水下無線光通信關鍵技術與未來展望*

褚馨怡，袁仁智，彭木根

（北京郵電大學信息與通信工程學院，北京 100876）

0 引言

水下無線通信（UWC,Underwater Wireless Communication）技術可廣泛應用于軍事和民用水下通信場景，包括水下潛艇通信、水下無人機組網、水下洋流探測和海洋資源開發等。按照信息媒介，可將UWC 分為水下射頻通信、水聲通信和水下無線光通信（UWOC,Underwater Wireless Optical Communication）[1]。由于射頻和水聲通信帶寬有限，利用藍綠光作為載波的UWOC 近年來已成為UWC的研究熱點。作為6G 愿景中空天地海一體化通信的關鍵部分，UWOC 將拓展水下通信覆蓋的廣度和深度[2]。

表1 定性比較了UWOC、水聲通信和水下射頻通信在通信距離、傳輸速率及局域保密性等方面的優劣。按照性能等級，依次分為良好（+++）、中等（++）、偏低（+）和不足（-）。

表1 水下通信技術對比

可以看出，UWOC 具有高傳輸速率、高局域保密性以及低實現成本等優勢：通信速率可達到Gbps 量級；通常采用視距（LOS,Line-of-Sight）通信鏈路，保密性良好；收發機體積小、成本低，便于實現組網和大規模商業化。但由于水下光信號衰減較快以及水下湍流的影響，UWOC 在通信距離和環境適應性方面仍存在劣勢。

本文通過介紹UWOC 的傳播特性和應用場景，探討了UWOC 關鍵技術的研究現狀和實驗進展，其中包括理論信道模型和編碼調制技術，并展望了UWOC 在多輸入多輸出（MIMO,Multiple-Input Multiple-Output）技術、弱光信號檢測技術和水下通感一體化技術方面的發展方向及相應挑戰。

1 水下無線光通信簡介

1.1 水下光傳播特性

水下環境的特殊性使UWOC 與其他光通信存在較大差異。水對可見光存在嚴重的吸收和散射效應，前者限制了UWOC 的傳輸距離，后者擴展了傳播光束，降低信噪比且產生多徑效應，增大系統誤碼率。

水體對光的吸收和散射效應取決于水的固有光學特性[3]。設波長為λ的平行光束入射至寬度為△D的水，入射光功率為PI(λ)，水吸收光功率為PA(λ)，散射光功率為PS(λ)，出射光功率為PT(λ)。根據能量守恒定律，可得[3]：

利用吸光度和散射度定義式，可以得到吸收系數和散射系數分別如下：

光的衰減系數c(λ)可以表示為：

c(λ)與海水環境的多種因素相關，包括海水鹽度、渾濁度甚至浮游生物等。

1.2 應用場景

UWOC 技術最初主要用于軍事領域，是水下潛艇高速率、高保密和強抗干擾通信的關鍵技術，如美軍進行多次藍綠激光對潛通信實驗，包含單向光通信和雙工光通信場景[4]，證實了UWOC 可以在惡劣天氣下保持良好的通信性能。

隨著海洋探測技術的發展，傳感信息的實時傳輸需求增加，UWOC 是水下環境實現實時協作監控的關鍵技術。此外，UWOC 還能應用于水下機器人對接，如2022年北京冬奧會借助UWOC 技術實現了水下多機器人跨域火炬傳遞[5]。目前UWOC 仍受限于較短通信距離（百米量級），僅有少數UWOC 產品實現商業化。例如，英國BlueComm 系統可實現150 m 內10 Mbps 的數據傳輸，美國Ambalux 系統可實現40 m 內10 Mbps 的數據傳輸[1]，我國首臺雙光源UWOC 商用設備可實現50 m 內3 Mbps的數據傳輸[6]。

2 UWOC關鍵技術及研究進展

下面重點介紹UWOC 在信道建模、編碼調制和實驗探索等方面的進展。

2.1 理論信道建模

光在水下傳輸需考慮信道衰減損耗、收發機系統損耗、收發端對準誤差和水下湍流的影響，下面主要介紹水下光衰減的建模方法。

水下光衰減信道模型分為LOS 結構和非視距（NLOS,Non-Line-of-Sight）結構兩種類型。LOS 結構可采用比爾-朗伯特定律[7]進行建模：

其中，I0表示透射光的功率，z表示透射光的距離，I表示透射距離z之后的光功率，c(λ) 表示衰減系數。基于比爾-朗伯特定律的信道建模計算并未將所有散射次數的散射光子計入，嚴重低估了接收光功率。水下光衰減一般理論模型由輻射傳輸方程（RTE,Radiative Transfer Equation）描述，在不考慮時間色散的情況下，典型的二維RTE 方程如下[7]：

