信道復(fù)用技術(shù)在LED 水下可見光通信中的應(yīng)用

彭嘉馳，郭建中，李燕龍，張亮，周英，艾勇，梁赫西

（1.武漢紡織大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.桂林電子科技大學(xué) 認(rèn)知無線電與信息處理省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；3.武漢六博光電技術(shù)有限責(zé)任公司 光通信設(shè)備研發(fā)部，湖北 武漢 430072；4.湖北師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435002）

引言

隨著6G 時代的到來，其提出的空天海地一體化通信網(wǎng)絡(luò)布局將逐漸形成，對水下無線通信(UWC)技術(shù)的傳輸速率、傳輸距離、通信質(zhì)量等要求也越來越高[1]。

如今的水下通信方式可分為水下聲波通信、水下無線電通信和水下可見光通信[2]。其中聲波通信技術(shù)一直被認(rèn)為是進(jìn)行長距離通信最實(shí)用的方式，其傳輸距離甚至可達(dá)到上百公里[3]；然而由于載波頻率所限其存在著傳輸速率低的問題，僅為kbit/s 左右，所以聲波信號在水下環(huán)境中面臨著嚴(yán)重的傳播延遲問題[4]。水下無線電通信主要以電磁波為載體，通信速率較聲波高出數(shù)個量級，但其在水下環(huán)境中工作時會受到巨大的衰減作用，頻率越高，衰減速度越快，即使工作在低頻段通信距離也只有數(shù)米[5]。而相較于聲波和射頻，可見光在水下環(huán)境中有著高速率、低衰減、遠(yuǎn)距離通信等優(yōu)勢，其速率可達(dá)到Gbit/s，通信距離能到數(shù)百米，是一種新型水下通信技術(shù)，主要應(yīng)用于水下潛航器之間的點(diǎn)對點(diǎn)通信或跨介質(zhì)通信，應(yīng)用場景如圖1 所示。

圖1 UVLC 系統(tǒng)應(yīng)用場景Fig.1 Application scenarios of UVLC system

2017年，敖珺等人設(shè)計(jì)了一個由12 個LED 組成的多孔徑式發(fā)射系統(tǒng)，使用了視頻壓縮編碼技術(shù)，在通信速率為10 Mbit/s，通信距離為10 m 的水下環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了實(shí)時視頻(RVC)數(shù)據(jù)流傳輸[6]。同年，JAMALI M V 等人為了緩解水下湍流信道引起的衰減效應(yīng)，利用空間分集的方法設(shè)計(jì)了一套多信道UVLC 系統(tǒng)，在25 m 的水域中，通信BER為10-9時，其發(fā)射功率能得到大約8 dBm 的增益[7]。2019年，傅玉清等人提出了將多信道設(shè)計(jì)引入到UVLC 系統(tǒng)中，同時分析了不同信道數(shù)量的UVLC系統(tǒng)性能，結(jié)果表明，多信道UVLC 系統(tǒng)能獲得更大的信道容量以及更穩(wěn)定的通信性能[8]。2020年，ARVANITAKIS G N 等人設(shè)計(jì)了一個2×3 的多信道傳輸系統(tǒng)，其通信速率高達(dá)4.92 Gbit/s，且能進(jìn)行通信距離為1.5 m 的穩(wěn)定傳輸[9]。2021年，李金佳等人設(shè)計(jì)了一個發(fā)射端由6 個綠光LED 陣列，接收端由3 個光電倍增管(PMT)陣列組成的多信道UVLC 系統(tǒng)，在室內(nèi)10 m 的水槽環(huán)境下進(jìn)行測試，實(shí)現(xiàn)了速率為1Mbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸[10]。2022年，陳曉等人提出并實(shí)現(xiàn)了一個2×2 的多信道UVLC系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在50 m 長的水池中以233 Mbit/s的速率進(jìn)行穩(wěn)定傳輸[11]。

