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的水下無(wú)線通信中最常用的是水聲通信(underwater acoustic communication, UAC)[2]，但聲波的傳播速度較慢、頻率較低，能利用的帶寬有限，難以支持高速數(shù)據(jù)傳輸。此外，隨信號(hào)頻率提高而增加的衰減、多徑傳播[3]以及潛在的生物危害性[4]等因素在一定程度上限制了UAC的應(yīng)用。出于提高傳輸速率的目的，射頻(radio frequency, RF)UWC被進(jìn)一步研究。然而 RF通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要復(fù)雜笨重的設(shè)備以保證發(fā)射、接收的質(zhì)量與電磁屏蔽效果，這使得系統(tǒng)靈活性降低，且射頻信號(hào)在水中的傳播距離非常有限。近年來(lái)，水下無(wú)線光通信(underwater wireless optical communication, UWOC) 作為一種新型通信技術(shù)，以帶寬高、容量大、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好等優(yōu)勢(shì)，已成為世界大國(guó)競(jìng)相發(fā)展的重要通信技術(shù)。

本文第二部分將進(jìn)一步說明 UWOC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與在提升傳輸距離與速率上的研究進(jìn)展。第三部分將介紹包括發(fā)射端、信道以及接收端的 UWOC基本通信鏈路。第四部分針對(duì)提升速率、增加鏈路距離、鏈路對(duì)準(zhǔn)等問題分析解決方案以進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，并對(duì) UWOC的測(cè)試環(huán)境與實(shí)用化進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。最后一部分將總結(jié)全文，并對(duì) UWOC技術(shù)的發(fā)展提出了展望。

2 研究進(jìn)展

UWOC是一種以光波為信息載體的通信方式，在高速靈活的水下通信中有巨大應(yīng)用潛力。UWOC的傳輸速率可達(dá)Gb/s量級(jí)以上，同時(shí)光波抗電磁干擾的特點(diǎn)減輕了水下潛器設(shè)計(jì)中的載荷負(fù)擔(dān)。如圖1所示，UWOC可以在 AUV、海上平臺(tái)及水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。UWOC的缺點(diǎn)之一是光波在水中傳輸時(shí)的吸收與散射十分嚴(yán)重，光能量損耗較大，限制了系統(tǒng)的最大工作距離[5-6]。此外，傳輸過程中的散射會(huì)改變光束的方向，導(dǎo)致脈沖時(shí)間拓展，引發(fā)碼間串?dāng)_(inter-symbol interference, ISI)，降低系統(tǒng)的容錯(cuò)性能，這種情況在渾水中尤其明顯[7]。在這樣的背景下，UWOC的速率與傳輸距離是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。

潛力與挑戰(zhàn)并存的 UWOC引起了眾多研究者的興趣。美國(guó)在UWOC領(lǐng)域的研究起步較早。1976年，Karp借助多重散射模型研究了水下端與機(jī)載端之間的光學(xué)信道特性，認(rèn)為以一定的速率進(jìn)行雙向通信是可實(shí)現(xiàn)的[8]。隨后，Snow等人進(jìn)一步分析了水下短距離高速激光通信的可行性[9]，并且在1992年實(shí)現(xiàn)了50 Mb/s速率的通信系統(tǒng)[10]。2008年，Hansen借助倍頻技術(shù)將水下光通信鏈路速率提升到了1 Gb/s[11]。2014年，美國(guó)加州大學(xué)與海軍研究署聯(lián)合研發(fā)了一種雙曲超材料光源可使UWOC速率提高近2個(gè)數(shù)量級(jí)，相關(guān)成果發(fā)表在期刊Nature Nanotechnology[12]。隨著更高性能發(fā)射器、更靈敏探測(cè)器的出現(xiàn)以及更高效信號(hào)處理技術(shù)的開發(fā)與使用，UWOC的傳輸速率與傳輸距離飛速增長(zhǎng)。圖2展示了近年來(lái)在UWOC領(lǐng)域的部分研究成果[13-24]，從圖中可以看出，UWOC的速度距離乘積呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，一些研究也以傳輸距離或傳輸速率中的一項(xiàng)為核心指標(biāo)設(shè)計(jì)出符合不同通信要求的系統(tǒng)。2016年，阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)(King Abdullah University of Science and Technology, KAUST)實(shí)現(xiàn)了20 m，1.5 Gb/s的水下通信鏈路[13]。2017年，臺(tái)北科技大學(xué)將水下通信鏈路的速度距離乘積拓展到了160 Gbps·m，這項(xiàng)突破得益于他們?cè)诩す馄魃鲜褂玫墓庾⑷肱c光電反饋技術(shù)[18]。2018年，浙江大學(xué)在頻域線性均衡的基礎(chǔ)上，使用時(shí)域均衡補(bǔ)償了非線性損傷，最大速率距離乘積達(dá)到462 Gbps·m[20]。2019年，中國(guó)科技大學(xué)展示了水下100 m通信鏈路，信號(hào)處理技術(shù)與激光器控制參數(shù)的優(yōu)化為長(zhǎng)距離傳輸提供了保證[24]。在工業(yè)上，英國(guó) Sonardyne公司的 BlueComm系列產(chǎn)品可支持視頻傳輸與 AUV控制，工作深度可達(dá)4000 m[25]。

