水下无线光通信的最新进展与展望

来源：两江科技评论

近日，《Progress in Quantum Electronics》主编Martin Dawson邀请复旦大学田朋飞撰写水下无线光通信的最新进展与展望(Recent Progress in and Perspectives of Underwater Wireless Optical Communication,  https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2020.100274)，《Progress in Quantum Electronics》为国际知名review期刊，2020年影响因子为7.19。该综述论文由复旦大学、南京邮电大学共同完成，复旦大学朱世杰、陈新伟、田朋飞为共同第一作者，田朋飞为通讯作者。

同时，主编Martin Dawson高度评价该综述论文的水平，邀请水下无线光通信领域专家阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）Ooi对该综述撰写高亮评论（https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2020.100275）。主编祝贺了论文作者获得《Progress in Quantum Electronics》期刊设置评论区域（"Commentary" p）以来的首篇高亮评论。

海洋资源的开发和采集几乎与水下通信密不可分，水下通信技术的研究引起了人们的广泛重视。此外，水下无线通信（UWC）在水下航行中起着至关重要的作用，它也是水下传感器网络的关键技术之一。因此，对UWC技术的传输速率和传输距离的要求也越来越高。

传统的水下通信方式主要包括水下声波通信（UAC）、水下射频（RF）通信和水下无线光通信（UWOC）。基于水下声波进行通信的UAC技术一直被认为是进行长距离数据传输的最实用的方式，其传输距离可达几十公里。然而，由于低载波频率所限制的低调制带宽，使得UAC存在着传输速率相对较低的问题，其数据速率一般在kbps左右。同时，由于声波在水下信道中的传播速度比无线电波低数个量级，这导致声波通信会存在较大的延迟。

与UAC相比，射频通信具有可平滑通过空气/水界面、对水下湍流等干扰因素的耐受性较强等优点；而且射频信号由于其水下传播速度快，同时具有延迟低的优势。在UWC中使用的射频波可以从几十Hz到GHz，但只有在30～300 Hz的超低频信号才能在导电的海水中传播，因为高频信号会有很大的衰减。因此水下射频通信的调制带宽也相对较低，导致短距离内的数据速率有限，约为Mbps的量级。此外，为了补偿射频通信中的较高的天线损耗，需要巨大的天线和较高的传输功率。

考虑到水下射频通信和UAC存在功耗大、延迟高、不能同时具备高速率与长距离等缺点，研究人员提出了基于水下光信号进行数据传输的UWOC作为一种合适的解决方案。由于UWOC具有数百MHz甚至GHz的高调制带宽，能够实现超过Gbps的数据速率，同时传输距离可以达到数百米。这些高速率、长距离的优势将保证许多实时应用的实现，如已有文献中报道的水下实时视频传输系统，其平均传输速率约为1.5 Gbps，平均传输时延为100 ms。此外，由于大多数射频信号的频带已经完全授权给一些运营商，而UWOC可以利用未被授权的频谱，因此被认为是可以避免频谱拥塞的一个有效的解决方案。而且UWOC的光收发器成本低，如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和光电二极管(PD)等等，与UAC和射频通信相比，具有低功耗和低成本的特点。三种UWC技术的比较见表1。

二、文章介绍

文章从水下通信系统的通信信道、系统发射机和接收机、调制方式等角度对UWOC系统进行了简明扼要的阐述。对于水下信道，简要介绍了水下环境的特点、常用的水下信道模型以及实际水下环境对UWOC系统性能的影响。对于系统发射机和接收机方面，总结了UWOC系统采用的发射机和接收机技术的最新进展。在调制方式方面，回顾了基于LED和LD的UWOC系统所采用的各种先进调制方式的最新研究进展。在文章的最后，提出了一些UWOC系统的研究方向和亟待解决的挑战。

三、主要内容

1、UWOC信道的理论和实验研究

由于水下环境中的光传播非常复杂，因此水下传输信道极具挑战性。光在水生介质中传播会由于严重的吸收和散射效应而衰减。海水多变的环境也将给UWOC系统带来不稳定性。文章对目前已有的水下信道的建模方法和实验研究进行了总结，并对其接下来的研究方向进行了合理推测。

文章首先介绍了水的光学特性，包括不同水质的衰减系数、海洋环境根据垂直深度变化导致的水下光学特性的变化等。海洋中垂直分层环境的概要示意图如图1所示。 

图1. 海洋中垂直分层环境的示意图。

图2. UWOC链路配置：（a）LOS配置，和（b）NLOS配置。