陳 瀟 ，徐 敬，2，*

（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(guān)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）

0 引言

海洋覆蓋了地球?qū)⒔种拿娣e，與人類(lèi)的生存和發(fā)展息息相關(guān)。海洋中蘊(yùn)藏的自然資源要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)陸地，目前還有大量的海洋領(lǐng)域尚未得到開(kāi)發(fā)探索。海洋的發(fā)展關(guān)系到國(guó)家的興衰，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)能夠維護(hù)國(guó)家安全并推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略已經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家發(fā)展的重中之重。

通過(guò)構(gòu)建海洋觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，采用包括衛(wèi)星、自主式水下航行器（AUV）、遙控式水下航行器（ROV）、深海水下載人深潛器、觀(guān)測(cè)浮標(biāo)和海底觀(guān)測(cè)站等多種觀(guān)測(cè)設(shè)備[1]，能夠全方位收集海洋信息?？?天-地-海通信場(chǎng)景如圖 1所示[2]，包含了各種不同類(lèi)型節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸。海面及空中的數(shù)據(jù)傳輸可以通過(guò)衛(wèi)星和飛機(jī)使用射頻（RF）信號(hào)或光信號(hào)實(shí)現(xiàn)全球海面的無(wú)縫覆蓋，而具有高速率、遠(yuǎn)距離、低時(shí)延且可靠性強(qiáng)的水下無(wú)線(xiàn)通信（UWC）技術(shù)則亟待深入的研究和開(kāi)發(fā)。

圖1 空-天-地-海通信場(chǎng)景[2]Fig.1 Space-air-land-sea communication scenarios

目前，水聲通信已經(jīng)發(fā)展成為最為成熟且應(yīng)用最廣的水下無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)[3]，其傳輸距離可以達(dá)到幾十千米，是水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的重要技術(shù)。但其有限的帶寬也將長(zhǎng)距離水聲通信的速率限制在 kbps量級(jí)，多徑效應(yīng)和多普勒頻移等也進(jìn)一步降低了水聲通信系統(tǒng)的性能。由于聲音信號(hào)在水中的傳播速度僅約 1 500 m/s，使得水聲通信無(wú)法應(yīng)用于實(shí)時(shí)的大容量數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景中。射頻通信在地面通信中具有不可替代的作用，且射頻信號(hào)受到海水中的湍流和雜質(zhì)等因素的影響相對(duì)較小[2]。然而，由于海水具有良好的導(dǎo)電性，射頻信號(hào)在海水中受到極大的衰減，頻率越高的信號(hào)受到的衰減越嚴(yán)重，頻率為30～300 Hz的超低頻信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)100多米的傳輸距離，但收發(fā)天線(xiàn)的龐大規(guī)模、收發(fā)機(jī)的高成本和大功耗限制了射頻通信在水下的發(fā)展[4]。水下無(wú)線(xiàn)光通信（UOWC）具有帶寬高、時(shí)延小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、保密性好和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，其通信速率可以達(dá)到幾十Gbps量級(jí)，傳輸距離可以達(dá)到幾十米到數(shù)百米。

盡管有藍(lán)綠透射窗口的存在，海水的吸收和散射帶來(lái)的衰減仍是限制UOWC性能的一個(gè)重要因素，若能夠提高UOWC系統(tǒng)的傳輸距離，將極大地?cái)U(kuò)展其應(yīng)用范圍并增強(qiáng)其競(jìng)爭(zhēng)力。從光電器件等硬件層面上，可以通過(guò)研究具有大功率和小發(fā)散角的激光器以及具有高探測(cè)靈敏度的光電探測(cè)器來(lái)提高UOWC系統(tǒng)的傳輸距離，例如發(fā)射端采用基于激光泵浦的固態(tài)激光器（DPSSL）作為光源，產(chǎn)生大功率且光斑質(zhì)量好的激光信號(hào)[5]，接收端采用具有高靈敏度的多像素光子計(jì)數(shù)器（MPPC）或光電倍增管（PMT）作為探測(cè)器[6]。然而，由于目前適用于UOWC的可見(jiàn)光波段光電器件仍處于發(fā)展階段，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，高性能的器件通常也對(duì)應(yīng)著更高的價(jià)格，會(huì)增加系統(tǒng)的成本。

