水下無線光通信的最新進展與展望

  近日，《Progress in Quantum Electronics》主編Martin Dawson邀請復旦大學田朋飛撰寫水下無線光通信的最新進展與展望 (Recent Progress in and Perspectives of Underwater Wireless Optical Communication, https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2020.100274)，《Progress in Quantum Electronics》為國際知名review期刊，2020年影響因子為7.19。該綜述論文由復旦大學、南京郵電大學共同完成，復旦大學朱世杰、陳新偉、田朋飛為共同第一作者，田朋飛為通訊作者。

  同時，主編Martin Dawson高度評價該綜述論文的水平，邀請水下無線光通信領域專家阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)Ooi對該綜述撰寫高亮評論(https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2020.100275)。主編祝賀了論文作者獲得《Progress in Quantum Electronics》期刊設置評論(“Commentary” section)以來的首篇高亮評論。

  一、背景介紹

  海洋資源的開發(fā)和采集幾乎與水下通信密不可分，水下通信技術的研究引起了人們的廣泛重視。此外，水下無線通信(UWC)在水下航行中起著至關重要的作用，它也是水下傳感器網絡的關鍵技術之一。因此，對UWC技術的傳輸速率和傳輸距離的要求也越來越高。

  傳統(tǒng)的水下通信方式主要包括水下聲波通信(UAC)、水下射頻(RF)通信和水下無線光通信(UWOC)?；谒侣暡ㄟM行通信的UAC技術一直被認為是進行長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顚嵱玫姆绞剑鋫鬏斁嚯x可達幾十公里。然而，由于低載波頻率所限制的低調制帶寬，使得UAC存在著傳輸速率相對較低的問題，其數(shù)據(jù)速率一般在kbps左右。同時，由于聲波在水下信道中的傳播速度比無線電波低數(shù)個量級，這導致聲波通信會存在較大的延遲。

  與UAC相比，射頻通信具有可平滑通過空氣/水界面、對水下湍流等干擾因素的耐受性較強等優(yōu)點;而且射頻信號由于其水下傳播速度快，同時具有延遲低的優(yōu)勢。在UWC中使用的射頻波可以從幾十Hz到GHz，但只有在30～300 Hz的超低頻信號才能在導電的海水中傳播，因為高頻信號會有很大的衰減。因此水下射頻通信的調制帶寬也相對較低，導致短距離內的數(shù)據(jù)速率有限，約為Mbps的量級。此外，為了補償射頻通信中的較高的天線損耗，需要巨大的天線和較高的傳輸功率。

  考慮到水下射頻通信和UAC存在功耗大、延遲高、不能同時具備高速率與長距離等缺點，研究人員提出了基于水下光信號進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢WOC作為一種合適的解決方案。由于UWOC具有數(shù)百MHz甚至GHz的高調制帶寬，能夠實現(xiàn)超過Gbps的數(shù)據(jù)速率，同時傳輸距離可以達到數(shù)百米。這些高速率、長距離的優(yōu)勢將保證許多實時應用的實現(xiàn)，如已有文獻中報道的水下實時視頻傳輸系統(tǒng)，其平均傳輸速率約為1.5 Gbps，平均傳輸時延為100 ms。此外，由于大多數(shù)射頻信號的頻帶已經完全授權給一些運營商，而UWOC可以利用未被授權的頻譜，因此被認為是可以避免頻譜擁塞的一個有效的解決方案。而且UWOC的光收發(fā)器成本低，如發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和光電二極管(PD)等等，與UAC和射頻通信相比，具有低功耗和低成本的特點。三種UWC技術的比較見表1。

  表1 三種UWC技術的比較

  二、文章介紹

  文章從水下通信系統(tǒng)的通信信道、系統(tǒng)發(fā)射機和接收機、調制方式等角度對UWOC系統(tǒng)進行了簡明扼要的闡述。對于水下信道，簡要介紹了水下環(huán)境的特點、常用的水下信道模型以及實際水下環(huán)境對UWOC系統(tǒng)性能的影響。對于系統(tǒng)發(fā)射機和接收機方面，總結了UWOC系統(tǒng)采用的發(fā)射機和接收機技術的最新進展。在調制方式方面，回顧了基于LED和LD的UWOC系統(tǒng)所采用的各種先進調制方式的最新研究進展。在文章的最后，提出了一些UWOC系統(tǒng)的研究方向和亟待解決的挑戰(zhàn)。