圖1 水下光通信應(yīng)用場(chǎng)景Fig.1 The demand of wireless communication in human underwater activities

3 基本通信鏈路

3.1 發(fā)射端

UWOC系統(tǒng)的基本原理框圖如圖3所示，在發(fā)射端，信源信號(hào)經(jīng)編碼、調(diào)制映射等步驟生成已調(diào)信號(hào)，再將已調(diào)信號(hào)加載到光源上，然后經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生一定發(fā)散角的光束在海水信道中傳輸。該光束可以具有極小的發(fā)散角以增加傳輸距離，在近距離應(yīng)用場(chǎng)合也可以使用具有較大的發(fā)散角甚至全向發(fā)散光束以降低系統(tǒng)跟瞄和對(duì)準(zhǔn)的難度。

發(fā)光二極管(Light-emitting diode, LED)與激光二極管(laser diode, LD)是光通信發(fā)射器中常用的光源。LED成本低，功耗低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。在傳輸距離較短和數(shù)據(jù)速率要求不高的應(yīng)用中，使用 LED作為UWOC系統(tǒng)光源是有利的[26-27]。使用單個(gè)低成本的LED，復(fù)旦大學(xué)的研究小組在1.2 m純凈水中實(shí)現(xiàn)了2.175 Gb/s的速率[28]。微型LED能夠優(yōu)化調(diào)制帶寬[29]，成熟的制造工藝使微型 LED陣列成為一種可能的新型光源。LD比LED有更良好的帶寬特性，并且其發(fā)散角小，功率也更高。激光器結(jié)構(gòu)的改良也能夠提升系統(tǒng)的性能，如垂直腔面發(fā)射二極管(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)，二極管泵浦激光器[30]等。注入鎖定技術(shù)的應(yīng)用有利于獲得窄線寬和大功率的單模激光輸出。文獻(xiàn)[31]使用二級(jí)注入鎖定的VCSEL實(shí)現(xiàn)了水下5 m，傳輸速率25 Gb/s的非歸零碼開關(guān)鍵控(non-return-to-zero on-off keying, NRZ-OOK)系統(tǒng)。然而，激光的光束特性使得系統(tǒng)對(duì)發(fā)射器與接收器有較高的對(duì)準(zhǔn)要求，且激光器受溫度影響也較大。

調(diào)制技術(shù)的選擇對(duì)于任何通信系統(tǒng)都非常關(guān)鍵，合適的調(diào)制技術(shù)能夠極大地提升 UWOC系統(tǒng)的帶寬利用率、光功率利用率和傳輸速率。目前在 UWOC系統(tǒng)中最廣泛使用的調(diào)制是強(qiáng)度調(diào)制OOK。此外，脈沖幅度調(diào)制(pulse amplitude modulation, PAM)[32-33]，脈沖位置調(diào)制(pulse position modulation, PPM)[34-36]，數(shù)字脈沖間隔調(diào)制(digital pulse interval modulation,DPIM)[37]等都被應(yīng)用于UWOC。

圖3 水下無(wú)線光通信系統(tǒng)的基本框圖Fig.3 The block diagram of underwater wireless optical communication system

