水下无线光通信：高速灵活的通信选择

来源：两江科技评论

研究背景

地球的海洋覆盖率接近71%，海洋储藏着丰富的生物资源、矿产资源。海洋的广阔空间与丰富资源决定了它的科学价值与战略地位，人类也从未停止对海洋的探索。自主式水下潜器（Autonomous underwater vehicle，AUV）的发展帮助人类能够更加深入细致地探测海洋。AUV执行水下作业时，需要与卫星、科考船、海底传感网络等设施设备通信，交换观测结果、作业命令等大量信息。传统的线缆通信限制了AUV工作的灵活性，水下缆线的安装与维护的难度也非常大。无线声波通信在水下已经有了广泛的应用，但水声通信在特定场景无法满足日益增长的通信带宽需求。而射频无线通信方案运用于水下时，在传输距离与通信稳定性方面还面临着一些挑战。

水下无线光通信（Underwater wireless optical communication, UWOC）以带宽高、抗干扰能力强等特点在水下通信中具有广阔的应用前景。然而由于光在水中传输时会受到吸收、散射、湍流、气泡等干扰因素的影响，UWOC还面临诸多考验。随着信道特性研究的深入、光源与探测器的改良以及信号处理技术的发展， UWOC性能得到进一步提升。目前，UWOC的传输距离可以达到百米级，较短距离时通信速率可达到几十Gbps，并且在海洋探索过程中实现了成功应用。在未来，UWOC将成为海陆空一体化通信网络的重要组成部分。

研究亮点

浙江大学海洋学院光通信实验室徐敬教授研究团队在期刊《光电工程》2020年第9期发表了题为“水下无线光通信链路构成与性能优化进展”的综述文章。文章首先展示了UWOC中比较有代表性的一部分研究成果，并总结了这些研究中的关键技术。随后介绍了UWOC链路的基本构成，从发射端、接收端以及信道特性三个方面分析了现有技术与研究进展。文章分别对比了发光二极管（light emitting diode）和激光二极管（laser diode）两类光源以及PIN（positive-intrinsic-negative）二极管、光电二极管、雪崩二极管等多种探测器的特点，并简要介绍了应用在收发端的调制、编码与均衡技术。重点介绍了信道研究中的蒙特卡罗数值仿真方法，强调了湍流研究的重要性。最后，讨论了UWOC性能优化的几个重要研究方向：

一、利用角动量复用、波分复用、正交频分复用等技术提升传输速率。

二、使用高灵敏度的单光子探测器拓展通信链路的覆盖范围。

三、使用有利于对准的收发端配置以及主动对准系统解决链路对准问题。

文章还指出推进UWOC的实用化是该技术发展中重要的一步。

图1 UWOC链路基本框图

图2  激光在不同水体中传播不同距离后接收端能量分布。

(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

相关研究得到了国家重点研发计划资助项目（2016YFC0302403）和中国科学院战略性先导科技专项（A类）（XDA22030208）的支持。

研究团队简介

浙江大学海洋学院光通信实验室徐敬教授及其团队长期进行光学在海洋领域的交叉研究，特别是水下无线光通信与深海观测技术的研究。团队成员包括徐敬教授、张泽君副研究员以及多名博、硕士研究生。团队使用单光子探测器、新型光源、信号处理等技术提升了水下无线光通信覆盖范围与传输速率。徐敬教授在光通信领域权威SCI期刊和国际会议发表论文90 余篇，获授权美国发明专利1项、中国发明专利7项，并主持国家自然科学基金项目等多个科研项目。