  三、主要內容

  1、UWOC信道的理論和實驗研究

  由于水下環(huán)境中的光傳播非常復雜，因此水下傳輸信道極具挑戰(zhàn)性。光在水生介質中傳播會由于嚴重的吸收和散射效應而衰減。海水多變的環(huán)境也將給UWOC系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性。 文章對目前已有的水下信道的建模方法和實驗研究進行了總結，并對其接下來的研究方向進行了合理推測。

  文章首先介紹了水的光學特性，包括不同水質的衰減系數(shù)、海洋環(huán)境根據(jù)垂直深度變化導致的水下光學特性的變化等。海洋中垂直分層環(huán)境的概要示意圖如圖1所示。

圖1. 海洋中垂直分層環(huán)境的示意圖

  在介紹了水的光學特性后，文章開始對UWOC的理論研究進行了總結，包括對UWOC常用的鏈路配置、LOS鏈路以及NLOS鏈路的UWOC模型的研究結果進行了介紹。目前UWOC信道有兩種常用的配置，包括點對點視線(LOS)配置和非視線(NLOS)配置，如圖2所示。

圖2. UWOC鏈路配置：(a)LOS配置，和(b)NLOS配置

  對LOS鏈路的UWOC模型的研究成果總結中，主要包括兩種對LOS UWOC鏈路進行建模的方法，即比爾·朗伯特定律和輻射傳遞方程(RTE)。比爾·朗伯特定律是最簡單的理論模型，但是它沒有考慮散射回接收器的部分，有時會引起偏差。RTE是基于能量守恒得出的，解決RTE的方法有兩種：解析解和數(shù)值解。RTE計算解析解非常困難，通常采用數(shù)值解的方法來解RTE，包括蒙特卡洛、不變嵌入法、離散縱坐標法與隨機模型。蒙特卡洛建模比較簡單，但是計算效率很低，幾乎不能用于理論分析。不變嵌入法和離散縱坐標法雖然計算效率高，但是不變嵌入法只能求解一維RTE，離散縱坐標法難以編程。因此，很少有研究人員在UWOC中使用這兩種方法。而基于光子軌道的概率性質的隨機模型尚未成熟，缺乏實驗驗證，需要進一步研究。未來對理論模型的進一步研究將主要集中在提高蒙特卡洛方法的計算效率，建立和驗證具有較低計算復雜度的隨機模型上。并且有必要進一步研究各種水下因素對UWOC性能的影響，并結合理論建模和分析。

  對NLOS鏈路的UWOC模型的研究成果總結中，主要包括NLOS的提出、發(fā)展以及現(xiàn)狀等。盡管NLOS UWOC模型近年來發(fā)展迅速，但現(xiàn)有的信道模型還不夠成熟精確。因為現(xiàn)有的NLOS模型主要考慮海平面的坡度，卻很少關注水質等特征。此外，準確模擬海平面的隨機波動仍然是一個問題。此外，考慮到實際海水環(huán)境與模型之間存在一定的差異，文章還總結了一些研究人員在實驗室中模擬海洋環(huán)境，以研究水質，湍流和其他因素對通信性能的影響的相關研究結果。一些主要實驗配置如圖3所示。

圖3. 在具有(a)不同的氣泡，溫度和鹽度環(huán)境以及(b)不同水質下的實際UWOC系統(tǒng)配置。(圖(a)引用自文獻“M.V. Jamali, A. Mirani, A. Parsay, B. Abolhassani, P. Nabavi, A. Chizari, P. Khorramshahi, S. Abdollahramezani, J.A. Salehi, Statistical studies of fading in underwater wireless optical channels in the presence of air bubble, temperature, and salinity random variations, IEEE Transactions on Communications 66 (2018) 4706-4723.” 圖(b)引用自文獻“P.F. Tian, H.L. Chen, P.Y. Wang, X.Y. Liu, X.W. Chen, G.F. Zhou, S.L. Zhang, J. Lu, P.J. Qiu, Z.Y. Qian, X.L. Zhou, Z.L. Fang, L.R. Zheng, R. Liu, X.G. Cui, Absorption and scattering effects of Maalox, chlorophyll, and sea salt on a micro-LED-based underwater wireless optical communication [Invited], Chinese Optics Letters 17 (2019) 100010.”)

