水下無(wú)線光通信的最新進(jìn)展與展望

  近日，《Progress in Quantum Electronics》主編Martin Dawson邀請(qǐng)復(fù)旦大學(xué)田朋飛撰寫水下無(wú)線光通信的最新進(jìn)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(guó)際知名review期刊，2020年影響因子為7.19。該綜述論文由復(fù)旦大學(xué)、南京郵電大學(xué)共同完成，復(fù)旦大學(xué)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(shí)，主編Martin Dawson高度評(píng)價(jià)該綜述論文的水平，邀請(qǐng)水下無(wú)線光通信領(lǐng)域?qū)＜野⒉范爬瓏?guó)王科技大學(xué)(KAUST)Ooi對(duì)該綜述撰寫高亮評(píng)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(shè)置評(píng)論(“Commentary” section)以來(lái)的首篇高亮評(píng)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(shù)的研究引起了人們的廣泛重視。此外，水下無(wú)線通信(UWC)在水下航行中起著至關(guān)重要的作用，它也是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，對(duì)UWC技術(shù)的傳輸速率和傳輸距離的要求也越來(lái)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(wú)線光通信(UWOC)?；谒侣暡ㄟM(jìn)行通信的UAC技術(shù)一直被認(rèn)為是進(jìn)行長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顚?shí)用的方式，其傳輸距離可達(dá)幾十公里。然而，由于低載波頻率所限制的低調(diào)制帶寬，使得UAC存在著傳輸速率相對(duì)較低的問(wèn)題，其數(shù)據(jù)速率一般在kbps左右。同時(shí)，由于聲波在水下信道中的傳播速度比無(wú)線電波低數(shù)個(gè)量級(jí)，這導(dǎo)致聲波通信會(huì)存在較大的延遲。

  與UAC相比，射頻通信具有可平滑通過(guò)空氣/水界面、對(duì)水下湍流等干擾因素的耐受性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn);而且射頻信號(hào)由于其水下傳播速度快，同時(shí)具有延遲低的優(yōu)勢(shì)。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(hào)才能在導(dǎo)電的海水中傳播，因?yàn)楦哳l信號(hào)會(huì)有很大的衰減。因此水下射頻通信的調(diào)制帶寬也相對(duì)較低，導(dǎo)致短距離內(nèi)的數(shù)據(jù)速率有限，約為Mbps的量級(jí)。此外，為了補(bǔ)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(shí)具備高速率與長(zhǎng)距離等缺點(diǎn)，研究人員提出了基于水下光信號(hào)進(jìn)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M(fèi)Hz甚至GHz的高調(diào)制帶寬，能夠?qū)崿F(xiàn)超過(guò)Gbps的數(shù)據(jù)速率，同時(shí)傳輸距離可以達(dá)到數(shù)百米。這些高速率、長(zhǎng)距離的優(yōu)勢(shì)將保證許多實(shí)時(shí)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，如已有文獻(xiàn)中報(bào)道的水下實(shí)時(shí)視頻傳輸系統(tǒng)，其平均傳輸速率約為1.5 Gbps，平均傳輸時(shí)延為100 ms。此外，由于大多數(shù)射頻信號(hào)的頻帶已經(jīng)完全授權(quán)給一些運(yùn)營(yíng)商，而UWOC可以利用未被授權(quán)的頻譜，因此被認(rèn)為是可以避免頻譜擁塞的一個(gè)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(diǎn)。三種UWC技術(shù)的比較見表1。

  表1 三種UWC技術(shù)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(jī)和接收機(jī)、調(diào)制方式等角度對(duì)UWOC系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)明扼要的闡述。對(duì)于水下信道，簡(jiǎn)要介紹了水下環(huán)境的特點(diǎn)、常用的水下信道模型以及實(shí)際水下環(huán)境對(duì)UWOC系統(tǒng)性能的影響。對(duì)于系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)方面，總結(jié)了UWOC系統(tǒng)采用的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)技術(shù)的最新進(jìn)展。在調(diào)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(jìn)調(diào)制方式的最新研究進(jìn)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(nèi)容

