基于信號處理的水下無線光通信綜述

陳 瀟 ，徐 敬，2，*

（1. 浙江大學 海洋學院光通信實驗室，浙江 舟山 316021；2. 海洋觀測成像試驗區 浙江省重點實驗室，浙江 舟山 316021）

0 引言

海洋覆蓋了地球將近三分之二的面積，與人類的生存和發展息息相關。海洋中蘊藏的自然資源要遠遠超過陸地，目前還有大量的海洋領域尚未得到開發探索。海洋的發展關系到國家的興衰，建設海洋強國能夠維護國家安全并推動國家經濟發展，海洋強國戰略已經成為各個國家發展的重中之重。

通過構建海洋觀測網絡，采用包括衛星、自主式水下航行器（AUV）、遙控式水下航行器（ROV）、深海水下載人深潛器、觀測浮標和海底觀測站等多種觀測設備[1]，能夠全方位收集海洋信息。空-天-地-海通信場景如圖 1所示[2]，包含了各種不同類型節點間的數據傳輸。海面及空中的數據傳輸可以通過衛星和飛機使用射頻（RF）信號或光信號實現全球海面的無縫覆蓋，而具有高速率、遠距離、低時延且可靠性強的水下無線通信（UWC）技術則亟待深入的研究和開發。

圖1 空-天-地-海通信場景[2]Fig.1 Space-air-land-sea communication scenarios

目前，水聲通信已經發展成為最為成熟且應用最廣的水下無線通信技術[3]，其傳輸距離可以達到幾十千米，是水下無線傳感器網絡中的重要技術。但其有限的帶寬也將長距離水聲通信的速率限制在 kbps量級，多徑效應和多普勒頻移等也進一步降低了水聲通信系統的性能。由于聲音信號在水中的傳播速度僅約 1 500 m/s，使得水聲通信無法應用于實時的大容量數據傳輸場景中。射頻通信在地面通信中具有不可替代的作用，且射頻信號受到海水中的湍流和雜質等因素的影響相對較小[2]。然而，由于海水具有良好的導電性，射頻信號在海水中受到極大的衰減，頻率越高的信號受到的衰減越嚴重，頻率為30～300 Hz的超低頻信號能夠實現100多米的傳輸距離，但收發天線的龐大規模、收發機的高成本和大功耗限制了射頻通信在水下的發展[4]。水下無線光通信（UOWC）具有帶寬高、時延小、抗電磁干擾能力強、保密性好和功耗低等優點，其通信速率可以達到幾十Gbps量級，傳輸距離可以達到幾十米到數百米。

盡管有藍綠透射窗口的存在，海水的吸收和散射帶來的衰減仍是限制UOWC性能的一個重要因素，若能夠提高UOWC系統的傳輸距離，將極大地擴展其應用范圍并增強其競爭力。從光電器件等硬件層面上，可以通過研究具有大功率和小發散角的激光器以及具有高探測靈敏度的光電探測器來提高UOWC系統的傳輸距離，例如發射端采用基于激光泵浦的固態激光器（DPSSL）作為光源，產生大功率且光斑質量好的激光信號[5]，接收端采用具有高靈敏度的多像素光子計數器（MPPC）或光電倍增管（PMT）作為探測器[6]。然而，由于目前適用于UOWC的可見光波段光電器件仍處于發展階段，尚未實現大規模量產，高性能的器件通常也對應著更高的價格，會增加系統的成本。

除了研究先進的光電器件外，數字信號處理（DSP）技術也是提高UOWC系統有效性和可靠性的另一重要途徑[7]。DSP技術在射頻通信和光纖通信等領域已廣泛應用，結合UOWC系統特性，將其應用于UOWC中，可以有效提高系統性能，降低系統對于高性能光電器件的需求。信道編碼技術通過添加冗余信息，能夠實現糾錯，提高接收靈敏度；信道均衡技術能夠消除信號受到的碼間干擾，增加通信系統的可用帶寬，提高系統通信速率；使用高階調制格式也能夠獲得更高的通信速率；采用多輸入多輸出（MIMO）結構，利用分集增益提高系統魯棒性，降低對準難度，利用復用增益增加信道容量，提高通信速率。