在發(fā)射端采用信道編碼技術(shù)可以增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力，使得可見光信號(hào)經(jīng)過長(zhǎng)距離的水下信道衰減以后仍能以極低的信噪比(signal to noise ratio, SNR)被成功接收，大大改善通信系統(tǒng)的傳輸性能[38]。常用的差錯(cuò)控制編碼有里德-所羅門(Reed-Solomon, RS)碼、低密度奇偶校驗(yàn)碼(low-density parity-check, LDPC)碼以及Turbo碼。北卡羅萊納州立大學(xué)的Cox等人使用(255, 129)RS碼將歸零碼開關(guān)鍵控(return-to-zero on-off keying, RZ-OOK)調(diào)制的500 kb/s系統(tǒng)在10-4誤碼率下的SNR提高了8 dB[39]。中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所通過仿真與模擬驗(yàn)證了多種規(guī)格的 RS碼與LDPC碼在不同信噪比下的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)1/2碼率的RS碼在長(zhǎng)距離時(shí)表現(xiàn)最優(yōu)，但LDPC碼的綜合表現(xiàn)更好[35]。法國(guó)的 Mattoussi課題組的研究也表明LDPC碼在物理層有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢(shì)[40]。

3.2 接收端

入射的光束經(jīng)過信道后被匯聚到接收端的探測(cè)器上，探測(cè)器將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后通過解調(diào)、譯碼等恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)信號(hào)。目前應(yīng)用最為廣泛的光電探測(cè)器是PIN(positive-intrinsic-negative)二極管和雪崩二極管(avalanche photodiode, APD)[5]。PIN二極管成本低，能夠滿足一部分UWOC系統(tǒng)的要求，但PIN二極管的輸出電流很小，靈敏度相對(duì)不高。APD利用雪崩效應(yīng)保證了 UWOC系統(tǒng)有較高靈敏度[41]，此外還有工作在蓋革模式下的單光子探測(cè)雪崩二極管(single photon avalanche diode, SPAD)[42]。但由于雪崩效應(yīng)本身作為一個(gè)隨機(jī)過程會(huì)引入附加噪聲，需要確定合適的反向偏壓以達(dá)到最佳增益值。另外，SPAD存在死區(qū)時(shí)間，此時(shí)對(duì)任何信號(hào)都無(wú)響應(yīng)[43]，因此導(dǎo)致了非線性的光強(qiáng)響應(yīng)。

采用均衡技術(shù)可以在一定程度上補(bǔ)償信道、發(fā)射端與接收端器件引入的不良特性，降低 ISI的影響，增大可使用的帶寬范圍。實(shí)際上均衡技術(shù)既可以用在接收端也可以用在發(fā)射端，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)[44]和中山大學(xué)的兩個(gè)研究組[45]使用預(yù)均衡增加LED帶寬，在UWOC鏈路的傳輸上都起到了很好的效果。研究證明，均衡對(duì)緩解由電光調(diào)制、非線性放大引入的系統(tǒng)容量非線性損傷[20-21]以及熱梯度引起的信號(hào)串?dāng)_[46]都有較好的作用。

3.3 信道

光在水中傳輸時(shí)，海水及溶解質(zhì)、葉綠素、懸浮粒子等造成的吸收、散射、光束漂移、光強(qiáng)起伏等現(xiàn)象，帶來(lái)嚴(yán)重的鏈路損耗、多徑效應(yīng)、時(shí)域展寬等，進(jìn)而導(dǎo)致接收光信號(hào)信噪比降低，并產(chǎn)生ISI，對(duì)光通信鏈路保持和通信質(zhì)量都有著嚴(yán)重的干擾。因此，研究光在水中的傳輸表現(xiàn)，即研究水下光學(xué)信道特性是設(shè)計(jì) UWOC系統(tǒng)的基礎(chǔ)。海水的光學(xué)特性可分為固有光學(xué)特性(inherent optical properties, IOP)與表觀光學(xué)特性(apparent optical properties, AOP)[47]，其中對(duì)信息傳輸媒介影響最大的是 IOP。光在水下傳播過程中受水體吸收與散射的影響，由此引入IOP中的吸收系數(shù)a(λ)與散射系數(shù)b(λ)[5]。綜合考慮吸收與散射可得衰減系數(shù)：

根據(jù)比爾-朗伯定律，可以得到光傳輸距離z后的功率變化：

幾種常見水質(zhì)的吸收、散射、衰減系數(shù)如表1所示[48]。

表1 不同種類水體的典型參數(shù)Table 1 Typical parameters for different water types

β(θ, φ, λ)為體散射函數(shù)(volume scattering function,VSF)，它反映了光散射之后的新傳播方向在空間上的強(qiáng)度分布，其中散射系數(shù)b(λ)可由VSF求得：