  1、UWOC信道的理論和實(shí)驗(yàn)研究

  由于水下環(huán)境中的光傳播非常復(fù)雜，因此水下傳輸信道極具挑戰(zhàn)性。光在水生介質(zhì)中傳播會(huì)由于嚴(yán)重的吸收和散射效應(yīng)而衰減。海水多變的環(huán)境也將給UWOC系統(tǒng)帶來(lái)不穩(wěn)定性。 文章對(duì)目前已有的水下信道的建模方法和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)其接下來(lái)的研究方向進(jìn)行了合理推測(cè)。

  文章首先介紹了水的光學(xué)特性，包括不同水質(zhì)的衰減系數(shù)、海洋環(huán)境根據(jù)垂直深度變化導(dǎo)致的水下光學(xué)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(xué)特性后，文章開始對(duì)UWOC的理論研究進(jìn)行了總結(jié)，包括對(duì)UWOC常用的鏈路配置、LOS鏈路以及NLOS鏈路的UWOC模型的研究結(jié)果進(jìn)行了介紹。目前UWOC信道有兩種常用的配置，包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(duì)LOS鏈路的UWOC模型的研究成果總結(jié)中，主要包括兩種對(duì)LOS UWOC鏈路進(jìn)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(jiǎn)單的理論模型，但是它沒有考慮散射回接收器的部分，有時(shí)會(huì)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(jì)算解析解非常困難，通常采用數(shù)值解的方法來(lái)解RTE，包括蒙特卡洛、不變嵌入法、離散縱坐標(biāo)法與隨機(jī)模型。蒙特卡洛建模比較簡(jiǎn)單，但是計(jì)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(biāo)法雖然計(jì)算效率高，但是不變嵌入法只能求解一維RTE，離散縱坐標(biāo)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(zhì)的隨機(jī)模型尚未成熟，缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，需要進(jìn)一步研究。未來(lái)對(duì)理論模型的進(jìn)一步研究將主要集中在提高蒙特卡洛方法的計(jì)算效率，建立和驗(yàn)證具有較低計(jì)算復(fù)雜度的隨機(jī)模型上。并且有必要進(jìn)一步研究各種水下因素對(duì)UWOC性能的影響，并結(jié)合理論建模和分析。

  對(duì)NLOS鏈路的UWOC模型的研究成果總結(jié)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(lái)發(fā)展迅速，但現(xiàn)有的信道模型還不夠成熟精確。因?yàn)楝F(xiàn)有的NLOS模型主要考慮海平面的坡度，卻很少關(guān)注水質(zhì)等特征。此外，準(zhǔn)確模擬海平面的隨機(jī)波動(dòng)仍然是一個(gè)問(wèn)題。此外，考慮到實(shí)際海水環(huán)境與模型之間存在一定的差異，文章還總結(jié)了一些研究人員在實(shí)驗(yàn)室中模擬海洋環(huán)境，以研究水質(zhì)，湍流和其他因素對(duì)通信性能的影響的相關(guān)研究結(jié)果。一些主要實(shí)驗(yàn)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(zhì)下的實(shí)際UWOC系統(tǒng)配置。(圖(a)引用自文獻(xiàn)“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(xiàn)“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(dāng)前對(duì)實(shí)際水下信道通信性能的研究主要是通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室模擬海洋環(huán)境從而進(jìn)行研究。 然而，關(guān)于實(shí)際信道對(duì)UWOC通信性能的影響的研究還不夠充分和可靠。 將來(lái)在真實(shí)的海洋環(huán)境中進(jìn)行準(zhǔn)確而全面的實(shí)驗(yàn)研究是必不可少的。