除了研究先進(jìn)的光電器件外，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)也是提高UOWC系統(tǒng)有效性和可靠性的另一重要途徑[7]。DSP技術(shù)在射頻通信和光纖通信等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，結(jié)合UOWC系統(tǒng)特性，將其應(yīng)用于UOWC中，可以有效提高系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)對(duì)于高性能光電器件的需求。信道編碼技術(shù)通過(guò)添加冗余信息，能夠?qū)崿F(xiàn)糾錯(cuò)，提高接收靈敏度；信道均衡技術(shù)能夠消除信號(hào)受到的碼間干擾，增加通信系統(tǒng)的可用帶寬，提高系統(tǒng)通信速率；使用高階調(diào)制格式也能夠獲得更高的通信速率；采用多輸入多輸出（MIMO）結(jié)構(gòu)，利用分集增益提高系統(tǒng)魯棒性，降低對(duì)準(zhǔn)難度，利用復(fù)用增益增加信道容量，提高通信速率。

隨著水下應(yīng)用中對(duì)于無(wú)線(xiàn)通信的需求不斷增加，給UOWC系統(tǒng)的通信速率和傳輸距離提出了更高的挑戰(zhàn)，提高通信速率和延長(zhǎng)傳輸距離是目前UOWC領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。此外，由于水下環(huán)境中氣泡、湍流和載體抖動(dòng)等因素的存在，會(huì)帶來(lái)光強(qiáng)起伏和光束漂移等問(wèn)題，降低了收發(fā)端間通信鏈路的可靠性，降低收發(fā)端對(duì)準(zhǔn)難度成為了UOWC領(lǐng)域的另一個(gè)研究重點(diǎn)。

1 高速長(zhǎng)距離UOWC系統(tǒng)

提高通信速率和延長(zhǎng)傳輸距離能夠有效擴(kuò)展UOWC的應(yīng)用范圍，是UOWC研究的重要目標(biāo)。激光二極管（LD）相比于LED具有更小的發(fā)散角和更高的調(diào)制帶寬，成為了高速長(zhǎng)距離UOWC系統(tǒng)中常用的光源。針對(duì)高速率長(zhǎng)距離UOWC系統(tǒng)的研究可以大致分為以下 2種方案：研究硬件設(shè)備以實(shí)現(xiàn)更高的調(diào)制帶寬、發(fā)射光功率和探測(cè)靈敏度；采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)從軟件層面提升系統(tǒng)性能。

從硬件上，通過(guò)研究大功率小發(fā)散角的光源和高靈敏度的探測(cè)器，能夠提高系統(tǒng)對(duì)于鏈路損失的容忍度，以延長(zhǎng)UOWC系統(tǒng)的傳輸距離；應(yīng)用高帶寬的光電器件，則能夠增大系統(tǒng)的調(diào)制帶寬，進(jìn)而提高UOWC系統(tǒng)的通信速率。