求解RTE 最常用的數值解法是蒙特卡羅仿真（MCS,Monte-Carlo Simulation）方法。該方法通過發送和跟蹤大量光子來模擬水下光傳播損失，具有簡單靈活、魯棒性高等優點，被研究人員廣泛采用。例如，文獻[8] 利用MCS 評估不同條件下UWOC 系統的信道容量，仿真結果與水箱實驗結果相近；文獻[9]通過MCS 求解RTE 方程，得到可預測系統設計參數的信道模型，并計算出信道脈沖響應函數。

與LOS 結構的光衰減信道建模相比，NLOS 結構的精確信道模型尚未提出。在NLOS 結構中，多利用海面反射來解決非視距障礙，其信道建模的關鍵在于對海面反射效應的建模。與LOS 結構類似，大多數NLOS 模型都是通過MCS 等數值方法建立。文獻[10] 基于MCS 方法引入隨機海面坡度和海水散射的影響，發現隨機海面坡度嚴重影響接收信號。

MCS 方法需要大量光子參與仿真，通常具有較低的計算效率。文獻[11]提出基于部分重要性采樣的蒙特卡羅積分（MCI,Monte-Carlo Integration）模型，其計算效率能夠達到經典MCS模型效率的5.6倍以及MCI模型效率的12倍。

2.2 編碼調制技術

為了減輕水下光衰減的影響，并在低信噪比水下環境中實現低誤碼率，可以在UWOC 系統中使用前向糾錯編碼（FEC,Forward Error Correction）技術。FEC 具有實現簡單、魯棒性高等優點，但在強干擾環境下性能較差[12]。因此，可以考慮采用更復雜的信道編碼方案，如低密度奇偶校驗碼（LDPC,Low-Density Parity-Check）和Turbo 碼。LDPC 碼是一種高效的線性分組碼，Turbo碼是一種并行級聯碼，它們都可以提供接近香農極限的糾錯性能[13]。目前在UWOC 中LDPC 碼和Turbo 碼的應用較少，仍待進一步研究。

UWOC 系統普遍采用強度調制，如開關鍵控（OOK,On-Off Keying）和脈沖位置調制（PPM,Pulse Position Modulation），具有結構簡單、便于實現的優點，但強度調制能量和頻譜效率較低[14]。相干調制方案如正交幅度調 制（QAM,Quadrature Amplitude Modulation）和 極 化位移鍵控（PolSK,Polarization Shift Keying），具有靈敏度高、誤碼性能好等優勢，但系統復雜、成本較高。近年來，研究人員結合強度調制和相干調制提出新的調制方式，如極化-脈沖位置調制（P-PPM,Polarized-Pulse Position Modulation）和極化-差分脈沖位置調制（P-DPPM,Polarized-Differential Pulse Position Modulation），進一步提高UWOC 系統的傳輸帶寬和距離[15-16]。

2.3 最新實驗進展

UWOC 系統實驗通常采用藍綠波段的發光二極管（LED,Light-Emitting Diode）光源和激光光源。LED具有成本低、性能穩定等優點，被研究人員廣泛使用。UWOC 實驗的接收端主要采用PIN（Positive-Intrinsic-Negative）二極管、雪崩光電二極管（APD,Avalanche Photodiode）和光電倍增管（PMT,Photomultiplier Tube）。相較于PIN 二極管，APD 可以提供更高增益，因此可用于更長距離的UWOC 鏈路，但APD 具有較復雜的輔助電路[13]。相較于APD，PMT 具有更高的靈敏度和光學增益，且噪聲水平更低，但其易受到沖擊和振動的影響，且成本較高[1]。圖1 統計了近年來UWOC 系統在通信距離和通信速率上的主要實驗進展：