β(θ, φ, λ)與b(λ)之比為散射相函數(shù)，用來(lái)描述散射后新傳播方向的概率分布。

對(duì)于靜態(tài)信道的研究，采用解析方法和蒙特卡羅模擬方法。解析法常借助輻射傳遞方程(radiative transfer equation, RTE)，它用輻射強(qiáng)度來(lái)描述光強(qiáng)度在隨機(jī)分布的粒子群中的傳播，并計(jì)算到達(dá)接收端的光強(qiáng)分布[49-50]。但這類基于RTE的計(jì)算通常相當(dāng)復(fù)雜，且對(duì)邊界條件要求很高，在求解析解的過程中需要做出一些假設(shè)以簡(jiǎn)化。在這種情況下，通過蒙特卡羅方法得到數(shù)值解成為了當(dāng)前 UWOC研究中更普遍的方法。蒙特卡羅方法模擬光子在水中受吸收、散射影響后的傳輸路徑和能量變化，通過數(shù)百萬(wàn)次的光子追蹤得到滿足邊界條件的光子時(shí)空分布。圖4展示了使用蒙特卡羅方法模擬的激光光源在不同水體中傳播不同距離后接收端的光斑能量分布。在該方法中，散射相函數(shù)模型的優(yōu)劣對(duì)仿真結(jié)果有很大的影響。印度的Sahu比較了單項(xiàng)HG模型、二項(xiàng)HG模型[51-52]與SS模型[53]的仿真效果，在水類、視場(chǎng)、光圈等參數(shù)變化的研究中肯定了SS相位函數(shù)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性[54]。針對(duì)渾濁水體中的脈沖響應(yīng)，清華大學(xué)的團(tuán)隊(duì)使用雙Gamma函數(shù)為長(zhǎng)距離高速率的UWOC系統(tǒng)提供了均衡技術(shù)相關(guān)的指導(dǎo)性建議[7]?，F(xiàn)有的信道特性研究主要集中在吸收和多重散射對(duì)光束傳播的影響[55]，但溫度或鹽度變化引起的湍流影響也不能被忽視。研究者們使用對(duì)數(shù)-正態(tài)分布、Weibull分布、廣義 Gamma分布等模型從不同角度分析湍流[56-59]。但水體，尤其是海水，成分和內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律都十分復(fù)雜，且光波在水下的衰減系數(shù)隨深度與離岸距離的改變而變化顯著，增加了研究的難度。此外，跨空水界面 UWOC和非視距UWOC的信道特性也需要進(jìn)一步深入研究。

圖4 激光在不同水體中傳播不同距離后接收端能量分布。(a) 4 m沿海水域；(b) 8 m沿海水域；(c) 12 m沿海水域；(d) 4 m港口水域；(e) 8 m港口水域；(f) 12 m港口水域Fig.4 The received optical power distribution of a laser beam after passing through a (a) 4 m, (b) 8 m, (c) 12 m costal water channel;(d) 4 m, (e) 8 m, (f) 12 m harbor water channel

4 系統(tǒng)性能優(yōu)化

4.1 復(fù)用技術(shù)

近年來(lái)，頻譜效率更高的正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM)技術(shù)逐漸受到更多研究人員的青睞。比如 KAUST的Oubei的課題組基于 16-QAM(quadrature amplitude modulation)-OFDM實(shí)現(xiàn)了水下5.4 m的信息傳輸，傳輸速率可達(dá) 4.8 Gb/s[60]。浙江大學(xué)借助比特分配和功率分配進(jìn)一步改善了QAM-OFDM系統(tǒng)的性能，實(shí)現(xiàn)了 6.18 (bit/s)/Hz的頻譜利用效率[61]，同時(shí)提出在OFDM的多個(gè)子載波中可以使用參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整的方法以實(shí)現(xiàn)更好的傳輸效果。在比特功率分配技術(shù)中，多采用等概率的星座圖調(diào)制為不同信噪比的子載波分配不同的調(diào)制函數(shù)，而浙江大學(xué)的團(tuán)隊(duì)將星座圖概率密度整形技術(shù)用于UWOC，并且實(shí)現(xiàn)了接近香農(nóng)極限的傳輸速率[22]。