英國(guó)水下技術(shù)公司Sonardyne研發(fā)了不同應(yīng)用場(chǎng)景下的UOWC產(chǎn)品 BlueComm，基于小發(fā)散角LED陣列和高靈敏PMT的產(chǎn)品能夠在100 m的水下傳輸距離內(nèi)保持20 Mbps的通信速率，而基于大發(fā)散角 LED陣列和硅基光電探測(cè)器的產(chǎn)品則具有較短的傳輸距離和較低的調(diào)制帶寬，但能夠適應(yīng)不同的背景光環(huán)境[8]。2017年，復(fù)旦大學(xué)的 LIU等人設(shè)計(jì)了基于高帶寬的綠光LD和PIN的UOWC系統(tǒng)，獲得了1.4 GHz的3 dB帶寬。應(yīng)用具有更高靈敏度的雪崩光電二極管（APD），使用非歸零（NRZ）開(kāi)關(guān)鍵控（OOK）信號(hào)在34.5 m的傳輸距離下實(shí)現(xiàn)了2.70 Gbps的通信速率。實(shí)驗(yàn)測(cè)得水的衰減系數(shù)為0.44 dB/m，作者通過(guò)幾何衰減理論推導(dǎo)得出該系統(tǒng)在通信速率為 0.15 Gbps和 1 Gbps時(shí)的最大傳輸距離分別可以達(dá)到 90.7 m和62.7 m[9]。KONG等人將660 nm、520 nm和440 nm的紅光、綠光和藍(lán)光激光器組成波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)，三路不同波長(zhǎng)的信號(hào)在10 m水下信道中分別實(shí)現(xiàn)了4.17 Gbps、4.17 Gbps和1.17 Gbps的通信速率，系統(tǒng)的總通信速率達(dá)到了9.51 Gbps[10]。WU等人使用具有高帶寬的藍(lán)光LD和PIN探測(cè)器達(dá)到了1.5 GHz的3 dB帶寬，使用16-QAM OFDM信號(hào)在1.7 m和10.2 m的水下信道中分別實(shí)現(xiàn)了12.4 Gbps和5.6 Gbps的通信速率[11]。浙江大學(xué)的CHEN等人使用了3 dB帶寬為1 GHz的APD用于探測(cè)光信號(hào)，采用32-QAM OFDM信號(hào)在5 m空氣信道和21 m水下信道中達(dá)到了5.5 Gbps的通信速率，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)環(huán)境下跨空水界面的雙工通信系統(tǒng)[12]。2018年，HU等人采用具有高探測(cè)靈敏度的光子計(jì)數(shù)接收器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離 UOWC系統(tǒng)，并通過(guò)PPM和信道編碼技術(shù)進(jìn)一步提高傳輸距離，最高實(shí)現(xiàn)了35.88個(gè)衰減長(zhǎng)度的水下傳輸，且接收性能可達(dá) 3.32比特/光子[13]。2019年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)WANG等人應(yīng)用了NRZ-OOK信號(hào)和非線(xiàn)性均衡器，將光信號(hào)在10 m水槽中反射了9次，在衰減系數(shù)為0.052 m–1的水質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了100 m/500 Mbps的UOWC系統(tǒng)[14]。TSAI等人使用二階注入鎖定將系統(tǒng)3 dB帶寬從1.8 GHz提升到8.4 GHz，并通過(guò)電域均衡技術(shù)將系統(tǒng)3 dB帶寬進(jìn)一步提高到10.8 GHz，使用脈沖幅度調(diào)制（PAM）信號(hào)實(shí)現(xiàn)了30 Gbps的通信速率和12.5 m的傳輸距離[15]。2020年，ZHAO等人采用3×1光纖合束器對(duì)3個(gè)1 W光纖激光器進(jìn)行合束，將總發(fā)射光功率提高至2.4 W，合束效率達(dá)到80%，使用高靈敏的MPPC作為探測(cè)器，在100 m的傳輸距離（24個(gè)衰減長(zhǎng)度）下實(shí)現(xiàn)了8.39 Mbps的通信速率[16]。

相比于光纖中采用的紅外波段的激光器和探測(cè)器，UOWC中采用的可見(jiàn)光波段的器件還不夠成熟，在現(xiàn)有器件的基礎(chǔ)上，信號(hào)處理技術(shù)是進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能的重要途徑。信號(hào)處理技術(shù)在射頻通信和光纖通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在UOWC中也已經(jīng)得到了初步的使用。高速率長(zhǎng)距離UOWC系統(tǒng)中常用的信號(hào)處理技術(shù)包括調(diào)制、信道均衡和信道編碼等技術(shù)，能夠從軟件層面上提高通信速率并延長(zhǎng)傳輸距離。

1.1 調(diào)制技術(shù)