在UVLC 系統(tǒng)中，發(fā)射端的設(shè)計(jì)以LED 和激光(LD)為主，相較于LD 來說，LED 的發(fā)散特性使得系統(tǒng)在水下環(huán)境中工作時，抗環(huán)境干擾與抗水流擾動能力顯著增強(qiáng)，且能解決光路不易對準(zhǔn)的難題，大大降低了工作人員在水下環(huán)境中的操作難度[12]；但同時帶來的是光受水下環(huán)境衰減效應(yīng)明顯，光功率損耗較大，通信質(zhì)量不佳，并且由于器件帶寬的原因使得LED 的通信速率低于LD。為了提高LED-UVLC 系統(tǒng)的信道容量以及誤碼性能，本文設(shè)計(jì)了一種4×4 的多信道LED-UVLC 系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)的SISO-UVLC 系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，通過理論仿真和水下環(huán)境實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證信道復(fù)用技術(shù)對系統(tǒng)信道容量以及BER 性能增益。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖，整套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)由上位機(jī)發(fā)送，通過以太網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）與FPGA 進(jìn)行交互，F(xiàn)PGA 將接收到的UDP 數(shù)據(jù)包解析出有效數(shù)據(jù)并進(jìn)行寄存，在同步時鐘的作用下通過并串轉(zhuǎn)換將有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4 路比特流信號，發(fā)射端使用不歸零開關(guān)鍵控(NRZ-OOK)調(diào)制的方法將比特流信號加載到藍(lán)綠LED 發(fā)射陣列上。對于接收端，APD 分別將接收到的4 路光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，通過跨阻放大器（TIA）和低壓晶體管-晶體管邏輯（LVTTL）判決將信號進(jìn)行整流并行發(fā)送給FPGA 處理。同時FPGA 將收到的信號進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，通過UDP 協(xié)議發(fā)送給上位機(jī)。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Flow chart of system design

2 水下光信道分析

2.1 海水的光學(xué)特性

光在水下環(huán)境中會受到理化因素的影響導(dǎo)致衰減效應(yīng)，最主要的衰減效應(yīng)為海水對光的吸收和散射效應(yīng)，它們是由環(huán)境中的純水、葉綠素、溶解有機(jī)物、懸浮顆粒物這4 類物質(zhì)的共同作用而構(gòu)成[13]，如圖3 所示。其中純水指海水中水和無機(jī)鹽的混合物，葉綠素為水中綠色藻類物質(zhì)的成分，另外水中的生物在死亡后經(jīng)過長時間的沉淀會被分解為溶解有機(jī)物和大小不同的懸浮顆粒物，它們均會對不同波段的光產(chǎn)生吸收和衰減效應(yīng)[14-15]。

圖3 海水的光學(xué)特性Fig.3 Optical properties of seawater

2.2 光在水下環(huán)境中的衰減

水下環(huán)境的總衰減系數(shù)K(λ)由式(1)給出[16]：

式中A(λ)和B(λ)分別表示水下環(huán)境對光的總吸收系數(shù)和總散射系數(shù)。

式中Ah2o(λ)、Ac(λ)、Acdom(λ)、Asmp(λ)分別對應(yīng)純水、葉綠素、溶解有機(jī)物、懸浮顆粒物對不同波段光的吸收系數(shù)。

式中：Bh2o(λ)、Bc(λ)、Bsmp(λ)分別對應(yīng)純水、葉綠素、懸浮顆粒物對光的散射系數(shù)；Csmp為海水中懸浮顆粒物的濃度。

首先分析光在海水中的吸收效應(yīng)，純水和葉綠素對不同波段光的吸收系數(shù)如圖4 所示。吸收系數(shù)越大意味著它們對光的作用越強(qiáng)，導(dǎo)致光能量吸收損耗的越多。從圖4(a)可以看出，當(dāng)光波段在340 nm～600 nm 之間時，純水對光的吸收效應(yīng)最?。粡膱D4(b)中可以看出，葉綠素對波段在600 nm附近的光源所產(chǎn)生的吸收效應(yīng)最小。

圖4 純水和葉綠素對不同波段光的吸收作用Fig.4 Absorption coefficient of pure water and chlorophyll for different optical wavelengths

溶解有機(jī)物和懸浮顆粒物的吸收系數(shù)由式（4）、式（5）給出[17]：

式中：A(·)表示不同波段 λ的光對應(yīng)的吸收系數(shù)數(shù)值；λ0為標(biāo)準(zhǔn)參考波長；S為光譜曲線斜率。

海水對不同波段光的散射效應(yīng)同樣由上述4 類物質(zhì)的共同作用產(chǎn)生，有研究表明，溶解有機(jī)物對光的散射作用較弱，與信道總衰減的相關(guān)性較低，在此不進(jìn)行深入研究[18]。式(6)～式(8)總結(jié)出了對應(yīng)的系數(shù)公式，他們均與波長呈反比例關(guān)系[19]：

