水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)分析

葉梓豪

（中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

0 引言

現(xiàn)如今，通信技術(shù)發(fā)展更迭速度極快，水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)一經(jīng)推出在各大行業(yè)內(nèi)得到了廣泛使用，其本身具有通信速率高、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(hù)等特點(diǎn)。在水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)不斷完善的基礎(chǔ)上，通信速率必須要得到保證，以此可以讓通信傳輸運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性也隨之增強(qiáng)。基于水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)展開全新的通信系統(tǒng)建設(shè)是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的必然選擇，能帶來諸多收益[1]。

1 水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn) 分析

水下可見光通信技術(shù)是新一代的移動(dòng)通信技術(shù)，它可以廣泛地應(yīng)用于各種場(chǎng)合，高效率處理海量信息，是一種低能耗、高連接、高可靠、低時(shí)延的通信技術(shù)。就水下可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)而言，其可以才能在短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理，減少傳輸費(fèi)用，提高傳輸?shù)陌踩浴?30 MHz和1800 MHz的無線專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，是近年來最受歡迎的通信設(shè)備，但是目前還不能滿足大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理需求，在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中引入了可見光技術(shù)，可以提供更多的流量，同時(shí)保證低延遲業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，利用水下可見光通信技術(shù)，可以構(gòu)建一個(gè)一體化的通信體系，滿足各種業(yè)務(wù)需求，同時(shí)滿足了許多通信模塊之間的互聯(lián)要求。總體上，采用通信速率技術(shù)，既可以改善水下可見光通信的性能，又可以減少建設(shè)費(fèi)用，為以后的維護(hù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用原理 分析

通信速率技術(shù)是水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的重點(diǎn)內(nèi)容，主要表現(xiàn)為響應(yīng)速率技術(shù)、接口吞吐率技術(shù)和調(diào)制解調(diào)技術(shù)方面。綜合考慮到水下環(huán)境的特殊性，水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)必須要滿足穩(wěn)定性需求?，F(xiàn)階段，水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)主要作為業(yè)務(wù)挑梁存在，用服務(wù)于配電主站，以此從根本上解決了分布式電源并網(wǎng)后出現(xiàn)的配電網(wǎng)不可用問題，同時(shí)確保了通信系統(tǒng)的確定性、差異化特點(diǎn)，讓通信裝置實(shí)現(xiàn)靈活配置。應(yīng)該指出，為了實(shí)現(xiàn)通信速率技術(shù)工作，必須保證界面的速度，同時(shí)，為了滿足這種通信系統(tǒng)的高要求，還可以采用USB、PCIE等高速接口。為了計(jì)算出高精度的數(shù)據(jù)，得到精準(zhǔn)的接口吞吐速率，還需要進(jìn)一步計(jì)算分析發(fā)射、接收終端以及解碼端等方面的數(shù)據(jù)信息。水下可見光通信技術(shù)的發(fā)展，提高了通信的穩(wěn)定性，使其能夠靈活地配置通信速率技術(shù)，為通信系統(tǒng)的建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從通信需求的角度出發(fā)，調(diào)制和解調(diào)技術(shù)是目前最重要的技術(shù)之一，它能夠更好地滿足用戶的需要，提高通信速率，增強(qiáng)數(shù)據(jù)分析能力，特別是在數(shù)字信號(hào)的處理過程中，調(diào)制、解調(diào)、編碼、解碼等工作都會(huì)得到落實(shí)。作為“軟實(shí)力”的水下可見光通信技術(shù)，該技術(shù)的實(shí)施將促進(jìn)智能內(nèi)容的發(fā)展，保證通信系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定，切實(shí)有效地改善通信傳輸用戶的服務(wù)水平，增強(qiáng)通信的供給。以水下可見光通信技術(shù)為例，利用調(diào)制、解調(diào)技術(shù)和接口吞吐率，建立起一套完整的數(shù)據(jù)分析機(jī)制，實(shí)現(xiàn)輸配自動(dòng)化、故障評(píng)估和安全處理自動(dòng)化，在水下可見光通信技術(shù)投入后，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、獲取、傳輸?shù)燃夹g(shù)也會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展，從而開辟出一條更加靈活、高效的“通道”[2]。

