面向6G網絡的水下光通信系統*

王林寧，劉鵬展，胡芳仁，王永進**

（1.南京郵電大學Peter Grünberg研究中心，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學電子與光學工程學院、柔性電子（未來技術）學院，江蘇 南京 210003）

0 引言

目前，第五代移動通信（5G）規模商用實現了快速發展，各個國家和機構也逐步開始了第六代移動通信（6G）的研究。6G 網絡整合了陸地、水下、空間和空中網絡[1]，將為人們提供極高的通信速率和信號覆蓋。然而由于這些場景的環境差異巨大，受限于緊張的無線通信頻譜資源，單一的傳統無線通信難以達到全面的高速覆蓋。因此，6G 網絡要實現一體化的網絡需要將各種無線通信方法融合到一起，發揮其各自優勢，才能夠實現全面的高速覆蓋。其中，可見光通信作為一種利用400～800 THz 無需授權頻段的高速通信技術[2]，將在6G網絡中擔任重要的角色。

2014 年度諾貝爾物理學獎授予日本名古屋大學的Isamu Akasaki、Hiroshi Amano 以及美國加州大學圣巴巴拉分校的Nakamura Shuji，以表彰他們在發明高效節能的藍光發光二極管（LED,Light Emitting Diode）方面的貢獻。他們制成了高質量的氮化鎵晶體，并在此基礎上實現了藍光LED 器件。相比于其他光源，高效節能的LED 照明光源將有助于節約地球資源，同時LED 器件具有高的開關響應速度[3-4]。可見光通信是基于LED 器件發展起來的無線光通信技術，利用其輸出光功率和驅動電流的高速響應特性，以可見光作為信息載體，實現無線通信[5-7]。可見光通信技術擁有無需授權的豐富頻譜資源，可有效避免射頻電磁信號泄露等弱點[8]，是6G 通信、物聯網、數據中心、光互連、智慧顯示等領域的關鍵新興技術，在復雜電磁環境及水下等特殊場景具有廣闊的應用前景。基于此，本文從水下光通信（UOWC,Underwater Optical Wireless Communication）的應用需求出發，采用亞波長垂直結構LED 器件實現高出光效率、高調制速率的兼容，設計并實現了一種面向6G 網絡的水下藍光通信系統。

1 UOWC的應用與現狀

1.1 需求來源與應用場景

近年來，人們大規模開發海洋資源，為了完成更嚴峻、更精準的水下作業，對作業的通信需求越來越高，如圖1所示，對于如水下焊接、海洋風電設備維護、無纜水下機器人（AUV,Autonomous Underwater Vehicle）等深海裝備高速信息傳輸的場景需求如何實現通信，這對現如今主流的水下通信技術是極大的考驗。

圖1 水下無線光通信典型應用場景

傳統的水聲通信在水下傳播衰減極低（0.1～4 dB/km），因此它可以覆蓋長達幾十公里的距離。然而，聲波較低的傳播速度（1 500 m/s）、有限的帶寬（kHz）、容易導致多徑效應、傳輸延遲大、設備體積大等特性，都阻礙了它應用于高實時性、帶寬密集型場景。另外，高頻的射頻波雖然可以提供高數據率（Mbps）、高帶寬（MHz），但是由于海水的高導電性（3.5～5 dB/m）在水下會受到極大的衰減，限制了只有數米的傳輸距離[9]。

清澈的海水對藍綠波段（450～570 nm）的可見光吸收損耗極小（0.4 dB/m），同時光波傳輸速度快、通信速率高（Gbps）、延遲低以及擁有THz 級的可用帶寬[10-11]，因此藍綠無線光通信可以解決深海高速通信的瓶頸問題，是海洋裝備關鍵的水下高速、大容量通信技術手段。重要的是，與鋪設的有線光纖不同，水下無線光通信需考慮海水作為信道，大功率的激光器（LD,Laser Diode）不僅因海水湍流難以對準，也更容易對精密光學探測器造成不可逆的飽和損害。相比激光器，LED 發散光束角大、功率小[12]，兼顧照明，更適合應用于水下傳感器數據采集、水下無人潛航器（UUV,Unmanned Underwater Vehicle）等運動平臺間高速信息傳輸，是各國競相研發的高速深海無線通信技術。