式中：B(·)表示不同波段光λ對應(yīng)的散射系數(shù)數(shù)值；λ0同樣表示為標(biāo)準(zhǔn)參考波長；Cc為海水中葉綠素的濃度，不同的水域其對應(yīng)的濃度也不同；Dsmp表示懸浮顆粒物的直徑。

通過以上理論分析，表1 總結(jié)出部分地域海水的總衰減系數(shù)以及其對應(yīng)的透光波長窗口值。從表1 中可以看出，不同類型的海水對光的總衰減不同，都有其對應(yīng)的透光窗口波長。為使得信源光在傳輸過程中所受到的衰減最小，使得傳輸性能最佳，本文分別選取波長為450 nm 的藍(lán)光和530 nm的綠光作為發(fā)射端的光源。

表1 各類型海水的透光窗口數(shù)值Table 1 Optical transmittance window coefficients of each type of seawater

3 通信性能分析

3.1 光鏈路模型

光鏈路模型決定光在水下信道中傳輸?shù)姆较蛐?，合理的模型結(jié)構(gòu)使得接收端所接收的光功率更大，傳輸距離更遠(yuǎn)[20]。由LED 構(gòu)成的UVLC 系統(tǒng)發(fā)射端呈大范圍扇形結(jié)構(gòu)，接收端則由濾光系統(tǒng)、聚光系統(tǒng)、APD 光電探測陣列構(gòu)成。濾光系統(tǒng)的作用是濾除有效波段以外的光信號，避免干擾。聚光系統(tǒng)使發(fā)射陣列每路信道的光能量通過透鏡成像的原理匯聚為4 個等大且互不重疊的光斑。APD 陣列通過光纖與各信道光斑耦合，將對應(yīng)的光信號轉(zhuǎn)為電信號，送給數(shù)據(jù)處理模塊，具體示意圖如圖5 所示，圖中θ為光束發(fā)散半角，γ為通信鏈路偏角。

圖5 光鏈路模型Fig.5 Optical link model

由總衰減系數(shù)K(λ)和光鏈路模型可表示出接收端光功率Pr的數(shù)學(xué)公式，如式(9)所示：

式中：Pt為系統(tǒng)發(fā)射功率；ηt為發(fā)射端光利用率；ηr為接收端光利用率；Sr為探測器光敏面面積；L為通信距離。在本系統(tǒng)中Pt=5.6 W，θ=0°，γ=3.04°，Sr=16π mm2，ηt=80%，ηr=60%。對衰減系數(shù)K(λ)分別為0.03、0.07、0.12、0.18、0.43 的5 種不同水質(zhì)海水信道進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖6 所示。從圖6 中可以看出，當(dāng)通信距離一定時，衰減系數(shù)越大，接收光功率越小，誤碼率性能和通信質(zhì)量越差。為有效解決衰減系數(shù)過大而導(dǎo)致通信質(zhì)量不佳的問題，本文設(shè)計(jì)了多信道UVLC 系統(tǒng)來增強(qiáng)其抗衰減能力以獲得更優(yōu)的誤碼率性能。

圖6 接收端光功率仿真圖Fig.6 Simulation diagram of receiver optical power

圖7 模擬了近海和港口的水域環(huán)境且當(dāng)總衰減系數(shù)K(λ)=0.43時，發(fā)射端由傳統(tǒng)的單路LED 和4 路LED 構(gòu)成的光功率分布圖。從7(a)中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)為4 路LED 陣列時，傳輸過程中光功率衰減速度緩慢，傳輸末端光功率數(shù)值為2.1 dBm；而當(dāng)發(fā)射端為單路LED時，在總衰減系數(shù)K(λ)不變的條件下，經(jīng)過傳輸后，其末端光功率為0.9 dBm，如圖7(b)所示。從仿真結(jié)果可知，多信道通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能提升光能量的聚集性能，增加環(huán)境內(nèi)有效信號的光束數(shù)量和光覆蓋面積，從而能補(bǔ)償LED 光源發(fā)散特性和水下環(huán)境衰減特性所帶來的損耗，使系統(tǒng)的接收端能收到更大功率的光信號，優(yōu)化系統(tǒng)的通信性能。