信源產(chǎn)生的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)調(diào)制后才可以用于發(fā)送，UOWC中多采用數(shù)字調(diào)制方式。OOK是最簡(jiǎn)單且常用的調(diào)制格式[17-18]，基于 OOK調(diào)制的UOWC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的非線(xiàn)性效應(yīng)對(duì)OOK調(diào)制的影響相對(duì)較小，信號(hào)解調(diào)時(shí)所需的信噪比較低，常用于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離水下無(wú)線(xiàn)光通信鏈路，但由于其頻譜效率較低，在系統(tǒng)帶寬受限的情況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速通信。PPM也是UOWC系統(tǒng)中常用的調(diào)制格式，將信息調(diào)制在脈沖位置上，在多個(gè)時(shí)隙中僅有1個(gè)時(shí)隙存在脈沖，PPM比OOK具有更高的能量利用率，因此也常用于長(zhǎng)距離UOWC系統(tǒng)中[13,19]。多階PAM信號(hào)相比于OOK信號(hào)具有更高的頻譜效率，可以獲得更高的通信速率，且PAM信號(hào)為實(shí)信號(hào)，可以直接用于UOWC系統(tǒng)中，對(duì)光信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，但PAM信號(hào)更高的電平數(shù)也增大了解調(diào)時(shí)的信噪比需求[15,20]。QAM信號(hào)為復(fù)信號(hào)，可以看作是兩路正交的PAM信號(hào)的疊加，在強(qiáng)度調(diào)制的UOWC系統(tǒng)中需要先對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行上變頻后方可用于調(diào)制光信號(hào)。上變頻可以在硬件或軟件上進(jìn)行，在使用軟件上變頻時(shí)，QAM 又被稱(chēng)為無(wú)載波幅相（CAP）調(diào)制[21-22]。OFDM 技術(shù)采用多個(gè)正交的子載波將高速信號(hào)分解為多路低速數(shù)據(jù)流，通過(guò) Hermitian變換后添加直流偏置即可得到可以直接用于調(diào)制激光器的非負(fù)實(shí)信號(hào)，這種方案稱(chēng)為直流偏置光OFDM（DCO-OFDM）方案。在 OFDM信號(hào)中添加循環(huán)前綴能夠有效對(duì)抗碼間干擾，提高信號(hào)帶寬，將其與高階 QAM 技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的通信速率[23]。星座概率整形技術(shù)通過(guò)改變不同星座點(diǎn)的概率分布以獲取增益，能夠使系統(tǒng)容量趨近于香農(nóng)信道容量，獲得更高的通信速率[24]。幾何整形技術(shù)通過(guò)改變星座點(diǎn)的分布位置來(lái)增大星座點(diǎn)間的最小歐式距離，從而獲得整形增益，幾何整形技術(shù)還能夠?qū)瓜到y(tǒng)中存在的非線(xiàn)性效應(yīng)[25]。綜上可知，低階的調(diào)制格式如OOK和PPM的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，需要更低的接收信噪比，適用于長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)中。但低階調(diào)制格式所帶來(lái)的低頻譜效率問(wèn)題也限制了系統(tǒng)的通信速率，將OFDM與高階調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，則能夠有效提高信號(hào)帶寬，獲得更高的通信速率。在高速率長(zhǎng)距離的 UOWC研究中，需要同時(shí)兼顧系統(tǒng)的帶寬和信噪比，選取合適的調(diào)制格式和調(diào)制階數(shù)，實(shí)現(xiàn)通信速率和傳輸距離的折衷。

1.2 信道均衡技術(shù)

