水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)研究

趙曉燕

（南京先進激光技術(shù)研究院 江蘇省南京市 210000）

在信息化、大數(shù)據(jù)時代的今天，傳統(tǒng)的水下有線通信、水下電波通信、水下聲波通信因成本高、速率低、體積大、多普勒效應(yīng)顯著[1]、維護困難等一系列問題，已經(jīng)不滿足發(fā)展需求。相反的，水下可見光通信技術(shù)嶄露頭角，發(fā)展勢頭良好。水下可見光通信是一種應(yīng)用于水下的新型無線通信技術(shù)，該技術(shù)是采用高速脈沖調(diào)制解調(diào)方法，以可見光為載體，通過水下傳輸信息的通信方法[1,2]。該技術(shù)與水聲通信、電波通信等傳統(tǒng)的水下通信技術(shù)相比，具有通信速率高、信息容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、帶寬高、保密性好、體積小、功耗低、便于維護的一系列優(yōu)點[3]。

然而，由于水下環(huán)境較大氣環(huán)境具有明顯的特殊性，水下可見光通信面臨著許多有待突破的技術(shù)難點[4,5]。

（1）由于光在水中的衰減較大，且不同水質(zhì)衰減程度不一樣，因此可見光通信面臨著水下通信距離受限和不同水質(zhì)下的環(huán)境適應(yīng)性問題。

（2）光波在水下傳輸易發(fā)生光束擴散和多普勒效應(yīng)，嚴(yán)重降低了光在水下通信的性能。

（3）水下信道復(fù)雜，光鏈路易受波浪、湍流、水中懸浮物、氣泡、浮游生物遮擋等突發(fā)因素的影響，進而使得通信的可靠性和穩(wěn)定性受到影響。

（4）水下或者海下的通信設(shè)備由于難以接觸，維護時需要進行設(shè)備上浮，因此面臨維護難和維護成本高的問題。

基于上述原因，能夠克服復(fù)雜的水下信道環(huán)境，完成穩(wěn)定、可靠、高速的水下可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。

1 水下可見光通信技術(shù)的基本原理

水下可見光通信技術(shù)的基本原理[1]如圖1 所示，分為發(fā)射端、水下信道、接收端和水密空腔殼體四大部分。

發(fā)射端主要涉及編碼技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、光源驅(qū)動電路設(shè)計和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。發(fā)射端需選用抗信道干擾能力強的編碼方式和適合信道特性的高效的調(diào)制算法，對發(fā)送終端發(fā)送的信息進行電調(diào)制，然后經(jīng)過高速驅(qū)動電路來驅(qū)動光源發(fā)光，完成電信號到光信號的轉(zhuǎn)化，再通過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)完成光束準(zhǔn)直，提高光束特性。

水下信道主要涉及水下信道建模技術(shù)。攜帶調(diào)制信息的光信號經(jīng)過水下信道傳輸?shù)倪^程中，需考慮水環(huán)境對光信號的吸收、散射，以及氣泡、湍流等突發(fā)因素對光信號的干擾。健全、科學(xué)的水下信道建模可以充分預(yù)估各種突發(fā)因素的影響，進而指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計，提高系統(tǒng)通信的可靠性。

接收端是發(fā)射端的逆過程，主要涉及接收光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、小信號放大技術(shù)、解調(diào)技術(shù)和解碼技術(shù)。首先接收光學(xué)系統(tǒng)中的光電探測器接收光信號，并將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，其次對電信號進行放大、干擾濾除等一系列預(yù)處理操作，最后對數(shù)據(jù)進行有效的解調(diào)和解碼，解調(diào)和解碼分別是調(diào)制和編碼的逆過程。

水密空腔殼體用于放置發(fā)射端的光、電元器件和接收端的光、電元器件。由于水下尤其深海的特殊性，水密空腔殼體需要充分考慮機械結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的水密、耐壓、耐腐蝕、散射、重量、材料等問題。

綜上所述，水下可見光通信技術(shù)涉及到光、機、電各個領(lǐng)域，各部分獨立模塊的關(guān)鍵技術(shù)突破和各部分模塊間的相互配合是實現(xiàn)可見光通信穩(wěn)定可靠的重要基礎(chǔ)。