圖5 蒙特卡羅方法仿真的兩種波長(zhǎng)光在8 m長(zhǎng)港口海水中的(a)脈沖響應(yīng)和(b)頻率響應(yīng)Fig.5 (a) Impulse response and (b) frequency response in 8 m harbor water with different wavelengths based on Monte Carlo simulation

考慮到海水對(duì)光的散射，在一些特定情況下處于海水“透明窗口”的藍(lán)綠波段[62-64]并非總是最優(yōu)選擇。浙江大學(xué)的團(tuán)隊(duì)通過蒙特卡羅仿真研究了紅光在水中的傳輸特性，仿真結(jié)果如圖5所示[14]，證明了在渾濁度高的水中紅光在衰減系數(shù)和信道帶寬上與短波長(zhǎng)光相比有更優(yōu)異的表現(xiàn)。關(guān)于紅光的研究為波分復(fù)用(wavelength division multiplexing, WDM) UWOC系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，目前的研究主要基于紅-綠-藍(lán)(red-green-blue, RGB)WDM。浙江大學(xué)使用三色LD結(jié)合QAM-OFDM技術(shù)搭建了WDM-UWOC系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了水下10 m信道中9.51 Gb/s的信號(hào)速率[16]。復(fù)旦大學(xué)與南昌大學(xué)的團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了基于氮化鎵的共陽(yáng)極 LED組，在紅-綠-藍(lán)之間增加青光與黃光(red-green-blue-cyan-yellow, RGBCY)，最終他們的RGBCY-WDM系統(tǒng)在1.2 m水下達(dá)到了14.6 Gb/s的速率[27]。

軌道角動(dòng)量(Orbital angular momentum, OAM)模式是一種空分復(fù)用方法，在傳統(tǒng)調(diào)制自由度被占用的情況下，可以額外拓展系統(tǒng)容量。美國(guó)克萊姆森大學(xué)在研究OAM模式下的NRZ-OOK調(diào)制時(shí)不僅實(shí)現(xiàn)了可用的通信鏈路，而且研究了渾濁水體對(duì)OAM數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊慬65]。

4.2 光子計(jì)數(shù)探測(cè)

光子計(jì)數(shù)探測(cè)技術(shù)以其超高的探測(cè)靈敏度在應(yīng)對(duì)水下信道衰減強(qiáng)烈的問題上有很好的前景，對(duì)于傳輸距離的提升有積極的作用。解放軍信息工程大學(xué)使用SPAD作為水下單光子探測(cè)器進(jìn)行了相關(guān)研究[66-68]，其中他們提出的考慮死區(qū)時(shí)間影響的計(jì)數(shù)脈沖檢測(cè)算法在長(zhǎng)距離高速應(yīng)用中與傳統(tǒng)算法相比優(yōu)勢(shì)顯著[67]。一些UWOC系統(tǒng)也選擇使用了SPAD陣列化后的硅光電倍增管(silicon photomultiplier，SiPM，按原理又被稱為multi-pixel photon counter，MPPC，下文中簡(jiǎn)稱采用后者)作為接收器來(lái)緩解死區(qū)時(shí)間的影響。

MPPC在探測(cè)上達(dá)到了“量變引起質(zhì)變”的效果，一方面，陣列平面放寬了鏈路對(duì)準(zhǔn)的要求[32]；另一方面，根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，MPPC減少了隨機(jī)過程和死區(qū)時(shí)間帶來(lái)的影響，實(shí)現(xiàn)了更線性的光強(qiáng)響應(yīng)[69]。法國(guó)的Hamza等人分析了MPPC的噪聲與光子計(jì)數(shù)特性，初步證明了MPPC用于UWOC的可行性[70]，他們隨后還闡明了MPPC的帶寬對(duì)系統(tǒng)性能的影響[71]。浙江大學(xué)的團(tuán)隊(duì)使用 MPPC實(shí)現(xiàn)了水下 46 m的超高靈敏UWOC系統(tǒng)[69,72-73]，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6(a)、6(b)所示，不同L-PPM信號(hào)下的誤碼率/誤時(shí)隙率與MPPC接收到的光功率分別如圖 6(c)、6(d)所示，最低光接收功率低于4 pW[69,72-73]。此外，中國(guó)科學(xué)院在光子計(jì)數(shù)通信領(lǐng)域也進(jìn)行了很多研究。中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所提出了以比特時(shí)間內(nèi)電脈沖數(shù)目為依據(jù)的改進(jìn)型光子計(jì)數(shù)方法，減小了光子計(jì)數(shù)通信中背景光噪聲的干擾[74]。中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所設(shè)計(jì)的光子計(jì)數(shù)接收器系統(tǒng)在 35.88個(gè)衰減長(zhǎng)度后可實(shí)現(xiàn)3.32位/光子的接收性能[35]。

