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水下激光通信技术研究 富霭琳

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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.
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