  當前對實際水下信道通信性能的研究主要是通過在實驗室模擬海洋環(huán)境從而進行研究。 然而，關于實際信道對UWOC通信性能的影響的研究還不夠充分和可靠。 將來在真實的海洋環(huán)境中進行準確而全面的實驗研究是必不可少的。

  2、UWOC系統(tǒng)發(fā)射機和接收機方面進展

  UWOC作為一種新興的水下通信技術，近年來發(fā)展迅速，取得了顯著成績。對于基于LD的UWOC系統(tǒng)，研究表明鏈路速率和通信距離分別可以達到30 Gbps和100 m以上。而基于LED的UWOC系統(tǒng)，研究表明鏈路速率和通信距離分別可以達到20 Gbps和46 m以上?；贚ED和LD的UWOC系統(tǒng)都呈現(xiàn)了相同的實驗結果，即發(fā)射機光功率和接收機靈敏度直接影響著信號的傳輸距離，收發(fā)器的調制帶寬直接限制了UWOC系統(tǒng)的傳輸速率。

  水下通信系統(tǒng)的研究大多是先在實驗室進行演示，然后逐步應用到實際水下環(huán)境中。一個典型的實驗室視線 UWOC系統(tǒng)由三部分組成，如圖4所示，包括發(fā)射單元、水下信道和接收模塊。發(fā)射單元由光源裝置、調制器、光放大器和光學透鏡等組成。接收模塊由放大電路、光學濾波器、光學透鏡和光電探測器等組成。在發(fā)射端，信息源產生的信息經過編碼和調制處理后，加載到任意信號發(fā)生器(AWG)上。然后AWG輸出經過調制的交流電信號，通過bias-tee與直流電結合，驅動光源發(fā)射裝置發(fā)出光載波。調制后的光信號經發(fā)射透鏡準直后通過水箱。水箱內裝滿自來水，用于模擬水下鏈路，實驗中通常利用反射鏡來實現(xiàn)遠距離傳輸。為了模擬真實的水下環(huán)境，通常會在水中加入Maalox和海鹽等作為散射劑。在接收端，光信號將被接收透鏡聚焦，然后被光電探測器捕獲。經光電探測器轉換后的電信號將經過放大器和低通濾波器進行進一步優(yōu)化，然后傳送到示波器(OSC)或信號質量分析儀(DSA)進行解碼和解調，從而恢復到原始信號，計算機或誤碼率模塊將收集原始信息進行進一步分析。

圖4. 典型的實驗室視線 UWOC系統(tǒng)示意圖

  在設計UWOC系統(tǒng)時必須考慮到幾個問題。首先，由于海水的吸收和散射，光信號會受到嚴重的衰減。所以，應根據(jù)水下環(huán)境的渾濁度和所包含物質的成分，精心選擇發(fā)射器光源的波長和類型，以盡量減少衰減。例如，在波羅的海海水中，光衰減最小的波段在520-590nm之間。此外，發(fā)射機要有足夠的發(fā)射功率，接收機要有足夠的靈敏度，以保證信號的接收。其次，為了保證視線鏈路中信息的有效傳輸，需要發(fā)射機和接收機的精確對準。然而，海水中的湍流往往會導致鏈路的不匹配，尤其是在淺層深度中。因此，需要發(fā)射機具有適當?shù)陌l(fā)散角或接收機具有較大的接收面積。第三，帶寬和能耗是影響通信速率和距離的關鍵問題，所以UWOC系統(tǒng)的器件應具有高能效和高帶寬的特點。對于UWOC系統(tǒng)的實際應用來說，發(fā)射和接收設備的優(yōu)化設計是實現(xiàn)遠距離、高速系統(tǒng)的關鍵技術之一。因此，在文章中對發(fā)射器和接收器的改善技術進行了詳細的總結。

圖5. UWOC系統(tǒng)發(fā)射機的研究進展總結，展示了不同光源類型的調制帶寬、傳輸數(shù)據(jù)速率和距離、覆蓋面積等內容。

  在發(fā)射器方面，LD和LED作為最常用的發(fā)射器，根據(jù)不同的應用環(huán)境，各有優(yōu)勢。LED適用于低成本、短距離、中等數(shù)據(jù)速率的UWOC系統(tǒng)。而LD在長距離、高速的UWOC系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。同時，垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)、超輻射發(fā)光二極管(SLD)和micro-LED由于其高調制帶寬等優(yōu)良特性也被應用于UWOC系統(tǒng)中。與LED相比，micro-LED因此尺效應具有更高的調制帶寬。而SLD具有高功率、快速響應和寬頻譜的特點，它結合了LED和LD的優(yōu)點。它們都是UWOC發(fā)展中很有前途的選擇。此外，為了進一步提高系統(tǒng)性能，還利用了多項關鍵技術。注入光鎖定和光反饋技術有利于提高基于LD的UWOC系統(tǒng)的調制帶寬。均衡技術通過補償信道的傳輸特性，能夠有效提高基于LED的UWOC系統(tǒng)容量。在提高系統(tǒng)覆蓋面積方面，光束縮小/擴大器和陣列制造器件都是有效的解決方案。在接收機方面，詳細討論了探測器的類型和特性以及噪聲的分類。常用的探測器有光電倍增管(PMT)、光電探測器包括PIN光電二極管(PIN PDs)和雪崩光電二極管(APDs)、其它單光子檢測器例如單光子雪崩二極管(SPADs)和多像素光子計數(shù)器(MPPCs)等。其中，PMT和MPPC的靈敏度較高，因而價格和器件復雜度也較高，其次是APD、PIN PD。MPPC和PMT更適合于低發(fā)射功率、長通信距離的深海UWOC系統(tǒng);而APD和PIN PD則更適合于高速、強光信號的UWOC系統(tǒng)。在UWOC系統(tǒng)的發(fā)展趨勢中，研究高靈敏度、低噪聲的探測器是主要研究方向，同時一些具有特殊應用功能的探測器也需要關注，例如太陽能電池板和深紫外光探測器等。