圖6 (a) 基于MPPC的UWOC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖。AWG：任意波形發(fā)生器；PA：功率放大器；VEA：可變電衰減器；OF：450 nm濾光片；OSC：示波器；(b) 46 m PVC管；(c) 不同L時(shí)的BER與SER；(d) 不同L時(shí)接收到的光功率Fig.6 (a) Experiment setup of a MPPC based UWOC system.AWG: arbitrary waveform generator;PA: power amplifier; VEA: variable electrical attenuator; OF: 450 nm optical filter; OSC: oscilloscope; (b) The 46 m PVC tube;(c) BER and SER versus the order Lof PPM; (d) The received optical powers versus the order Lof PPM

4.3 鏈路對(duì)準(zhǔn)

潛器受到水流的影響很難保持姿態(tài)的穩(wěn)定，這使得發(fā)射/接收器件的對(duì)準(zhǔn)情況難以得到保障。而模型仿真已使研究者認(rèn)識(shí)到鏈路對(duì)準(zhǔn)對(duì)于 UWOC系統(tǒng)正常工作的重要意義。清華大學(xué)分析了使用激光光源未對(duì)準(zhǔn)時(shí)鏈路的性能，結(jié)果顯示散射在一定程度上可以優(yōu)化對(duì)準(zhǔn)情況，因此接收器在一定程度內(nèi)的位置偏離是允許的[75]。他們通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，更渾濁的水，更長(zhǎng)的鏈路距離在一定程度上能夠降低對(duì) UWOC系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)的要求[76]。

改進(jìn)發(fā)射端與接收端是解決對(duì)準(zhǔn)問題的另一種思路。來(lái)自清華大學(xué)的團(tuán)隊(duì)提出了一種LED與LD混合使用的UWOC系統(tǒng)，利用LED與LD不同的光束特性分別進(jìn)行粗對(duì)準(zhǔn)與精確對(duì)準(zhǔn)，以此降低了光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的難度[77]。華中科技大學(xué)在鏈路中添加了自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，通過兩套壓電轉(zhuǎn)向鏡與光斑位置探測(cè)器進(jìn)行快速對(duì)準(zhǔn)，增強(qiáng)了鏈路穩(wěn)定性[78]。使用具有大接收面積的太陽(yáng)能板作為 UWOC接收端，也能在一定程度降低對(duì)準(zhǔn)難度[79]，適用于水下平臺(tái)間的動(dòng)態(tài)通信，且由于太陽(yáng)能電池本身的特性，其具有緩解水下供能壓力的潛力。在文獻(xiàn)[79]中浙江大學(xué)的團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于太陽(yáng)能電池板的 UWOC系統(tǒng)的可行性，以及其不需要透鏡、易于對(duì)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池具有更高的光吸收系數(shù)，在供能緊張、信號(hào)光微弱的水下場(chǎng)景將成為光電探測(cè)器的有力競(jìng)爭(zhēng)者。KAUST[80]使用非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池在2.4 m渾水、強(qiáng)背景光條件下有效地接收了908.2 kb/s的OFDM信號(hào)，證明了接收器的魯棒性。此外，多輸入多輸出(multiple-input multiple-output, MIMO)技術(shù)采用多個(gè)接收端來(lái)增大接收端有效接收面積，也被認(rèn)為是解決鏈路中斷、降低對(duì)準(zhǔn)難度的有效方案。國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)[81-82]，國(guó)外的伊朗沙里夫理工大學(xué)的相關(guān)課題組[83-85]在理論上對(duì)MIMO系統(tǒng)在不同水類型、收發(fā)器配置等條件下的SNR、BER性能方面做了大量的研究，結(jié)果表明，空間分集可以顯著提高系統(tǒng)性能，特別是在強(qiáng)湍流情況下[85]。