1.2 國內外發展現狀

國內外的高校及科研院所從不同的研究角度與目標，對水下無線光通信及其系統進行了很多的研究，如通信系統的編碼與調制方式、水下通信信道的分析與建模、發送接收電路的軟硬件均衡等。國外利用其LED 器件方面的優勢，較早開展基于LED 的水下光通信研究與產業化。2002年，日本Keio 大學Laux A 等分析了懸浮顆粒對水下通信信道的影響，證明了水下光學傳輸特性與水體雜質的高相關性[13]。日本的中川實驗室推出了水下潛水員之間使用的可見光語音通信裝置，通過手持通信設備、防水麥克風與骨傳導揚聲器進行實時交流。2010 年，美國耶魯大學開發了雙工水下可見光通信系統AquaOptical II，該系統最遠可以實現水下50 m、2.28 Mbit/s 的通信速率[14]。2016 年，阿卜杜拉國王科技大學沈超等利用450 nm 激光器與雪崩探測器，在12 m 距離內實現2 Gbps、20 m 距離實現1.5 Gbps 的高速通信[15]。2018 年，意大利圣安娜大學Giulio Cossu 等在拉斯佩齊亞港進行了系統海試，該試驗于高渾濁度的海水中，強烈光照的影響下成功在10 m 的距離內實現了10 Mbit/s 的傳輸[16]。

國內課題組多采用離線處理模型，即發射機采用任意波形發生器，并由示波器顯示、存儲和接收數據，利用Matlab 對數據進行處理，這種實驗模式提供了通信鏈路的可行性與極限分析，但應用于實際的海洋裝備尚有差距。2017 年，復旦大學劉曉燕等提出了基于低功率520 nm 激光器二極管的水下無線光通信系統，通過NRZ-OOK（Non-Return-to-Zero On-OFF Keying）調制方案實現了在34.5 m 的距離內最高為2.7 Gbps 的通信速率[17]。2021 年，復旦大學田朋飛課題組首次利用Micro-LED 作為一體化集成芯片，實現了高性能雙工水下無線光通信以及水下充電綜合應用系統的構建，并采用OOK 調制在2.3 m 的水下信道中實現了最高660 Mbps 的實時通信速率[18]。2022 年，北京郵電大學張家梁等提出了噪聲光環境干擾條件下的水下無線光通信性能理論模型，搭建了基于852 nm 波長的水下無線光通信實驗平臺，并驗證了在正交相移鍵控調制格式下通過使用干涉濾光片可使傳輸鏈路長度延長34.8%，大大增加了光學傳輸鏈路的距離[19]。國內高校與科研院所對水下光通信技術的研究工作大多聚焦在水下信道建模、光通信系統模型理論的研究，研究水平與國外有一定差距。其中，水下無線光通信系統的實時處理模型雖然能即時對信號進行有效處理，更適用于實際的水下環境，但因這類設計通常要求更為復雜的調制、解調硬件結構，故少有商用原型系統。

2 面向6G網絡的UOWC系統

實際6G 應用場景要求無線光通信系統具有更遠傳輸距離、更高傳輸速率，因此高出光效率、高調制帶寬的LED 器件是系統的關鍵痛點。圖2 為UOWC 系統原理框圖，本文融合亞波長藍光LED 陣列、收發光學、大功率高速驅動、高靈敏度探測與數字編碼調制等技術，獲得應用于實際水下場景的藍光通信系統。

圖2 水下光通信系統收發端原理框圖

2.1 亞波長垂直結構LED器件

傳統上，通過減小LED 器件的出光面積提高器件的調制速率，但是減小器件的出光面積將影響通信系統的傳輸距離。面向水下光通信系統對高出光效率、高調制帶寬LED 的迫切需求，本文探索先進微納制造技術，基于器件厚度小于其發光波長的亞波長理想LED 模型，研制垂直結構藍光LED 器件，通過減薄器件厚度、不減小器件出光面積來提高器件的調制速率和出光效率，用于水下藍光通信系統。如圖3 所示，亞波長垂直結構LED器件厚度小于其發光波長，能抑制器件內部波導模式提高器件出光效率，降低RC 時間常數提高調制帶寬，減小發射陣列單元之間的光串擾，是遠距離、高速水下光通信系統的關鍵器件。