UOWC系統(tǒng)中收發(fā)器件的成熟度和固有特性都可能導(dǎo)致系統(tǒng)的帶寬受限，水下散射和湍流等原因帶來(lái)的多徑效應(yīng)也進(jìn)一步限制了系統(tǒng)帶寬[26]，在有限帶寬條件下，高效的信道均衡技術(shù)是 UOWC系統(tǒng)中提高通信速率和信道容量的重要方法。時(shí)域上最常用的信道均衡方案為基于最小二乘法（LS）或最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則的前饋均衡（FFE）算法，采用有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器來(lái)模擬信道時(shí)域沖激響應(yīng)的逆變換以消除信號(hào)受到的碼間干擾，但 FFE算法會(huì)放大深衰落頻段的噪聲，造成接收信號(hào)的信噪比下降。判決反饋均衡（DFE）算法在 FFE之后添加一個(gè)反饋均衡器，將判決信號(hào)用于反饋以消除碼間干擾，能夠降低 FFE帶來(lái)的噪聲放大問(wèn)題。ZHANG等人在基于 PMT的UOWC系統(tǒng)中應(yīng)用DFE算法進(jìn)行均衡，在通信速率為1 Gbps時(shí)實(shí)現(xiàn)了11.6個(gè)衰減長(zhǎng)度的傳輸[27]。CHEN等人將FFE與DFE級(jí)聯(lián)后與RS編碼進(jìn)行有機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)了56 m的傳輸距離和3.31 Gbps的通信速率[28]。但DFE在噪聲較大的情況下也可能出現(xiàn)誤差傳遞現(xiàn)象，導(dǎo)致連續(xù)的錯(cuò)誤。極大似然序列估計(jì)（MLSE）算法不會(huì)帶來(lái)噪聲放大問(wèn)題，在提高信道容量上具有極大的潛力。GAO等人在系統(tǒng)3 dB帶寬僅為167 MHz的情況下使用MLSE算法實(shí)現(xiàn)了通信速率為1.1 Gbps的OOK傳輸[29]。但由于 MLSE的計(jì)算復(fù)雜度隨著調(diào)制階數(shù)和信道脈沖長(zhǎng)度呈指數(shù)上升，因此 MLSE 更適用于低階調(diào)制信號(hào)中用于消除較短的碼間干擾。針對(duì)光電器件中存在的非線(xiàn)性效應(yīng)。LU等人采用了非線(xiàn)性的Volterra均衡器，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了在高通信速率的情況下非線(xiàn)性均衡器的性能要明顯優(yōu)于線(xiàn)性均衡器[30]。由于Volterra均衡器的計(jì)算復(fù)雜度過(guò)高，F(xiàn)EI等人對(duì)三階Volterra均衡器進(jìn)行了簡(jiǎn)化，能夠在對(duì)抗非線(xiàn)性效應(yīng)的同時(shí)不帶來(lái)過(guò)多的計(jì)算復(fù)雜度提升，實(shí)現(xiàn)了15 m的傳輸距離和7.33 Gbps的通信速率，相比于線(xiàn)性均衡器帶來(lái)了18%的信道容量提升[31]。浙江大學(xué)的 DAI等人提出了一種可變步長(zhǎng)廣義正交匹配跟蹤算法，相比于傳統(tǒng)算法能夠降低68.6%的復(fù)雜度且保持較好的誤碼率性能，在通信速率為500 Mbps的情況下將傳輸距離延長(zhǎng)到了200 m[32]。ZHAO等人提出了一種基于雙分支多層感知機(jī)的后向均衡技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的基于多層感知機(jī)的后向均衡方案，能夠在降低計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)獲得較好的誤碼率性能，將基于單芯 LED的UOWC系統(tǒng)的通信速率提升到了3.2 Gbps[33]。除了在接收端使用的后向均衡以外，也可以在發(fā)射端使用預(yù)均衡技術(shù)對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償[11]，降低后向均衡帶來(lái)的噪聲放大現(xiàn)象，從而提高信噪比并降低誤碼率，ZHUANG等人通過(guò)線(xiàn)性預(yù)均衡技術(shù)使用藍(lán)光LED 實(shí)現(xiàn)了距離10 m速率400 Mbps的水下傳輸[34]，而預(yù)均衡的缺點(diǎn)在于發(fā)射端需要提前預(yù)知信道的傳輸特性，且會(huì)降低接收信號(hào)的信噪比。在長(zhǎng)距離UOWC系統(tǒng)中，由于器件的低帶寬特性和多徑效應(yīng)的影響，高速信號(hào)會(huì)受到嚴(yán)重的碼間干擾，研究高效率且低復(fù)雜度的信道均衡方案是提高系統(tǒng)通信速率的一個(gè)重要途徑。

1.3 信道編碼技術(shù)

香農(nóng)理論給出了噪聲信道的信道容量，采用合適的信道編碼方式即可獲得接近信道容量的通信速率，在光通信中應(yīng)用信道編碼技術(shù)能夠有效降低接收信號(hào)的誤碼率并提高接收靈敏度。2001年，OMAR通過(guò)仿真對(duì)比了 RS（255，239）碼、級(jí)聯(lián)RS碼和分組Turbo碼在水下光纜中的傳輸性能，發(fā)現(xiàn)迭代軟解碼能夠帶來(lái)10 dB的編碼增益[35]；2008年，北卡州立大學(xué)的 COX等人使用碼率接近 1/2的RS（255，129）碼和500 kbps歸零（RZ）OOK信號(hào)在水槽實(shí)驗(yàn)中獲得了8 dB的編碼增益[36]；YU等人和 WANG等人都通過(guò)仿真證明了 RS碼相比于 BCH碼具有更好的性能[37-38]；RAMAVATH通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了BCH （31，11）碼和交織碼在湍流及阻塞環(huán)境中的性能，在誤碼率等于10–3時(shí)，交織BCH碼在湍流和阻塞條件下分別獲得了2.5 dB和3.5 dB的編碼增益[39]；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的WANG等人搭建了基于FPGA的實(shí)時(shí)UOWC系統(tǒng)，對(duì)比了RS碼、卷積碼、級(jí)聯(lián)碼和交織級(jí)聯(lián)碼的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用交織級(jí)聯(lián)碼方案比未編碼情況下提高了6 dB的接收靈敏度，能夠延長(zhǎng)12.5 m的傳輸距離[40]。傳統(tǒng)的信道編碼方案所引入的冗余信息帶來(lái)了信號(hào)帶寬的增加，在帶寬受限的長(zhǎng)距離UOWC系統(tǒng)中會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的碼間干擾，進(jìn)而可能造成系統(tǒng)性能的惡化。因此，需要針對(duì)長(zhǎng)距離UOWC系統(tǒng)的低帶寬特性，研究高效的信道編碼方案，獲得更高的通信速率和傳輸距離。