隨著水下應用中對于無線通信的需求不斷增加，給UOWC系統的通信速率和傳輸距離提出了更高的挑戰，提高通信速率和延長傳輸距離是目前UOWC領域的一個重要研究方向。此外，由于水下環境中氣泡、湍流和載體抖動等因素的存在，會帶來光強起伏和光束漂移等問題，降低了收發端間通信鏈路的可靠性，降低收發端對準難度成為了UOWC領域的另一個研究重點。

1 高速長距離UOWC系統

提高通信速率和延長傳輸距離能夠有效擴展UOWC的應用范圍，是UOWC研究的重要目標。激光二極管（LD）相比于LED具有更小的發散角和更高的調制帶寬，成為了高速長距離UOWC系統中常用的光源。針對高速率長距離UOWC系統的研究可以大致分為以下 2種方案：研究硬件設備以實現更高的調制帶寬、發射光功率和探測靈敏度；采用數字信號處理技術從軟件層面提升系統性能。

從硬件上，通過研究大功率小發散角的光源和高靈敏度的探測器，能夠提高系統對于鏈路損失的容忍度，以延長UOWC系統的傳輸距離；應用高帶寬的光電器件，則能夠增大系統的調制帶寬，進而提高UOWC系統的通信速率。

英國水下技術公司Sonardyne研發了不同應用場景下的UOWC產品 BlueComm，基于小發散角LED陣列和高靈敏PMT的產品能夠在100 m的水下傳輸距離內保持20 Mbps的通信速率，而基于大發散角 LED陣列和硅基光電探測器的產品則具有較短的傳輸距離和較低的調制帶寬，但能夠適應不同的背景光環境[8]。2017年，復旦大學的 LIU等人設計了基于高帶寬的綠光LD和PIN的UOWC系統，獲得了1.4 GHz的3 dB帶寬。應用具有更高靈敏度的雪崩光電二極管（APD），使用非歸零（NRZ）開關鍵控（OOK）信號在34.5 m的傳輸距離下實現了2.70 Gbps的通信速率。實驗測得水的衰減系數為0.44 dB/m，作者通過幾何衰減理論推導得出該系統在通信速率為 0.15 Gbps和 1 Gbps時的最大傳輸距離分別可以達到 90.7 m和62.7 m[9]。KONG等人將660 nm、520 nm和440 nm的紅光、綠光和藍光激光器組成波分復用（WDM）系統，三路不同波長的信號在10 m水下信道中分別實現了4.17 Gbps、4.17 Gbps和1.17 Gbps的通信速率，系統的總通信速率達到了9.51 Gbps[10]。WU等人使用具有高帶寬的藍光LD和PIN探測器達到了1.5 GHz的3 dB帶寬，使用16-QAM OFDM信號在1.7 m和10.2 m的水下信道中分別實現了12.4 Gbps和5.6 Gbps的通信速率[11]。浙江大學的CHEN等人使用了3 dB帶寬為1 GHz的APD用于探測光信號，采用32-QAM OFDM信號在5 m空氣信道和21 m水下信道中達到了5.5 Gbps的通信速率，實現了靜態環境下跨空水界面的雙工通信系統[12]。2018年，HU等人采用具有高探測靈敏度的光子計數接收器設計實現了長距離 UOWC系統，并通過PPM和信道編碼技術進一步提高傳輸距離，最高實現了35.88個衰減長度的水下傳輸，且接收性能可達 3.32比特/光子[13]。2019年，中國科學技術大學WANG等人應用了NRZ-OOK信號和非線性均衡器，將光信號在10 m水槽中反射了9次，在衰減系數為0.052 m–1的水質中實現了100 m/500 Mbps的UOWC系統[14]。TSAI等人使用二階注入鎖定將系統3 dB帶寬從1.8 GHz提升到8.4 GHz，并通過電域均衡技術將系統3 dB帶寬進一步提高到10.8 GHz，使用脈沖幅度調制（PAM）信號實現了30 Gbps的通信速率和12.5 m的傳輸距離[15]。2020年，ZHAO等人采用3×1光纖合束器對3個1 W光纖激光器進行合束，將總發射光功率提高至2.4 W，合束效率達到80%，使用高靈敏的MPPC作為探測器，在100 m的傳輸距離（24個衰減長度）下實現了8.39 Mbps的通信速率[16]。