  3、應用于復雜水下信道的先進調制方式

  眾所周知，與自由空間光通信相比，水下光通信傳輸通道更加復雜。為了提高UWOC的性能，除了優(yōu)化設計發(fā)射和接收設備外，具有高頻譜效率的調制技術也引起了學術界和產業(yè)界的極大興趣和關注。因此，文章中對應用于UWOC系統(tǒng)中的常用調制方式進行了總結。OOK(開關鍵控)、PPM(脈沖位置調制)和PAM(脈沖幅度調制)由于實現(xiàn)簡單，是UWOC中常用的調制方式。OOK是最簡單的調制方式，但在水下環(huán)境中也最容易受到干擾。PPM的平均功率小于OOK，但PPM存在帶寬效率低的缺點。與PPM相比，PAM的帶寬效率更高，但會犧牲其功率效率。此外，復雜度較高的先進調制方式可以進一步提高系統(tǒng)傳輸容量。OFDM(正交頻分復用)和DMT(離散多音)等多載波調制方式可以有效降低碼間干擾和信道衰落。但DMT和OFDM調制的主要缺點是PAPR(峰值平均功率比)較高，可能會導致信號的非線性失真。與OFDM相比，CAP(無載波幅度相位)調制的PAPR較低，但CAP調制要求收發(fā)器具有IQ分離和整形濾波的功能，因此實現(xiàn)較復雜。OAM(軌道角動量)調制作為一種新興的調制技術，它利用OAM光束具有螺旋或扭曲結構，具有多個正交態(tài)數(shù)的特性，通過空間上的多路復用，可有效提升UWOC系統(tǒng)的通信容量。但OAM波束本身在復雜的水下環(huán)境中，容易受到影響。以上這些調制方式都已經在UWOC系統(tǒng)中得到了應用，并取得了令人滿意的性能。新型調制方式的研究和多路復用技術的應用已成為提高UWOC系統(tǒng)信道容量的發(fā)展趨勢。

圖6. 不同調制方式原理示意圖: (a) OOK, PPM, PAM; (b) CAP。(圖(b)引用自文獻“N. Chi, M. Shi, Advanced modulation formats for underwater visible light communications [Invited], Chinese Optics Letters 16 (2018) 120603.”)

  量子通信是一種新興的通信方式，它也可以作為傳輸安全密鑰的手段。水下量子密鑰分配(QKD)在絕對安全的水下通信中具有潛在的應用前景。QKD允許遠程雙方建立安全密鑰，利用單光子或糾纏光子來實現(xiàn)密鑰分配，其安全性是基于量子態(tài)的基本物理特性，而不是依靠傳統(tǒng)的密碼學，因而可以有效避免被俘獲或破解。近年來，已經有許多關于水下QKD的研究進展。上海交通大學團隊率先證明了光子偏振量子態(tài)和量子糾纏在海水中傳播后可以很好地保有量子特性，證實了水下量子通信的可行性。單光子量子態(tài)傳輸?shù)膶嶒炏到y(tǒng)如圖7所示，利用具有脈沖模式的激光器產生單光子源，然后利用偏振分光器將單光子編碼在6個基本極化初態(tài)上。編碼后的單光子在海水中傳輸后，采用量子態(tài)層析成像法重建輸出態(tài)的密度矩陣。實驗結果表明不同海水樣本的每個入射基本初態(tài)的保真度都高達98%以上。而其他研究團隊也通過理論或者實驗進一步證明了水下量子通信的可行性。在未來，從衛(wèi)星到潛水器的遠距離空海量子通信也有望實現(xiàn)。

圖7. 單光子量子態(tài)傳輸實驗系統(tǒng)示意圖。(圖引用自文獻“L. Ji, J. Gao, A.-L. Yang, Z. Feng, X.-F. Lin, Z.-G. Li, X.-M. Jin, Towards quantum communications in free-space seawater, Optics Express 25 (2017) 19795-19806.”)