圖7 水下環(huán)境內(nèi)不同信道數(shù)量的光功率分布Fig.7 Optical power distribution with different number of channels in underwater environment

3.2 信道容量分析

多信道UVLC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可提升信道容量。由于本系統(tǒng)各個信道狀態(tài)已知，由香農(nóng)公式出發(fā)，信道容量可推演成多個單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)的信道容量之和[21]。根據(jù)總衰減系數(shù)K(λ)計(jì)算出光電探測器陣列接收到的每路光功率Pr的大小，記為信道矩陣H，利用注水算法可求出各個信道的功率最優(yōu)分配比，并計(jì)算出系統(tǒng)的最大互信息量。本系統(tǒng)的空間子信道在水下環(huán)境中相對獨(dú)立、互不干擾，為非頻率選擇衰落信道，且發(fā)送端與接收端天線數(shù)量相等，系統(tǒng)的信道總?cè)萘繛?/p>

式中：r為系統(tǒng)的信道數(shù)量；Es為系統(tǒng)的總發(fā)射能量；Nt為系統(tǒng)發(fā)射端天線數(shù)；N0為信道噪聲功率；λi為信道矩陣H的奇異值分解（SVD）特征值；γi為每路信道上被分配的發(fā)射能量，通過上式可仿真出不同天線數(shù)量通信系統(tǒng)的最大信道容量，仿真結(jié)果如圖8所示。分別對4×4、3×3、2×2以及SISO 的UVLC 系統(tǒng)進(jìn)行容量仿真，從圖8 中可以看出，信道容量大小與信道數(shù)量呈線性關(guān)系，且信噪比（SNR）越大，信道能容納的有效數(shù)據(jù)量越多。

圖8 UVLC 系統(tǒng)的信道容量仿真Fig.8 Channel capacity simulation of UVLC system

4 基于FPGA 的信號處理

4.1 UDP 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

UDP 協(xié)議為本套系統(tǒng)中上位機(jī)與FPGA 的交互方式，該協(xié)議是一種無連接的傳輸層協(xié)議，即不與通信接收方有握手等機(jī)制，故以通信效率高、占用資源少而著稱，常用來傳輸音頻、RVC 數(shù)據(jù)流、普通數(shù)據(jù)文件等[22]。圖9 給出了UDP 協(xié)議的幀格式介紹，與FPGA 的交互主要是解析對方發(fā)送過來的UDP 數(shù)據(jù)包并將數(shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)段進(jìn)行寄存、處理等過程。

圖9 UDP 幀格式Fig.9 UDP frame format diagram

4.2 數(shù)據(jù)處理與時序分析

數(shù)據(jù)處理部分為本設(shè)計(jì)的核心，系統(tǒng)同時擁有誤碼率測試和文件數(shù)據(jù)傳輸功能，圖10 給出了具體的流程圖。上位機(jī)將數(shù)據(jù)包通過UDP 協(xié)議發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA 解析出數(shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)段，并通過插入幀頭來標(biāo)識出該數(shù)據(jù)段。因?yàn)樯衔粰C(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)高于信道速率，故需要提前將有效數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。之后數(shù)據(jù)將進(jìn)行移位分離為4 路信號，分別進(jìn)行8 b/10 b 編碼的處理，其作用是為了防止出現(xiàn)較多的0 和1 使LED 燈出現(xiàn)閃爍的情況，影響LED 發(fā)射端的性能。最后將4 路有效數(shù)據(jù)通過并串轉(zhuǎn)換發(fā)送給數(shù)據(jù)接收部分。接收部分原理類似，可以理解為數(shù)據(jù)發(fā)送的逆過程，主要對檢測到的4 路信號進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換、解碼、檢測幀頭、數(shù)據(jù)移位拼接來完成。若檢測到了幀頭，那么此時FPGA 處于文件傳輸狀態(tài)，F(xiàn)PGA 內(nèi)部會通過UDP 協(xié)議將該數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)。反之，F(xiàn)PGA 處于誤碼測試狀態(tài)時，其傳輸比特流會由文件數(shù)據(jù)流切換為偽隨機(jī)序列碼，系統(tǒng)會根據(jù)檢測到正確的偽隨機(jī)序列碼的個數(shù)分別來計(jì)算出每一路對應(yīng)的BER值，并將BER值返回給上位機(jī)。