  2、UWOC系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)方面進(jìn)展

  UWOC作為一種新興的水下通信技術(shù)，近年來(lái)發(fā)展迅速，取得了顯著成績(jī)。對(duì)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(dá)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(dá)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，即發(fā)射機(jī)光功率和接收機(jī)靈敏度直接影響著信號(hào)的傳輸距離，收發(fā)器的調(diào)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行演示，然后逐步應(yīng)用到實(shí)際水下環(huán)境中。一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)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(diào)制器、光放大器和光學(xué)透鏡等組成。接收模塊由放大電路、光學(xué)濾波器、光學(xué)透鏡和光電探測(cè)器等組成。在發(fā)射端，信息源產(chǎn)生的信息經(jīng)過(guò)編碼和調(diào)制處理后，加載到任意信號(hào)發(fā)生器(AWG)上。然后AWG輸出經(jīng)過(guò)調(diào)制的交流電信號(hào)，通過(guò)bias-tee與直流電結(jié)合，驅(qū)動(dòng)光源發(fā)射裝置發(fā)出光載波。調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)發(fā)射透鏡準(zhǔn)直后通過(guò)水箱。水箱內(nèi)裝滿自來(lái)水，用于模擬水下鏈路，實(shí)驗(yàn)中通常利用反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。為了模擬真實(shí)的水下環(huán)境，通常會(huì)在水中加入Maalox和海鹽等作為散射劑。在接收端，光信號(hào)將被接收透鏡聚焦，然后被光電探測(cè)器捕獲。經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)將經(jīng)過(guò)放大器和低通濾波器進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，然后傳送到示波器(OSC)或信號(hào)質(zhì)量分析儀(DSA)進(jìn)行解碼和解調(diào)，從而恢復(fù)到原始信號(hào)，計(jì)算機(jī)或誤碼率模塊將收集原始信息進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖4. 典型的實(shí)驗(yàn)室視線 UWOC系統(tǒng)示意圖

  在設(shè)計(jì)UWOC系統(tǒng)時(shí)必須考慮到幾個(gè)問(wèn)題。首先，由于海水的吸收和散射，光信號(hào)會(huì)受到嚴(yán)重的衰減。所以，應(yīng)根據(jù)水下環(huán)境的渾濁度和所包含物質(zhì)的成分，精心選擇發(fā)射器光源的波長(zhǎng)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(jī)要有足夠的發(fā)射功率，接收機(jī)要有足夠的靈敏度，以保證信號(hào)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(jī)和接收機(jī)的精確對(duì)準(zhǔn)。然而，海水中的湍流往往會(huì)導(dǎo)致鏈路的不匹配，尤其是在淺層深度中。因此，需要發(fā)射機(jī)具有適當(dāng)?shù)陌l(fā)散角或接收機(jī)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(guān)鍵問(wèn)題，所以UWOC系統(tǒng)的器件應(yīng)具有高能效和高帶寬的特點(diǎn)。對(duì)于UWOC系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，發(fā)射和接收設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，在文章中對(duì)發(fā)射器和接收器的改善技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)。

圖5. UWOC系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的研究進(jìn)展總結(jié)，展示了不同光源類型的調(diào)制帶寬、傳輸數(shù)據(jù)速率和距離、覆蓋面積等內(nèi)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(yīng)用環(huán)境，各有優(yōu)勢(shì)。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(zhǎng)距離、高速的UWOC系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。同時(shí)，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(diào)制帶寬等優(yōu)良特性也被應(yīng)用于UWOC系統(tǒng)中。與LED相比，micro-LED因此尺效應(yīng)具有更高的調(diào)制帶寬。而SLD具有高功率、快速響應(yīng)和寬頻譜的特點(diǎn)，它結(jié)合了LED和LD的優(yōu)點(diǎn)。它們都是UWOC發(fā)展中很有前途的選擇。此外，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，還利用了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。注入光鎖定和光反饋技術(shù)有利于提高基于LD的UWOC系統(tǒng)的調(diào)制帶寬。均衡技術(shù)通過(guò)補(bǔ)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(kuò)大器和陣列制造器件都是有效的解決方案。在接收機(jī)方面，詳細(xì)討論了探測(cè)器的類型和特性以及噪聲的分類。常用的探測(cè)器有光電倍增管(PMT)、光電探測(cè)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(cè)器例如單光子雪崩二極管(SPADs)和多像素光子計(jì)數(shù)器(MPPCs)等。其中，PMT和MPPC的靈敏度較高，因而價(jià)格和器件復(fù)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(zhǎng)通信距離的深海UWOC系統(tǒng);而APD和PIN PD則更適合于高速、強(qiáng)光信號(hào)的UWOC系統(tǒng)。在UWOC系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)中，研究高靈敏度、低噪聲的探測(cè)器是主要研究方向，同時(shí)一些具有特殊應(yīng)用功能的探測(cè)器也需要關(guān)注，例如太陽(yáng)能電池板和深紫外光探測(cè)器等。