4.4 實(shí)用化

作為一項(xiàng)前沿技術(shù)，UWOC的最終應(yīng)用場(chǎng)景為實(shí)際的海水或湖水中。在 UWOC的研究初期，研究人員一般在實(shí)驗(yàn)室中模擬海水環(huán)境進(jìn)行性能分析，但海試仍然是最終檢測(cè)通信樣機(jī)性能最直接也是最有效的手段。在理論仿真、實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證完成后，有必要進(jìn)行UWOC通信樣機(jī)制作，并經(jīng)過密封/耐壓測(cè)試后在真實(shí)的水域中進(jìn)行穩(wěn)定性與適應(yīng)性的測(cè)試。然而實(shí)地進(jìn)行海試需要耗費(fèi)大量的時(shí)間與財(cái)力，復(fù)雜的環(huán)境也不利于實(shí)驗(yàn)人員快速定位問題所在。先進(jìn)的測(cè)試平臺(tái)可以較好地緩解這一矛盾，如圖7所示的位于浙江大學(xué)海洋學(xué)院的波流水池(70 m×40 m×1.5 m)，可以實(shí)現(xiàn)潮流、潮位、波浪及泥沙等多因子同步耦合模擬。經(jīng)過從實(shí)驗(yàn)室到測(cè)試平臺(tái)的性能檢測(cè)后，再進(jìn)行實(shí)際海試可以大大節(jié)約成本并提升海試質(zhì)量[86-87]。

圖7 測(cè)試波流水池Fig.7 Test basin

在廣闊的海洋中，單個(gè) UWOC通信鏈路的傳輸距離是相當(dāng)有限的。因此，建立水下無(wú)線光網(wǎng)絡(luò)(underwater wireless optical network, UWON)來(lái)實(shí)現(xiàn)水下平臺(tái)間的光互聯(lián)，以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的長(zhǎng)距離多跳傳輸是必要的。目前國(guó)內(nèi)外也已經(jīng)開展了很多 UWON相關(guān)的研究工作[88-92]。此外，由于塑料光纖(plastic optical fiber, POF)具有同海水近似的通信“窗口”與光纖通信近似的魯棒性[93-94]，可以使用POF延長(zhǎng)UWOC的通信距離，在復(fù)雜水下環(huán)境中提高 UWOC的覆蓋率和靈活性。

5 總 結(jié)

UWOC在高速靈活水下通信應(yīng)用上的潛力使得近年來(lái)相關(guān)的研究不斷涌現(xiàn)，傳輸速率和傳輸距離的提升始終對(duì) UWOC系統(tǒng)至關(guān)重要。對(duì)于構(gòu)建整個(gè)UWOC系統(tǒng)來(lái)說，深刻理解水下光學(xué)信道特性是UWOC研究的首要工作，對(duì)于應(yīng)對(duì)水下光傳輸中的挑戰(zhàn)、評(píng)估 UWOC性能也非常必要。對(duì)于水下光學(xué)信道中由吸收、散射帶來(lái)的鏈路損耗，設(shè)計(jì)帶寬性能好、功率強(qiáng)而穩(wěn)定的發(fā)射器，靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的接收器，是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離 UWOC的基本策略。結(jié)合光學(xué)信道特性，設(shè)計(jì)合適的調(diào)制格式可以提高頻譜效率和功率效率，進(jìn)而提高通信速率。而對(duì)于由海水散射帶來(lái)的時(shí)域擴(kuò)展、UWOC系統(tǒng)器件帶寬受限及非線性特性等因素造成的性能失真，則需要編碼、均衡等一系列信號(hào)處理技術(shù)來(lái)優(yōu)化。此外，光復(fù)用技術(shù)對(duì)速率的提升，單光子探測(cè)技術(shù)對(duì)鏈路距離的擴(kuò)展都值得重視。與利用散射的積極效應(yīng)相比，輸入與輸出的合理配置在解決光學(xué)對(duì)準(zhǔn)問題上將發(fā)揮更大的作用，自適應(yīng)光學(xué)也有助于解決這一難題。而利用先進(jìn)的測(cè)試平臺(tái)可以為分析實(shí)際海水中常見的散射、湍流、波浪等問題提供幫助，為 UWOC的實(shí)用化做準(zhǔn)備。在這些基礎(chǔ)上，UWOC與其他通信方式結(jié)合，有助于形成大范圍的海陸空一體化通信網(wǎng)絡(luò)。此外，UWOC潛在的安全性問題和組網(wǎng)問題也值得研究人員足夠的關(guān)注。