2 高可靠性UOWC系統(tǒng)

海洋環(huán)境中的氣泡和湍流等導(dǎo)致的光強(qiáng)起伏和光束漂移等現(xiàn)象給收發(fā)端的對(duì)準(zhǔn)帶來(lái)挑戰(zhàn)，造成系統(tǒng)可靠性的下降，對(duì)抗氣泡和湍流并降低對(duì)準(zhǔn)難度成為了UOWC領(lǐng)域的另一個(gè)研究重點(diǎn)。通過(guò)設(shè)計(jì)收發(fā)端的光學(xué)系統(tǒng)，可以從硬件上降低對(duì)準(zhǔn)難度，提高系統(tǒng)的可靠性。

2017年，OUBEI等人測(cè)量了不同大小和密度的氣泡對(duì)通信質(zhì)量的影響，在發(fā)射端對(duì)激光進(jìn)行擴(kuò)束并在接收端采用透鏡進(jìn)行聚焦，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)氣泡直徑大于光束直徑時(shí)，容易造成深衰落或通信中斷，而小氣泡情況下則不容易出現(xiàn)深衰落，通過(guò)發(fā)射端和接收端的擴(kuò)束和聚焦可以引入空間分集來(lái)降低氣泡的影響[41]。2018年，JAMALI等人在實(shí)驗(yàn)室水槽中引入溫鹽梯度和氣泡來(lái)制造不同強(qiáng)度的湍流，采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布、Gamma分布和K分布等多種模型對(duì)接收光強(qiáng)的概率分布進(jìn)行擬合，作者也通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了擴(kuò)束器和聚焦透鏡對(duì)抗湍流的有效性。此外，實(shí)驗(yàn)測(cè)得湍流信道的相關(guān)時(shí)間約為10–3s，意味著上千乃至上百萬(wàn)個(gè)連續(xù)符號(hào)對(duì)應(yīng)著相同的衰減系數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)長(zhǎng)低于信道相關(guān)時(shí)間時(shí)即可將信道視為時(shí)不變信道[42]。VALI等人通過(guò)在光束下方放置帶有小孔的水管往水池中注入熱水來(lái)產(chǎn)生湍流，通過(guò)控制注入熱水的溫度和流速以改變湍流強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳輸距離越長(zhǎng)、溫差越大且熱水流速越高時(shí)，對(duì)應(yīng)接收信號(hào)的閃爍指數(shù)越高，實(shí)驗(yàn)還證明了湍流會(huì)導(dǎo)致平均接收光功率的下降[43]。2019年，HAN等人通過(guò)設(shè)計(jì)自由曲面透鏡并將其應(yīng)用于LED陣列作為UOWC系統(tǒng)的光源，將出射光的發(fā)散角增大至 150°的同時(shí)將其均勻性提高到 90.08%，這一設(shè)計(jì)能夠降低收發(fā)端的對(duì)準(zhǔn)難度并提高通信鏈路的穩(wěn)定性[44]。2021年，TONG等人使用3組LED陣列組成準(zhǔn)全向發(fā)射端，通過(guò)增大光斑的分布范圍，降低了收發(fā)端的對(duì)準(zhǔn)難度，在通信速率為29.85 Mbps時(shí)實(shí)現(xiàn)了40 m范圍的準(zhǔn)全向通信，為水下移動(dòng)通信提出了一種新的解決方案[45]。2022年，LI等人將藍(lán)光泵浦的522 nm綠光鈣鈦礦量子點(diǎn)作為光源，出射光在各個(gè)方向上近似均勻分布，并將其與碼分多址（CDMA）技術(shù)相結(jié)合，可以為20 m準(zhǔn)全向范圍內(nèi)的4個(gè)用戶(hù)分別提供7.5 Mbps的通信容量[46]。

在UOWC中采用多個(gè)發(fā)射端和接收端同時(shí)進(jìn)行信號(hào)收發(fā)，結(jié)合空時(shí)編碼技術(shù)，能夠利用分集增益抑制氣泡和湍流導(dǎo)致的光強(qiáng)起伏和光束漂移等問(wèn)題，降低系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)難度，提高系統(tǒng)可靠性。