相比于光纖中采用的紅外波段的激光器和探測器，UOWC中采用的可見光波段的器件還不夠成熟，在現有器件的基礎上，信號處理技術是進一步提高系統性能的重要途徑。信號處理技術在射頻通信和光纖通信等領域得到了廣泛應用，在UOWC中也已經得到了初步的使用。高速率長距離UOWC系統中常用的信號處理技術包括調制、信道均衡和信道編碼等技術，能夠從軟件層面上提高通信速率并延長傳輸距離。

1.1 調制技術

信源產生的信號需要經過調制后才可以用于發送，UOWC中多采用數字調制方式。OOK是最簡單且常用的調制格式[17-18]，基于 OOK調制的UOWC系統實現相對簡單，系統的非線性效應對OOK調制的影響相對較小，信號解調時所需的信噪比較低，常用于實現長距離水下無線光通信鏈路，但由于其頻譜效率較低，在系統帶寬受限的情況下無法實現高速通信。PPM也是UOWC系統中常用的調制格式，將信息調制在脈沖位置上，在多個時隙中僅有1個時隙存在脈沖，PPM比OOK具有更高的能量利用率，因此也常用于長距離UOWC系統中[13,19]。多階PAM信號相比于OOK信號具有更高的頻譜效率，可以獲得更高的通信速率，且PAM信號為實信號，可以直接用于UOWC系統中，對光信號的強度進行調制，但PAM信號更高的電平數也增大了解調時的信噪比需求[15,20]。QAM信號為復信號，可以看作是兩路正交的PAM信號的疊加，在強度調制的UOWC系統中需要先對基帶信號進行上變頻后方可用于調制光信號。上變頻可以在硬件或軟件上進行，在使用軟件上變頻時，QAM 又被稱為無載波幅相（CAP）調制[21-22]。OFDM 技術采用多個正交的子載波將高速信號分解為多路低速數據流，通過 Hermitian變換后添加直流偏置即可得到可以直接用于調制激光器的非負實信號，這種方案稱為直流偏置光OFDM（DCO-OFDM）方案。在 OFDM信號中添加循環前綴能夠有效對抗碼間干擾，提高信號帶寬，將其與高階 QAM 技術相結合，能夠實現較高的通信速率[23]。星座概率整形技術通過改變不同星座點的概率分布以獲取增益，能夠使系統容量趨近于香農信道容量，獲得更高的通信速率[24]。幾何整形技術通過改變星座點的分布位置來增大星座點間的最小歐式距離，從而獲得整形增益，幾何整形技術還能夠對抗系統中存在的非線性效應[25]。綜上可知，低階的調制格式如OOK和PPM的實現較為簡單，需要更低的接收信噪比，適用于長距離通信系統中。但低階調制格式所帶來的低頻譜效率問題也限制了系統的通信速率，將OFDM與高階調制技術相結合，則能夠有效提高信號帶寬，獲得更高的通信速率。在高速率長距離的 UOWC研究中，需要同時兼顧系統的帶寬和信噪比，選取合適的調制格式和調制階數，實現通信速率和傳輸距離的折衷。