2 高通信速率關(guān)鍵技術(shù)

由于光在水中的傳輸速率可以達(dá)到Gbps 的量級，因此通信速率高是可見光通信技術(shù)較聲波等傳統(tǒng)水下通信技術(shù)具備的最明顯的優(yōu)點。實際上，由于關(guān)鍵技術(shù)的不成熟、硬件設(shè)備的制約，水下無線光通信的通信速率一直難以與理論期望值相匹配。硬件響應(yīng)速率、接口吞吐率以及調(diào)制、解調(diào)技術(shù)往往是水下通信系統(tǒng)通信速率的主要制約因素。

圖1：水下可見光通信原理

圖2：軟件仿真流程圖

硬件響應(yīng)速率主要是指通信系統(tǒng)中光學(xué)、電學(xué)設(shè)備對傳輸信息的響應(yīng)速率。為了突破硬件響應(yīng)速率的制約因素，發(fā)射端可采用高速光源驅(qū)動電路和并聯(lián)電流驅(qū)動架構(gòu)，調(diào)制帶寬高達(dá)200MHz；接收端可采用高靈敏度光電探測器PMT，較其他光電探測器具有響應(yīng)速度快的明顯優(yōu)勢。

接口吞吐率主要是指發(fā)送/接收終端與編碼/解碼之間的接口速率。為了突破接口吞吐率的制約因素，可采用千/百兆網(wǎng)口，吞吐率可達(dá)1Gbps/100Mbps，接近線速；對于接口速率要求更高的應(yīng)用場景，還可以采用USB、PCIE 等高速接口。

調(diào)制解調(diào)技術(shù)是水下可見光通信技術(shù)的“軟實力”，是影響通信速率的關(guān)鍵因素之一。為了突破調(diào)制解調(diào)技術(shù)對通信速率的限制，一方面，可以采用基于FPGA 的高速信號處理電路和多路并行處理軟件架構(gòu)技術(shù)來實現(xiàn)，如此，既能充分發(fā)揮FPGA 的優(yōu)勢，又能提高調(diào)制、解調(diào)、編碼、解碼等數(shù)字信號處理環(huán)節(jié)的實時性和處理速度；另一方面，可以選用高效的調(diào)制解調(diào)算法，常用的水下調(diào)制解調(diào)算法有開關(guān)鍵控法（OOK）、脈位調(diào)制法（PPM）、正交頻分復(fù)用法（OFDM）。OFDM 的調(diào)制速率可以達(dá)到Gbps 量級，OOK 和PPM 的調(diào)制速率可以達(dá)到kbps 到Mbps 的量級，調(diào)制速率越高，對應(yīng)的通信距離越短。由于OOK 和PPM 各有優(yōu)缺點，因此還可以采用改進的OOK 和PPM 融合的調(diào)制解調(diào)算法，既能發(fā)揮PPM 功率利用率高的優(yōu)點，又能解決OOK 抗干擾性差的問題。

3 遠(yuǎn)通信距離關(guān)鍵技術(shù)

水環(huán)境對光信號的吸收、散射是影響水下可見光通信技術(shù)通信距離的重要客觀因素，盡管我們無法改變水環(huán)境，但仍然可以在系統(tǒng)設(shè)計階段通過增大光功率、減小水下信道衰減、提高光功率轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵技術(shù)來提高通信距離。

增大光功率的技術(shù)包括發(fā)射端采用高功率、多光源技術(shù)保障發(fā)射端的大功率；還包括接收端采用可探測微弱信號的高靈敏度探測器和小信號放大技術(shù)，降低對接收端最小功率極限的要求。

減小信道衰減的方法可以通過選擇水下衰減最小或最適宜當(dāng)前水質(zhì)的光源波段。由于藍(lán)、綠光波段在海水中衰減最小，因此藍(lán)、綠光是國內(nèi)外目前水下可見光通信技術(shù)中最常采用的。

提高光功率轉(zhuǎn)化效率，可以在發(fā)射端采用光功率高、調(diào)制帶寬高的LD 作為發(fā)射光源，接收端采用小信號放大技術(shù)和抗干擾性強的解調(diào)算法，降低系統(tǒng)對接收端信噪比的要求。

4 高可靠性關(guān)鍵技術(shù)