  四、展望

  盡管UWOC已經取得了很大進展，但水下環(huán)境的復雜性仍然給UWOC帶來了許多挑戰(zhàn)。

  (1)實現(xiàn)可靠的遠距離高速數(shù)據(jù)傳輸是UWOC系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)之一。通信距離短是制約UWOC發(fā)展的主要障礙之一，其根源在于光信號在水下存在嚴重的吸收和散射。因此，亟需研究大功率、藍綠光區(qū)域帶寬高的光源器件;以及高響應速度、高靈敏度、低噪聲、和大視場角的光電探測器，以滿足遠距離和高速通信的需要。此外，先進調制技術的改進也有望延長水下鏈路的距離，并提高傳輸速率。

  (2)鏈路對準和大范圍覆蓋是決定UWOC系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸質量的兩個重要因素。除了UWOC信道中的障礙物外，傳輸鏈路還容易受到抖動效應造成的錯位影響。抖動是指由于深度變化、海洋湍流、海面隨機運動等原因造成的發(fā)射機和接收機之間的隨機錯位，在復雜的水下環(huán)境中難以避免。如果發(fā)射機的覆蓋范圍有限，而接收機的可接收面積較小，則通信鏈路很容易中斷。因此，開發(fā)覆蓋范圍廣的收發(fā)器，或在實際水下環(huán)境中采用非視線鏈路緩解抖動錯位影響是非常重要的。此外，開發(fā)智能自適應的UWOC收發(fā)器也是未來水下通信網絡的一個挑戰(zhàn)。

  (3)發(fā)展具有高功率效率和帶寬效率的先進調制技術，以提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率、鏈路距離和穩(wěn)定性。新穎的調制方案例如采用OAM等新的維度可以有效提升傳輸帶寬。量子通信的利用可以進一步提高UWOC的保密性和通信距離。而復用技術的利用是提高UWOC系統(tǒng)容量的發(fā)展趨勢。此外，隨著近年來深度學習的普及，許多研究者利用神經網絡來優(yōu)化調制信號的檢測、編碼和解調過程，有望進一步增強UWOC系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性。

  (4)發(fā)展UWOC系統(tǒng)的理論信道模型和進行實際水下實驗也是一個很大的挑戰(zhàn)。由于水下環(huán)境具有高壓、寬溫度范圍、海洋生物繁多、海鹽腐蝕和海洋湍流等復雜性，UWOC系統(tǒng)的實際實施難度很大，而這些因素也將強烈影響UWOC系統(tǒng)的壽命和性能。因此，收集海洋數(shù)據(jù)并進行合理的建模，在真實海水中進行實驗是當前需要解決的難點和問題。此外，還需要對垂直鏈路和非視線 UWOC系統(tǒng)進行信道建模和實驗。目前，UWOC的研究大多集中在水平鏈路和點對點視線鏈路上。垂直鏈路需要考慮折射率隨深度和溫度的變化，以及海洋成分的分層分布，對模型的建立和模擬有更高的要求。而非視線 UWOC系統(tǒng)的信道模型和收發(fā)器還需要進一步設計和優(yōu)化。

  (5)構建可靠、節(jié)能的水下混合傳感器網絡也是一項重要工作。發(fā)展水下通信技術的最終目標是構建水下網絡，實現(xiàn)自主水下航行器(AUV)、遙控潛水器(ROV)和水下傳感器節(jié)點之間的自由通信。因此，設計一個具有高效節(jié)能、高穩(wěn)定性等特點的UWOC系統(tǒng)，成功解決遠距離通信、鏈路對準和覆蓋等方面的挑戰(zhàn)，具有重要意義。同時，能源消耗也是UWOC系統(tǒng)面臨的一大挑戰(zhàn)。由于UWOC系統(tǒng)在實際應用中大多需要由電池供電，因此能效非常重要。此外，發(fā)展能源自給自足的UWOC系統(tǒng)也是一種有前途的方法，例如應用微生物燃料電池、聲學壓電能量收集器和太陽能電池板等等。但是，對于能量自給型UWOC系統(tǒng)的研究還不夠細致。由于深海中無法接收到太陽能，而其他能量采集技術也不夠成熟，設備電池的可靠性和功耗效率仍是實現(xiàn)水下長期運行的關鍵。