圖1 2010至2021年UWOC主要實驗統計

可以看出，早期的UWOC 實驗多以短距離低速的單向傳輸為主。2011 年，麻省理工學院開發了全雙工UWOC 系統AquaOptical II[17]，并于2013 年利用該系統進行了實時視頻傳輸實驗。2015 年，伍茲霍爾海洋研究所搭建的UWOC 系統實現了超過100 m 的通信距離[18]，同年，阿卜杜拉國王科技大學實現了通信速率從Mbps 量級至Gbps 量級的突破[19]。2019年，英國Sonardyne 公司發布的商用UWOC BlueComm200系統實現了10 Mbps 速率150 m 距離的傳輸[1]。2020 年，葡萄牙INESC TEC 研究所利用正交頻分復用技術實現了5.36 Gbps 的短距離高速傳輸[20]。2021 年，中國科學技術大學采用激光和APD 搭建的UWOC 系統實現了1 Gbps 速率130 m 距離的傳輸[21]。

3 UWOC的未來發展方向

下面主要介紹UWOC 的MIMO 技術、水下弱光信號檢測技術和水下通感一體化技術。

3.1 MIMO技術

為了降低海洋湍流對UWOC 系統的影響，可以采用MIMO 的空間分集技術對抗湍流引起的信道衰弱。單輸入單輸出（SISO,Single-Input Single-Output）系統的大孔徑接收將會加劇碼間串擾，如圖2 所示，多輸入多輸出結構能降低衰弱影響，且具有更高的能量效率、信道容量和穩定性[22]。此時，UWOC 的多路信號合并方式將對后續的檢測性能產生重要影響。

圖2 基本UWOC系統MIMO結構

目前MIMO 技術在UWOC 的應用大都停留在理論探索階段。UWOC 空間分集技術通常采用等增益合并或最大比合并。由于接收端的散粒噪聲大小與信號光強有關，UWOC 的最優合并方式不再是最大比合并，因此有必要探索在UWOC 空間分集技術的最優合并方式。

3.2 水下弱光信號檢測技術

由于水體對水下光信號的強散射和吸收效應，以及水下湍流帶來的衰減和衰弱影響，UWOC 中的接收光信號強度常處于微弱情形。通常在接收光信號強度較大時，由接收光信號帶來的散粒噪聲可用高斯分布近似，但當接收光信號強度很弱時，接收機對弱光信號的檢測需要考慮光的粒子特性，此時常用泊松信道假設取代高斯信道假設，且接收機采用弱光信號單側器，如PMT 或光子計數器時引入的熱噪聲相比散粒噪聲不可忽略。因此，對水下弱光信號的檢測需同時考慮弱光信號的泊松特性和熱噪聲影響。

目前對弱光信號檢測的研究多面向深空光通信場景[23]。由于水下湍流帶來的信道衰弱影響，深空光通信中的弱光信號檢測技術難以直接用于水下弱光檢測。文獻[24]建立了湍流信道下的自由空間光通信量子傳輸模型，該模型為后續研究UWOC中降低水下湍流影響的弱光檢測技術提供了新思路。

3.3 水下通感一體化技術

隨著人們對于海底探測需求的提高，UWOC 逐漸往水下無線傳感網絡（UWSN,Underwater Wireless Senor Network）方向發展。UWSN 通過多傳感器系統的密切協調，形成海陸空傳感器互補通訊網絡，可對水下目標和環境進行測量及感知[25]。如圖3 所示，典型的UWSN 由多個分布式節點組成，其中海底傳感器用于收集數據，并通過UWOC 鏈路傳輸到自主式水下航線器（AUV,Autonomous Underwater Vehicles）和遙控無人潛水器（ROV,Remotely Operated Underwater Vehicle），AUV和ROV再向船只、潛艇、中繼浮標及其他AUV 和ROV 傳遞信號。

圖3 典型的UWSN示意圖

此外，水下通感一體化技術可通過主動認知并分析水下信道特性以感知水下環境特征，實現通信與感知功能互相增強。由于深海節點攜帶能量有限，更換電池成本較高，因此優化深海節點功率和合理分配通感資源成為水下通感一體化技術的關鍵問題。未來有必要探索相應的功率優化算法以提高能量效率，并可通過引入邊緣計算等技術來解決節點算力不足的問題。

4 結束語

本文總結了UWOC 在理論信道建模、編碼調制技術和最新實驗研究方面的進展，并基于UWOC 的應用場景，展望了UWOC 的未來發展方向與相應挑戰，有助于推動UWOC 的實用化研究。