3 水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用分析

3.1 遠(yuǎn)距離通信技術(shù)分析

水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)主要作用于遠(yuǎn)距離通信，但相比較其他環(huán)境來看，水下環(huán)境更加特殊，可能會(huì)吸收光信號(hào)，還會(huì)產(chǎn)生散射問題。雖然水環(huán)境并不利于光信號(hào)傳播，但依然可以從通過其他技術(shù)進(jìn)行彌補(bǔ)，以此保證通信效果，強(qiáng)化光信號(hào)的轉(zhuǎn)化效率，減少水下環(huán)境帶來的信道衰減問題，讓光功率得到最大程度提高。想要提高傳輸距離，可以通過采用高功率、多光源技術(shù)來保證，或者可以采用探測(cè)微弱信號(hào)的高靈敏度探測(cè)器和小信號(hào)放大技術(shù)。簡(jiǎn)言之，就是對(duì)發(fā)射端或者接收端進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)整，在這樣的情況下，信道衰減程度也會(huì)得到降低，光功率本身的轉(zhuǎn)化效率也得到提高。從現(xiàn)行的水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的角度出發(fā)，藍(lán)光和綠光目前應(yīng)用范圍較廣，LED光源是目前應(yīng)用頻率最高的一種，因其本身的光功率高、調(diào)制帶寬高等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)階段還需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析。在應(yīng)用LED燈作為發(fā)射光源后，還可以進(jìn)一步落實(shí)小信號(hào)放大技術(shù)和抗干擾性強(qiáng)的解調(diào)算法，以此降低系統(tǒng)對(duì)接收端信噪比的要求，實(shí)現(xiàn)有效通信。從目前來看，可以設(shè)計(jì)出一種基于水聲輔助的水下可見光通信圖像噴泉碼中繼傳輸方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一套完整的傳感通信系統(tǒng)，建立靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的傳感通信系統(tǒng)，強(qiáng)化傳輸性能。而且這種全新的傳輸方案可以減少傳輸壓力，在其中基于水聲輔助反饋的擴(kuò)展窗噴泉碼，可以更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的信道環(huán)境，提供高優(yōu)先級(jí)通信，最為關(guān)鍵的是，這種全新的傳輸模式降低譯碼開銷和冗余，提高吞吐量和通信效率，傳輸效率、傳輸穩(wěn)定性都得到提高，傳輸距離也達(dá)到最大。通過對(duì)水下可見光通信系統(tǒng)的構(gòu)建，努力實(shí)現(xiàn)了短距離高速傳輸，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離穩(wěn)定傳輸，抗干擾能力、傳輸效率也得到了根本上的保證[3]。

3.2 高穩(wěn)定傳輸技術(shù)分析

從通信技術(shù)的角度來講，高穩(wěn)定性、高可靠性是必須要實(shí)現(xiàn)的性能，以此確保通信過程中不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、信息丟失等情況的出現(xiàn)。可靠性、穩(wěn)定性是衡量判斷通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)，如果這一性能無法保證，就很容易導(dǎo)致通信失敗、紊亂。從水下可見光通信技術(shù)的角度出發(fā)，水下環(huán)境較為復(fù)雜，相比較大氣環(huán)境而言，突發(fā)問題更多，對(duì)通信系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性面臨諸多威脅。從目前來看，系統(tǒng)必須要提高自身的抗干擾能力，可以更好地應(yīng)對(duì)水環(huán)境中的突發(fā)情況。光、機(jī)、電是實(shí)現(xiàn)水下可見光通信系統(tǒng)中的核心關(guān)鍵，這幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)是強(qiáng)化設(shè)計(jì)可靠性基礎(chǔ)。光學(xué)系統(tǒng)是水下可見光通信技術(shù)的基礎(chǔ)，元器件的選型、鏡片的選擇等因素都會(huì)影響到穩(wěn)定性。從機(jī)械系統(tǒng)的角度出發(fā)，可以讓水下可見光通信技術(shù)具備良好的力學(xué)性能，在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中，需要加強(qiáng)對(duì)熱量分布分析、散熱設(shè)計(jì)，以此更好地強(qiáng)化設(shè)計(jì)。通信速率技術(shù)則需要對(duì)軟件設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的過程中需要充分考慮到電磁兼容、電磁屏蔽，溫漂特性、噪聲特性等方面內(nèi)容，為通信軟件可靠性奠定基礎(chǔ)。在可靠性設(shè)計(jì)分析中，系統(tǒng)仿真技術(shù)格外關(guān)鍵，也是保證水下可見光通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的主要技術(shù)，因此，需要在設(shè)計(jì)階段建立形成健全完善的仿真模型，對(duì)水下可見光通信系統(tǒng)的整個(gè)鏈路進(jìn)行模擬。在仿真系統(tǒng)中需要對(duì)不同的水下環(huán)境進(jìn)行模擬分析，考慮到不同水質(zhì)、不同水域?qū)νㄐ畔到y(tǒng)的影響，在此基礎(chǔ)上，還需要對(duì)通信距離、通信速率、通信角度、誤碼率等參數(shù)進(jìn)行綜合性計(jì)算，明確具體的參數(shù)指標(biāo)，確定光源發(fā)散角、接收視場(chǎng)角、接收孔徑等數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)完成元器件的選型。值得一提的是，在構(gòu)建仿真模擬系統(tǒng)模型時(shí)，需要對(duì)信道信噪比特性進(jìn)行分析，判斷噪聲情況，強(qiáng)化水下可見光通信系統(tǒng)的可適應(yīng)性，讓其能夠在不同的水質(zhì)、水域環(huán)境中應(yīng)用，切實(shí)提高系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)仿真系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)，可以更好地調(diào)試水下可見光通信系統(tǒng)，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)能夠全面了解通信系統(tǒng)的運(yùn)行情況，了解通信設(shè)備的固有特性，確定通信距離、通信開角、抗干擾能力，完成對(duì)水下可見光通信系統(tǒng)的實(shí)測(cè)，解決系統(tǒng)中存在的問題。以某水下可見光通信單光子系統(tǒng)中選擇了基于實(shí)際FGPA電路板LED指示燈和SPAD接收機(jī)的通信系統(tǒng)，從仿真實(shí)驗(yàn)分析過程中，發(fā)現(xiàn)SPAD接收機(jī)器件可能會(huì)影響到新系統(tǒng)的性能。在這個(gè)過程中運(yùn)用基于死時(shí)間效應(yīng)下的GMLUD算法判斷水下可見光通信系統(tǒng)的信息傳輸效果，根據(jù)實(shí)際的仿真結(jié)果，提出了若干方案，以此強(qiáng)化水下可見光通信系統(tǒng)中的電磁干擾問題。由上可知，仿真模擬測(cè)試是提高水下可見光通信技術(shù)穩(wěn)定性的關(guān)鍵，從目前來看，可以基于標(biāo)準(zhǔn)Poisson模型開展，還可以從混合噪聲模型下的廣義最大似然聯(lián)合檢測(cè)算法及其快速搜索算法進(jìn)行檢測(cè)。在實(shí)際仿真實(shí)驗(yàn)的過程中，還需要對(duì)具體的性能展開分析，建立形成統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，找到高性能的接收機(jī)和低功率的光設(shè)備，全面強(qiáng)化水下可見光通信技術(shù)系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際的仿真數(shù)據(jù)分析和長距離弱光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，最終選擇了發(fā)送光功率較低的LED指示燈，同時(shí)選擇了高靈敏度的SPAD接收機(jī)。根據(jù)理想泊松信道模型檢測(cè)方案，可知在常規(guī)條件下，傳輸速率為100 kbps時(shí)，通信距離超過320 m[4]。在上述配置下，根據(jù)具體的檢測(cè)仿真數(shù)據(jù)來看，傳輸距離為1 244 m，實(shí)時(shí)通信速率1 Mbps，系統(tǒng)誤比特率BER低于10-7的性能，實(shí)時(shí)傳輸語音業(yè)務(wù)和txt文本傳輸業(yè)務(wù)。這種配置在通信系統(tǒng)中也可以得到廣泛應(yīng)用，將其應(yīng)用在水下可見光通信系統(tǒng)中，具有較高的隔離度以及抗電磁干擾特性，同時(shí)也具備一定的信息監(jiān)控能力。