2005年，RAZAVI等人提出使用分集接收降低大氣湍流對(duì)自由空間光通信系統(tǒng)的影響，且通過(guò)仿真證明自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)要優(yōu)于孔徑平均技術(shù)和線(xiàn)性合并技術(shù)[47]。2013年，劉加林等人將低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC） 碼與 MIMO技術(shù)相結(jié)合，并仿真分析了最大比合并（MRC）、等增益合并（EGC）和選擇合并（SC）三種分集合并技術(shù)在弱湍流單輸入多輸出（SIMO）系統(tǒng)中的誤碼性能，仿真證明了MRC的性能最高，而SC的性能最低，且誤碼率隨接收天線(xiàn)數(shù)量的增加而降低[48]。2014年，LIU等人使用蒙特卡洛（MC）方法對(duì)海水的吸收、散射和湍流進(jìn)行仿真，比較了在SIMO系統(tǒng)中SC、EGC和MRC算法的性能，仿真結(jié)果表明在湍流存在的情況下，誤碼率等于10–6時(shí)具有5個(gè)探測(cè)器的SIMO系統(tǒng)相比于單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)最多能夠帶來(lái)15 dB的空間分集增益[49]。2016年，BOUCOUVALAS等人理論推導(dǎo)了在不同收發(fā)參數(shù)下基于等增益合并的分集接收 UOWC系統(tǒng)的性能，并證明了分集接收方案相比于單個(gè)探測(cè)器能夠顯著地提高系統(tǒng)性能[50]。2017年，SONG等人采用LED和10 MHz的PIN組成2×2 MIMO-OFDM系統(tǒng)，對(duì)比重復(fù)編碼（RC）和空時(shí)分組碼（STBC）2種空時(shí)編碼方案，在2 m清水信道中實(shí)現(xiàn)了27 Mbps的凈傳輸速率，且實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)能夠有效降低收發(fā)端的對(duì)準(zhǔn)難度[51]。2018年，WANG等人提出使用具有大發(fā)散角的LED作為光源，并在接收端采用兩個(gè)PIN探測(cè)器以獲得接收分集增益，使用MRC算法在1.2 m的水下傳輸距離下達(dá)到了最高2.175 Gbps的通信速率[52]。2019年，CHEN等人搭建了 2×2 MIMO-UOWC系統(tǒng)，研究了SISO、多輸入單輸出（MISO）、SIMO 和 MIMO結(jié)構(gòu)在不同氣泡尺寸下的性能，利用 MIMO結(jié)構(gòu)帶來(lái)的空間分集增益，將丟包率從34.6%降低至小于1%，極大提高了鏈路的可靠性[53]。CHEN等人搭建了基于RC和STBC的2×2 MIMO結(jié)構(gòu)，并使用大發(fā)散角的LD和大視場(chǎng)角的PMT，在50 m傳輸距離下實(shí)現(xiàn)了233 Mbps的通信速率，且接收端的最大水平偏移量達(dá)到了97.9 cm[54]。

上述UOWC系統(tǒng)引入了空間分集增益，用于對(duì)抗氣泡和湍流的影響并降低對(duì)準(zhǔn)難度，能夠提高系統(tǒng)可靠性。大部分文獻(xiàn)都采用具有大發(fā)散角的LED作為光源，以提高光斑的覆蓋面積，但由于LED的低帶寬特性，使得系統(tǒng)無(wú)法獲得較高的通信速率，且大發(fā)散角也使得系統(tǒng)的傳輸距離相對(duì)較短。保持UOWC系統(tǒng)高可靠性的同時(shí)盡可能提高通信速率和傳輸距離，可使UOWC適用于更加廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，研究高性能的光電器件并設(shè)計(jì)相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高速率長(zhǎng)距離和高可靠性UOWC系統(tǒng)的重要手段。采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)抗通信中引入的碼間干擾、低信噪比和非線(xiàn)性效應(yīng)等問(wèn)題，也能夠有效延長(zhǎng)傳輸距離，提高系統(tǒng)的通信速率和可靠性。此外，將數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與廉價(jià)的光電器件相結(jié)合，能夠獲得低成本且高性能的UOWC系統(tǒng)，在實(shí)際工程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，研制小型化的原理樣機(jī)或產(chǎn)品，并在真實(shí)海域中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，也是UOWC的重要研究方向。