  3、應(yīng)用于復(fù)雜水下信道的先進(jìn)調(diào)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(fù)雜。為了提高UWOC的性能，除了優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)射和接收設(shè)備外，具有高頻譜效率的調(diào)制技術(shù)也引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的極大興趣和關(guān)注。因此，文章中對(duì)應(yīng)用于UWOC系統(tǒng)中的常用調(diào)制方式進(jìn)行了總結(jié)。OOK(開關(guān)鍵控)、PPM(脈沖位置調(diào)制)和PAM(脈沖幅度調(diào)制)由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，是UWOC中常用的調(diào)制方式。OOK是最簡(jiǎn)單的調(diào)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(diǎn)。與PPM相比，PAM的帶寬效率更高，但會(huì)犧牲其功率效率。此外，復(fù)雜度較高的先進(jìn)調(diào)制方式可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)傳輸容量。OFDM(正交頻分復(fù)用)和DMT(離散多音)等多載波調(diào)制方式可以有效降低碼間干擾和信道衰落。但DMT和OFDM調(diào)制的主要缺點(diǎn)是PAPR(峰值平均功率比)較高，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的非線性失真。與OFDM相比，CAP(無(wú)載波幅度相位)調(diào)制的PAPR較低，但CAP調(diào)制要求收發(fā)器具有IQ分離和整形濾波的功能，因此實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。OAM(軌道角動(dòng)量)調(diào)制作為一種新興的調(diào)制技術(shù)，它利用OAM光束具有螺旋或扭曲結(jié)構(gòu)，具有多個(gè)正交態(tài)數(shù)的特性，通過(guò)空間上的多路復(fù)用，可有效提升UWOC系統(tǒng)的通信容量。但OAM波束本身在復(fù)雜的水下環(huán)境中，容易受到影響。以上這些調(diào)制方式都已經(jīng)在UWOC系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，并取得了令人滿意的性能。新型調(diào)制方式的研究和多路復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用已成為提高UWOC系統(tǒng)信道容量的發(fā)展趨勢(shì)。

圖6. 不同調(diào)制方式原理示意圖: (a) OOK, PPM, PAM; (b) CAP。(圖(b)引用自文獻(xiàn)“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(duì)安全的水下通信中具有潛在的應(yīng)用前景。QKD允許遠(yuǎn)程雙方建立安全密鑰，利用單光子或糾纏光子來(lái)實(shí)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(xué)，因而可以有效避免被俘獲或破解。近年來(lái)，已經(jīng)有許多關(guān)于水下QKD的研究進(jìn)展。上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(shí)了水下量子通信的可行性。單光子量子態(tài)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示，利用具有脈沖模式的激光器產(chǎn)生單光子源，然后利用偏振分光器將單光子編碼在6個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同海水樣本的每個(gè)入射基本初態(tài)的保真度都高達(dá)98%以上。而其他研究團(tuán)隊(duì)也通過(guò)理論或者實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了水下量子通信的可行性。在未來(lái)，從衛(wèi)星到潛水器的遠(yuǎn)距離空海量子通信也有望實(shí)現(xiàn)。

