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水下无线光通信的最新进展与展望

科技工作者之家 09月14日

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)。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。

一、研究背景   

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。

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HzGHz,但只有在30300 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

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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LEDLDUWOC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

1UWOC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。 wt_a42302020916123346_a3f53c.jpg

图1. 海洋中垂直分层环境的示意图。

在介绍了水的光学特性后,文章开始对UWOC的理论研究进行了总结,包括对UWOC常用的链路配置、LOS链路以及NLOS链路的UWOC模型的研究结果进行了介绍。目前UWOC信道有两种常用的配置,包括点对点视线(LOS)配置和非视线(NLOS)配置,如图2所示。 

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图2. UWOC链路配置:(a)LOS配置,和(b)NLOS配置。

通信 UWOC 水下航行

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