3.3 仿真模擬分析技術(shù)

半實(shí)物仿真技術(shù)在水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)行過程中的應(yīng)用，可以有效地節(jié)約資源，特別是在一些復(fù)雜的水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用分析中，通過模擬關(guān)鍵參數(shù)和性能，進(jìn)一步判斷應(yīng)用效果，為后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)奠定良好基礎(chǔ)。在水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)施過程中，安全通信非常重要，這與水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的最終實(shí)現(xiàn)有關(guān)。采用硬件仿真技術(shù)可以有效地解決這一問題，提高通信質(zhì)量。第一，信息接收和信息處理。對(duì)于水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)而言，其需要接收GPS、傳感器等諸多地面設(shè)備在內(nèi)傳輸過來的圖片、數(shù)據(jù)信息，還需要對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)資源、信息情況進(jìn)行處理。尤其是數(shù)據(jù)信息的處理，涉及大量復(fù)雜的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)參數(shù)，這對(duì)水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的信息接收和信息處理提出了較高的要求，借助云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)處理，配合半實(shí)物仿真技術(shù)這一數(shù)據(jù)處理工作可以得到更進(jìn)一步的發(fā)展，打造出自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)，確保技術(shù)應(yīng)用安全性。第二，水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)過程中的信息感應(yīng)。未來水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)會(huì)朝著集成化、整體化的方向發(fā)展，信息感應(yīng)能力的提高也非常關(guān)鍵。隨著水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)數(shù)量的增加，行業(yè)整體的進(jìn)步，對(duì)水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)本身的處理能力、防御能力都提出了較高的要求，如何確保信息更好地進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的高效運(yùn)行，是現(xiàn)階段的重點(diǎn)任務(wù)之一。在實(shí)際發(fā)展過程中，水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)可以配合半實(shí)物仿真技術(shù)，更高效地完成信息處理，確保水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的整體運(yùn)行情況，更快地完成效應(yīng)，在規(guī)避信息安全危險(xiǎn)上可以發(fā)揮出更好的作用[5]。

4 結(jié)束語

綜上所述，在水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用過程中，需要綜合考慮不同的場(chǎng)景，全面模擬驗(yàn)證具體的傳輸流程和技術(shù)機(jī)制。未來，可以借助半實(shí)物仿真體系，從而更好地落實(shí)水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)中的參數(shù)數(shù)據(jù)指標(biāo)，此外，水下可見光通信關(guān)鍵技術(shù)中的高通信速率關(guān)鍵技術(shù)、遠(yuǎn)距離通信關(guān)鍵技術(shù)、高可靠性關(guān)鍵技術(shù)以及仿真技術(shù)都需要展開進(jìn)一步探討。