圖7. 單光子量子態(tài)傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。(圖引用自文獻(xiàn)“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(jīng)取得了很大進(jìn)展，但水下環(huán)境的復(fù)雜性仍然給UWOC帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。

  (1)實(shí)現(xiàn)可靠的遠(yuǎn)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(hào)在水下存在嚴(yán)重的吸收和散射。因此，亟需研究大功率、藍(lán)綠光區(qū)域帶寬高的光源器件;以及高響應(yīng)速度、高靈敏度、低噪聲、和大視場(chǎng)角的光電探測(cè)器，以滿足遠(yuǎn)距離和高速通信的需要。此外，先進(jìn)調(diào)制技術(shù)的改進(jìn)也有望延長(zhǎng)水下鏈路的距離，并提高傳輸速率。

  (2)鏈路對(duì)準(zhǔn)和大范圍覆蓋是決定UWOC系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的兩個(gè)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(dòng)效應(yīng)造成的錯(cuò)位影響。抖動(dòng)是指由于深度變化、海洋湍流、海面隨機(jī)運(yùn)動(dòng)等原因造成的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的隨機(jī)錯(cuò)位，在復(fù)雜的水下環(huán)境中難以避免。如果發(fā)射機(jī)的覆蓋范圍有限，而接收機(jī)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(shí)際水下環(huán)境中采用非視線鏈路緩解抖動(dòng)錯(cuò)位影響是非常重要的。此外，開發(fā)智能自適應(yīng)的UWOC收發(fā)器也是未來(lái)水下通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)挑戰(zhàn)。

  (3)發(fā)展具有高功率效率和帶寬效率的先進(jìn)調(diào)制技術(shù)，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(diào)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(jìn)一步提高UWOC的保密性和通信距離。而復(fù)用技術(shù)的利用是提高UWOC系統(tǒng)容量的發(fā)展趨勢(shì)。此外，隨著近年來(lái)深度學(xué)習(xí)的普及，許多研究者利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)優(yōu)化調(diào)制信號(hào)的檢測(cè)、編碼和解調(diào)過(guò)程，有望進(jìn)一步增強(qiáng)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(jìn)行實(shí)際水下實(shí)驗(yàn)也是一個(gè)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(fù)雜性，UWOC系統(tǒng)的實(shí)際實(shí)施難度很大，而這些因素也將強(qiáng)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(jìn)行合理的建模，在真實(shí)海水中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是當(dāng)前需要解決的難點(diǎn)和問(wèn)題。此外，還需要對(duì)垂直鏈路和非視線 UWOC系統(tǒng)進(jìn)行信道建模和實(shí)驗(yàn)。目前，UWOC的研究大多集中在水平鏈路和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(duì)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(jìn)一步設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

  (5)構(gòu)建可靠、節(jié)能的水下混合傳感器網(wǎng)絡(luò)也是一項(xiàng)重要工作。發(fā)展水下通信技術(shù)的最終目標(biāo)是構(gòu)建水下網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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(diǎn)之間的自由通信。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)具有高效節(jié)能、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)的UWOC系統(tǒng)，成功解決遠(yuǎn)距離通信、鏈路對(duì)準(zhǔn)和覆蓋等方面的挑戰(zhàn)，具有重要意義。同時(shí)，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(shí)際應(yīng)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(yīng)用微生物燃料電池、聲學(xué)壓電能量收集器和太陽(yáng)能電池板等等。但是，對(duì)于能量自給型UWOC系統(tǒng)的研究還不夠細(xì)致。由于深海中無(wú)法接收到太陽(yáng)能，而其他能量采集技術(shù)也不夠成熟，設(shè)備電池的可靠性和功耗效率仍是實(shí)現(xiàn)水下長(zhǎng)期運(yùn)行的關(guān)鍵。