圖3 亞波長垂直結構LED器件示意圖

基于硅襯底氮化鎵晶圓，筆者制備了垂直結構藍光LED 器件。如圖4（a）所示，器件長為990 μm、寬為430 μm；LED 器件的橫斷面掃描電子顯微鏡圖如圖4（b）所示，器件的厚度約為1.27 μm。

圖4 垂直結構LED的形貌圖（a）和器件橫斷面圖（b）

器件的I-V 特性采用Keithley 2636B 數字源表進行表征。如圖5 所示，當注入電流為0.52 A 時測得的電壓為3 V，可從線性區域的I-V 曲線斜率中提取出5.77 Ω的動態電阻。其中，插圖為器件注入電流0.52 A 時的發光圖。

圖5 垂直結構LED的I-V曲線圖

使用Keithley 2636B 數字源表作為直流電源為LED提供恒定電流驅動，采用直徑200 μm 的多模光纖收集LED 發射光，通過USB4000 海洋光譜分析儀進行表征。如圖6 所示，器件發光光譜的主峰在447 nm，發光強度隨注入電流增加而增強。通過改變注入電流調控LED 器件的發光強度，從而實現信號的光加載。

圖6 垂直結構LED的電致發光譜

本文采用T 型偏置器為LED 提供信號與直流偏置，測試其3 dB 帶寬。信號由Agilent Technologies PNA-LN5203C網絡分析儀經由放大器與衰減器發出，與PIN型光電二極管、放大器、衰減器流向網絡分析儀構成的接收回路。如圖7所示，本文器件的3 dB 帶寬為13.6 MHz，此時信號幅度下降為峰值的0.707 倍。其中，插圖展示了器件在最佳工作點時采用16QAM 調制誤碼率千分之三的星座圖，最高通信速率為375 Mbit/s。

圖7 器件的3 dB帶寬與16QAM調制星座圖

本文采用垂直結構LED 器件建立了光通信系統。系統發射端由Keysight 333600A 任意波形發生器以1 V 的峰值電壓和3 V 的偏置電壓驅動器件將偽隨機二進制序列（PRBS,Pseudo-Random Binary Sequence）信號編碼為光信號。另一端，采用Hamamatsu C12702-11 探測器將光信號轉換成電信號，發送到Keysight DSOS604A 數字存儲示波器。圖8 為數據通信速率為60 Mbps 時的眼圖，眼寬即“眼睛”空白部分在橫軸的長度約為10 ns，說明信號總體較穩定但伴隨一定的時域抖動。器件在高頻的最佳抽樣時刻為“眼睛”睜開最大的時刻，系統應用可以選取幅度達到最大幅度的80% 以上或最小幅度時間內進行電平信息采樣。

圖8 垂直結構LED的60 Mbps通信眼圖

2.2 大功率發射驅動電路

在有限的帶寬內提高調制速率，是大功率LED 陣列驅動和脈沖整形技術要解決的關鍵問題。圖9 為本文發射電路的原理框圖，發射端主要分為信號驅動電路與LED恒壓恒流供電電路。

圖9 大功率發射驅動電路框圖

信號驅動電路的輸入為雙極性信號，采用前級功率放大電路對信號源進行放大，提高信號負載能力。MOSFET驅動電路利用信號控制柵極實現對LED 陣列的調制。發射端驅動電源采用4MOS 穩壓保護電路，單片機（MCU,Microcontroller Unit）通過對源極精密電阻Rref 進行電壓采樣，求取流經LED 的電流平均值并與設定的電流容限比較，再輸出控制信號反饋至電源芯片來保證LED 陣列長時間的恒壓恒流供電。

2.3 高靈敏度自適應探測電路

不同海況的內部湍流、紊流現象大相徑庭，無線通信系統在實際水下運用時難以保證無偏轉角度，因此本文引入信道角度偏轉模型如圖10 所示。系統光電傳感器前采用菲涅爾透鏡組，使其在一定偏轉角度范圍內都能探測到光信號，這需要精確的光學焦點建模以及接收光功率與閉環增益控制數值的訓練。

圖10 水下信道的光學接收模型

系統的接收端由光電轉換電路、放大濾波電路、模數轉換電路三部分構成。本文采用雪崩光電二極管（APD,Avalanche Photodiode）作為探測器，高壓供電的APD與跨阻放大器將光信號轉換成電信號，通過高通濾波與后級放大器將低頻環境光噪聲濾除，最后信號通過模數轉換電路如比較器等進行判決輸出。

