水下激光通信技术研究 富霭琳 郭凯 钟育民 北京遥测技术研究所 摘要：为了解决人类社会面临的资源短缺、环境恶化等问题，水下无线通信技术应运而生。本文阐述了国内外水下激光 通信的发展进程，发展现状以及未来需求，同时介绍了水下激光通信的关键技术。 关键词：水下激光通信；通信距离；调制技术 引言 输速率上仍有待提高。 海洋占地面积约为 3.6 亿平方千米，其所拥有的资源越 2 水下激光通信信道 来越成为各国家开发利用的重点。无论是水下传感网络技术 2.1 海水特性 还是水下无人潜航器，甚至包括近些年来的“空天地海”一 海水是一种复杂的物理、化学、生物系统，它含有溶解 [1] 体化通信网络建设 ，对水下通信技术的要求都越来越高。 质、悬浮体、湍流、气泡以及各式各样的活有机体，且不同 现阶段，水下通信系统主要分为有线通信和无线通信。其中， 区域的水体的基本特性差异很大。激光传输过程中，必然会 有线通信技术通常采用电缆或光纤实现通信，缺点在于水下 与这些粒子以及水分子本身相互作用，发生光吸收、光散射， 难以作业、维护困难、建设费用高等，这些问题从根本上影 从而产生和形成激光传输海水效应影响 。水下激光通信中 响了通信的灵活性，不能很好的适应复杂水下通信场景。 信号的传输信道非常复杂，通常采用仿真的方法来模拟不同 [5] 1 水下无线光通信技术发展 类型的海水。海水有两种光学特性：固有光学特性以及表现 1.1 国外发展 光学特性 。其中，表现光学特性由海水本身特性以及辐射 1945 年，E.O.Hulburt 在实验室内初步发现蓝绿光波窗 场分布决定，固有光学特性只由海水本身的特性决定。目前 口。1963 年，美国 S.A.Sullivan 以及 S.Q.Duntley 等人发 实验通常是先分析海水的固有光学特性，即水中物质对光波 [6] [2] 现海水在 0.45 到 0.55μm 的蓝绿波段内存在低损耗窗口 。 的吸收和散射效应，利用水下的辐射传输方程，通过蒙特卡 相对于其他波段，该波段对海水具用极佳的穿透能力、方向 洛模拟方法模拟水下光能量的衰减从而搭建水下激光通信 性好，且具有较低的时延特性，这使得水下一定范围内的测 系统 。 [7] 距、照明、电视、军事目标探测、通信等技术成为可能，被 2.2 湍流 称为“水下窗口”。 湍流效应对通信链路也有很大的影响。由于海水湍流的 美国海军自 1977 年起，共进行了 6 次海上大型蓝绿激 物理性质与自由空间光通信的光学湍流具有相似性，因此一 光对潜艇通信进行实验。这些大型试验证明了蓝绿激光能供 般会将自由空间光学湍流模型直接应用于海水湍流系统中。 保障信息在暴雨、海水浑浊等天气恶劣的环境下进行正常传 输。 而为了减小这种海洋湍流对水下激光通信系统的影响， 常用的方法包括自适应光学补偿等信号处理技术。西安电子 2000 年，美国的伍兹霍尔海洋研究所尝试提出使用 LED 科技大学的研究人员通过仿真实验与实际实验结果中发现， 代替激光作为光源的技术。这种技术对比于传统水声通信的 在弱海洋湍流的情况下，增大调制阶数可以有效地降低误码 优势在于，通信收发器件的成本都十分低廉，且体积很小， 率 ，这也说明合适的调制方式可以改善湍流的影响。 易于实现。 [8] 2.3 水下激光通信系统模型 1.2 国内发展 水下激光通信系统主要由光发射机、光接收机以及信道 相比于国外，国内的水下光通信研究发展起步较晚，但 三个部分组成，如图 1 所示。 近些年也有较大的技术突破。 1998 年，青岛海洋大学的研究人员采用半导体激光器件， 在 3 米的水箱进行了实验，数据传输速率可以通过软件进行 [3] 调整，最大的传输速率为 92kbps 。 2011 年，我国第一颗海洋动力环境检测卫星“海洋二号” 成功发射，并首次进行激光通信链路星的实验。 2019 年，中科院无线电通信团队采用 450nm 的激光器， 通过使用 NRZ-OOK 调制技术和数字非线性均衡技术，实现了 [4] 在 60 米距离下的 2.5Gbps 的传输速率 。 总而言之，经过近些年的发展，国内的研究水平有了长 足的进展，但对比国外一些深入的研究，在传输距离以及传 图 1 水下无线光通信系统模型 整体流程为：信源产生预发送的信息，经过信号处理模 用新的物理模型对海洋环境进行模拟。海水中的散射介质分 块对信息进行编码后，将数字信号转换为光信号，并附加到 布复杂，且不同海域海水的散射介质组成、分布密度也都不 激光载波上，通过海水信道传输到接收端，再经过光电探测 同，这就需要开发不同的模型来分析不同的海水信道模型。 器等器件将光信号还原为电信号，再通过电路对信号进行解 码解调，最终得到原始信号。 （3）信道编码方面，常用的 LDPC 编码对集中错误的 纠错能力较差，可以通过 LDPC 码与其他码组交织来提高性 3 关键技术 能，例如使用随机交织和卷积交织技术进一步减小码字序列 3.1 水下信道编码技术 之间的相关性。 上述介绍了海水特性造成的信号的散射和吸收，会产生 5 结束语 突发错误以及随机错误，导致系统的误码率增大，从而造成 水下无线光通信技术对比于传统的水声通信以及射频 系统通信的不可靠性。为了降低系统的误码率，可以在发端 通信技术，具有大容量、低时延、低损耗、高速率、高可靠 信号添加冗余并提高抗干扰能力，例如 RS 码、低密度奇偶 等优点，为其他水下勘探测试技术提供了技术支持。在实际 校验码（LDPC）码、Turbo 码等 FEC 卷积编码技术。虽然信 应用场景，考虑到海水的水质、湍流等因素对数据传输造成 道编码会导致系统的宽带利用率降低，但可以大大改善系统 的影响，需要在仿真中就将这些因素加入，因此信道模型格 性能。 外复杂。如何选择合适的调制技术与编码技术仍是一个值得 3.2 水下调制技术 深究的问题。 调制技术影响通信系统的性能，并对传输速率起决定性 作用。因此，选择合适的调制技术也是建立水下无线光通信 本文分析了国内外水下无线光通信的发展进程，水下激 光通信的信道特征、关键技术以及未来技术发展趋势。 系统的重要的一环。常用的水下调制技术包括 OOK、PPM、 参考文献： DPPM、DPIM 以及 OFDM 五种。 [1]时永鹏.空天地一体化网络中网关与 SDN 控制器的优 OOK 为振幅调制，使用单极性不归零码；PPM 为脉冲位 化部署[D].西安电子科技大学,2018. 置调制，抗干扰能力较强；DPPM 为差分脉冲位置调制，相比 [2]DUNTLEY S Q. Light in the Sea*[J]. Journal o 于 PPM 技术提高了带宽利用率；DPIM 为脉冲间隔调制，易 f the Optical Society of America, 1963, 53(2):214-2 于实现；OFDM 为多载波调制技术，可实现高速率的信息传输。 33. 一般情况下，OFDM 的传输速率远高于 OOK。 [3]黄晓圣,王汝霖.水睛激光通讯发射接收系统[J].青 表 1 五种调制方式性能比较 调制方式 OOK PPM DPPM 岛海洋大学学报:自然科学版,1998,28(4):651-656. DPIM OFDM [4]Jiemei, Wang, Chunhui, et al. 100 m/500 Mbps underwater optical wireless communication using an 带宽 小 大 中等 中等 最小 信息容量 大 小 中等 中等 最大 设备复杂程度 简单 中等 中等 中等 复杂 [9] 从表 1 中可以看出，OOK 调制 的信道容量大，带宽小， NRZ-OOK modulated 520 nm laser diode.[J]. Optics E xpress, 2019. [5]KAUSHAL H, KADDOUM G. Underwater optical wir 且设备复杂程度最简单，而 OFDM 的特性最好，但复杂程度 eless communication[J]. IEEE Access, 2016, 4: 1518 也最大，因此 OFDM 调制大多应用于实验室，OOK 调制大多应 –1547. 用于实时实验。 4 技术发展趋势 目前对水下激光通信的需求在于：速率高、延时低、容 量大、抗干扰能力强。因此现有的系统仍需要进一步地改进。 （1）频段选择方面，目前甚低频水下通信平均衰减系 数约为 3dB/m，超低频衰减系数达到 0.3dB/m。但衰减系数 [6]Morel A . Optics of Marine Particles and Mar ine Optics[M]. Springer Berlin Heidelberg, 1991. [7]王文朋.水下激光通信系统中信道特性分析[D].中 国海洋大学,2014. [8]Wei W ,Ping W , Tian C , et al. Performance Investigation of Underwater Wireless Optical Commu 可以更小，选择衰减系数更小的新频段，从而可以进行深水 nication System Using M -ary OAMSK Modulation Over 下的激光通信 Oceanic Turbulence[J]. IEEE Photonics Journal, 2017, （2）海水信道方面，现有的仿真主要是基于蒙特卡洛 仿真，且是对纯海水、清澈海水进行研究，因此需要考虑采 9(5):1-15. [9]姚灿.水下光通信 OOK 调制解调系统研究[D].哈尔滨 工业大学,2014.