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.