圖10 FPGA 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.10 Flow chart of FPGA data processing

5 系統(tǒng)測試

5.1 水下環(huán)境工程測試

圖11 給出了系統(tǒng)在水下環(huán)境中測試的圖片。圖11(a)為通信質(zhì)量測試，測試環(huán)境為長約50 m 的游泳池，將兩套系統(tǒng)置于水下，分別測取接收端在不同通信距離時所對應(yīng)的BER 數(shù)值；圖11(b)為信道容量測試，測試環(huán)境為長約20 m 的自制水池，固定通信距離，全雙工通信，當(dāng)傳輸不同數(shù)據(jù)量大小文件時，記錄兩套設(shè)備所對應(yīng)的通信時間，并計(jì)算出通信速率。

圖11 系統(tǒng)水下環(huán)境測試Fig.11 Underwater environment experiment of system

5.2 信道容量與BER 性能結(jié)果分析

表2 給出了信道容量測試的部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)果，對5 次系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)結(jié)果取平均值。本文所設(shè)計(jì)的4×4 UVLC 系統(tǒng)的速率約為26.7 Mbit/s，對比傳統(tǒng)的SISO-UVLC 系統(tǒng)其通信速率僅為6.7 Mbit/s，因最大互信息量即信道容量提升使得系統(tǒng)的通信速率得到了約4 倍的增益。

圖12 給出了水下測試結(jié)果對比圖。圖12(a)為傳輸多組不同大小數(shù)據(jù)量所得到的折線圖，可以看出兩條曲線的斜率約為4 倍的線性關(guān)系，與上文所仿真的通信容量結(jié)果相仿。圖12(b)為系統(tǒng)BER 測試結(jié)果所繪制的折線圖，可以看出當(dāng)通信距離為20 m 以內(nèi)時，系統(tǒng)的BER 性能差異不明顯，均在10-7以內(nèi)，而當(dāng)通信距離超出這個范圍后，SISO-UVLC 系統(tǒng)的BER 值高于4×4 UVLC 系統(tǒng)2～3 個數(shù)量級。其原因是，當(dāng)通信距離小于20 m時，即使水下環(huán)境對SISO-UVLC 系統(tǒng)的光功率衰減更大，但仍在接收靈敏度范圍以內(nèi)。而當(dāng)通信距離大于20 m時，本文所設(shè)計(jì)的4×4 UVLC 系統(tǒng)的抗衰減能力更強(qiáng)，接收端所得到的光功率更大，故能獲得更優(yōu)的誤碼率性能。

圖12 水下測試結(jié)果對比Fig.12 Comparison of underwater test results

6 結(jié)論

在UVLC 領(lǐng)域中，LED 帶寬的限制使得系統(tǒng)通信速率不如LD，為兼顧LED 的穩(wěn)定性同時突破器件帶寬所限并優(yōu)化通信質(zhì)量，本文提出將多信道復(fù)用技術(shù)應(yīng)用到LED-UVLC 系統(tǒng)中，通過理論仿真以及實(shí)際水下環(huán)境通信測試，對比傳統(tǒng)的SISO-UVLC 系統(tǒng)，所提升的信道容量與復(fù)用信道數(shù)呈正相關(guān)，本文所設(shè)計(jì)的4×4 UVLC 系統(tǒng)其傳輸速率可達(dá)26.7 Mbit/s，該速率遠(yuǎn)大于LED 本身的帶寬。同時，由于多信道傳輸?shù)奶匦?，在水質(zhì)環(huán)境和通信距離相同的條件下，4×4 UVLC 系統(tǒng)能獲得更優(yōu)的誤碼特性。因LD 抗干擾能力差，對光束的方向性要求高，將面臨長遠(yuǎn)距離的對準(zhǔn)問題以及極端環(huán)境干擾的問題。未來，人們?nèi)粝胩剿魃詈；驈?fù)雜海域，LED 的發(fā)展必不可免，本文的研究充分證實(shí)復(fù)用技術(shù)可突破LED 帶寬限制，改善系統(tǒng)信道容量，提升誤碼率性能，該技術(shù)在水下通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。