為了適應通信距離變化引起的信號幅度波動，本文設計了一種閉環負反饋自動增益控制（AGC,Automatic Gain Control）系統，即前端放大電路的增益隨信號強度自動調整，以達到穩定信號幅度的目的。圖11 為AGC電路部分實現原理，壓控放大器與濾波器采集接收信號幅度，由MCU 反饋至電源，通過動態調節APD 的供電電壓來達到自適應的目的，從而在接收端形成控制閉環。

圖11 接收端AGC電路部分原理圖

2.4 數字編碼調制模塊

數字編碼解調模塊是本文UOWC 系統中的信號源與信宿，作為系統與上位機如IP 攝像頭、電腦或路由器等設備的數字連接。

如圖12 所示，本文采用現場可編程門陣列（FPGA,Field Programmable Gate Array）進行數字調制與編碼，重點實現2 MHz 二進制頻移鍵控（FSK,Frequency Shift Keying）調制。通過使用該調制技術，可以增強可見光通信系統的傳輸可靠性，提高復雜信道中的抗干擾能力。

圖12 數字編碼調制模塊架構

本文采用RS（255，239）糾錯碼（Reed-Solomon codes），包含8 個幀頭與8 位校驗位，實際有效數據239 位，最多可糾正8 個錯誤位，糾錯效率達94%。RS 碼是一類糾錯能力很強的非二進制BCH 碼（Bose-Chaudhuri-Hocquenghem codes），即使信道存在大量噪聲與干擾，當收到一定數量的正確數據點后就可以恢復多項式，完成有效糾錯。這適合UOWC 系統在復雜信道中糾正因熱噪聲引起的單個比特隨機錯誤或比特連續出錯而產生的突發錯誤。

2.5 水下通信實驗

圖13 展示了本文面向6G 網絡的UOWC 系統外觀圖與水下全雙工通信的場景：

圖13 UOWC系統外觀（a）和水下全雙工通信（b）

為了方便測試，本文將收發端系統各置于衰減系數為0.4 dB/m 的10 m 水槽窗口兩端，如圖14（a）和（b）所示，雙方接收端均配有D25mm，OD=0.6，透過率25% 與OD=1.0，透過率10% 共計40 倍衰減的光學衰減片，來模擬純凈海水50 m@0.4 dB/m 的通信信道。收發兩端分別連接電腦與基于TCP 協議的網絡攝像頭進行視頻傳輸，用RIGOL DS1102Z 數字存儲示波器采集系統發射端LED 陣列、MOS 管柵極與漏極波形，以及接收端跨阻放大器、高通濾波器與比較器輸出波形。圖14（c）和（d）分別為系統發射端與接收端的2 MHz 調制信號波形圖，其中灰色曲線為控制信號即MOS 管柵極調制波形，峰值Vpp約為11 V。燈珠陣列電源與MOS 管漏極形成的幅度差值控制LED 發光強度的變化，從而發出連續的調制光信號。接收端達到了對微弱信號約50 K 倍的轉換增益，后級設置的濾波電路對外界環境光、前級電路引入的噪聲進行了有效濾除，自動增益控制功能避免了信號出現削頂、削底失真，模數轉換輸出波形規整、無誤判現象，

圖14 水下模擬信道的發射端視角（a）、接收端視角與視頻通信（b）、發射端輸出波形（c）和接收端輸入波形圖（d）

測試結果表明，本文提出的基于亞波長垂直結構藍光LED 的UOWC 系統實現了水下50 m 通信距離不低于2 Mbps 的通信速率，并支持音視頻、多路傳感數據等業務的實時高速傳輸。

3 結束語

水下光通信是6G 空天海地一體化的關鍵技術，光發射芯片是核心的器件。本文采用亞波長垂直結構藍光LED，實現了高出光效率、高調制速率的兼容，并且基于該器件設計研制采用RS 編碼2FSK 調制方式，具備大功率發射驅動、高靈敏度自適應探測能力的水下藍光通信系統。實驗結果表明，該系統實現了水下50 m 距離2 Mbps 傳輸速率的音視頻實時通信功能，這在海洋水下智能裝備應用中具有極大的工程價值。