可靠性是衡量通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)，如果通信系統(tǒng)的可靠性差，將會造成通信信息的誤碼、丟失，甚至造成通信的失敗。湖、海、河等水下環(huán)境較大氣環(huán)境具有特殊的多樣性、復(fù)雜性、突發(fā)性，使得水下可見光通信的可靠性一直都是水下通信系統(tǒng)面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。要提高水下可見光通信的可靠性，一方面要求通信系統(tǒng)具有不同水質(zhì)下的環(huán)境適應(yīng)性，另一方面要求通信系統(tǒng)具有面對海洋生物、湍流、氣泡等突發(fā)環(huán)境的抗干擾能力。由于水下可見光通信系統(tǒng)涉及光、機、電各個領(lǐng)域，因此，系統(tǒng)可靠性也涉及到各領(lǐng)域設(shè)計的可靠性。

光學(xué)系統(tǒng)的可靠性主要考慮光學(xué)元器件選型、光路準(zhǔn)直、光源穩(wěn)定性、鏡片選擇等因素。機械系統(tǒng)的可靠性主要可以通過采用力學(xué)性能穩(wěn)定性分析（如耐高壓）、熱量分布分析等仿真技術(shù)指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計和散熱設(shè)計。電學(xué)系統(tǒng)的可靠性主要考慮軟件設(shè)計和電路設(shè)計兩方面的可靠性因素。電路設(shè)計的可靠性主要考慮電磁兼容、電磁屏蔽，溫漂特性、噪聲特性等。這里著重介紹保障軟件可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。

軟件可靠性需要做到理論與實踐的相結(jié)合，理論主要指設(shè)計前的理論仿真和建模，實踐主要指水下通信的調(diào)試與測試，充分摸底信道特性和系統(tǒng)特性。

設(shè)計前的系統(tǒng)仿真技術(shù)需多維度分析各個影響因素，進而指導(dǎo)設(shè)計階段按最科學(xué)的方法保障可靠性。系統(tǒng)仿真流程如圖2 所示：首先進行健全的系統(tǒng)仿真模型建立，仿真模型包括構(gòu)建發(fā)射端信息源、發(fā)射端、水下信道模型、接收端、接收信息整個鏈路。其中水下信道模型建立尤其重要，需考慮不同水質(zhì)（清澈、渾濁等），不同應(yīng)用水域下（深海、淺海、港口等）的水對光的影響；其次根據(jù)設(shè)計階段需求的通信距離、通信速率、通信角度、誤碼率等參數(shù)推算通信系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，推算的設(shè)計參數(shù)主要包括光源發(fā)散角、接收視場角、接收孔徑等，上述參數(shù)可以進一步指導(dǎo)元器件的選型；與此同時，通過水下信道的建模，設(shè)計師還可以明晰不同水域下的信道信噪比特性，用以標(biāo)定接收端解調(diào)階段的噪聲基底，這對系統(tǒng)具備自適應(yīng)不同水質(zhì)環(huán)境能力具有重要作用，是提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。

設(shè)計后的水下通信系統(tǒng)的調(diào)試與測試環(huán)節(jié)可以實際摸底系統(tǒng)特性和水下信道情況，是設(shè)計前系統(tǒng)仿真環(huán)節(jié)的反驗證。該環(huán)節(jié)需要摸清當(dāng)前水質(zhì)下的噪底特性、通信設(shè)備固有特性以及通信系統(tǒng)所能達(dá)到的最長通信距離、最短通信距離、最大通信開角、自干擾現(xiàn)象，通過實測數(shù)據(jù)進一步修正設(shè)計前的系統(tǒng)仿真。

5 結(jié)束語

本文系統(tǒng)的分析了水下通信技術(shù)的基本原理、主要系統(tǒng)構(gòu)成、重要技術(shù)指標(biāo)以及保障各項重要技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。通過采用上述關(guān)鍵技術(shù)，可實現(xiàn)通信速率范圍1Mbps～100Mbps、通信距離范圍5m～150m 的高速水下可見光通信系統(tǒng)，試驗證明，該系統(tǒng)能抵御氣泡、湍流等各類復(fù)雜干擾，能夠在高光、渾濁等惡劣環(huán)境下有效通信，穩(wěn)定性強、可靠性高。