1.2 信道均衡技術

UOWC系統中收發器件的成熟度和固有特性都可能導致系統的帶寬受限，水下散射和湍流等原因帶來的多徑效應也進一步限制了系統帶寬[26]，在有限帶寬條件下，高效的信道均衡技術是 UOWC系統中提高通信速率和信道容量的重要方法。時域上最常用的信道均衡方案為基于最小二乘法（LS）或最小均方誤差（MMSE）準則的前饋均衡（FFE）算法，采用有限脈沖響應（FIR）濾波器來模擬信道時域沖激響應的逆變換以消除信號受到的碼間干擾，但 FFE算法會放大深衰落頻段的噪聲，造成接收信號的信噪比下降。判決反饋均衡（DFE）算法在 FFE之后添加一個反饋均衡器，將判決信號用于反饋以消除碼間干擾，能夠降低 FFE帶來的噪聲放大問題。ZHANG等人在基于 PMT的UOWC系統中應用DFE算法進行均衡，在通信速率為1 Gbps時實現了11.6個衰減長度的傳輸[27]。CHEN等人將FFE與DFE級聯后與RS編碼進行有機組合，實現了56 m的傳輸距離和3.31 Gbps的通信速率[28]。但DFE在噪聲較大的情況下也可能出現誤差傳遞現象，導致連續的錯誤。極大似然序列估計（MLSE）算法不會帶來噪聲放大問題，在提高信道容量上具有極大的潛力。GAO等人在系統3 dB帶寬僅為167 MHz的情況下使用MLSE算法實現了通信速率為1.1 Gbps的OOK傳輸[29]。但由于 MLSE的計算復雜度隨著調制階數和信道脈沖長度呈指數上升，因此 MLSE 更適用于低階調制信號中用于消除較短的碼間干擾。針對光電器件中存在的非線性效應。LU等人采用了非線性的Volterra均衡器，并通過實驗證明了在高通信速率的情況下非線性均衡器的性能要明顯優于線性均衡器[30]。由于Volterra均衡器的計算復雜度過高，FEI等人對三階Volterra均衡器進行了簡化，能夠在對抗非線性效應的同時不帶來過多的計算復雜度提升，實現了15 m的傳輸距離和7.33 Gbps的通信速率，相比于線性均衡器帶來了18%的信道容量提升[31]。浙江大學的 DAI等人提出了一種可變步長廣義正交匹配跟蹤算法，相比于傳統算法能夠降低68.6%的復雜度且保持較好的誤碼率性能，在通信速率為500 Mbps的情況下將傳輸距離延長到了200 m[32]。ZHAO等人提出了一種基于雙分支多層感知機的后向均衡技術，相比于傳統的基于多層感知機的后向均衡方案，能夠在降低計算復雜度的同時獲得較好的誤碼率性能，將基于單芯 LED的UOWC系統的通信速率提升到了3.2 Gbps[33]。除了在接收端使用的后向均衡以外，也可以在發射端使用預均衡技術對發送信號進行預補償[11]，降低后向均衡帶來的噪聲放大現象，從而提高信噪比并降低誤碼率，ZHUANG等人通過線性預均衡技術使用藍光LED 實現了距離10 m速率400 Mbps的水下傳輸[34]，而預均衡的缺點在于發射端需要提前預知信道的傳輸特性，且會降低接收信號的信噪比。在長距離UOWC系統中，由于器件的低帶寬特性和多徑效應的影響，高速信號會受到嚴重的碼間干擾，研究高效率且低復雜度的信道均衡方案是提高系統通信速率的一個重要途徑。

1.3 信道編碼技術

香農理論給出了噪聲信道的信道容量，采用合適的信道編碼方式即可獲得接近信道容量的通信速率，在光通信中應用信道編碼技術能夠有效降低接收信號的誤碼率并提高接收靈敏度。2001年，OMAR通過仿真對比了 RS（255，239）碼、級聯RS碼和分組Turbo碼在水下光纜中的傳輸性能，發現迭代軟解碼能夠帶來10 dB的編碼增益[35]；2008年，北卡州立大學的 COX等人使用碼率接近 1/2的RS（255，129）碼和500 kbps歸零（RZ）OOK信號在水槽實驗中獲得了8 dB的編碼增益[36]；YU等人和 WANG等人都通過仿真證明了 RS碼相比于 BCH碼具有更好的性能[37-38]；RAMAVATH通過實驗測試了BCH （31，11）碼和交織碼在湍流及阻塞環境中的性能，在誤碼率等于10–3時，交織BCH碼在湍流和阻塞條件下分別獲得了2.5 dB和3.5 dB的編碼增益[39]；中國科學技術大學的WANG等人搭建了基于FPGA的實時UOWC系統，對比了RS碼、卷積碼、級聯碼和交織級聯碼的性能，實驗結果表明使用交織級聯碼方案比未編碼情況下提高了6 dB的接收靈敏度，能夠延長12.5 m的傳輸距離[40]。傳統的信道編碼方案所引入的冗余信息帶來了信號帶寬的增加，在帶寬受限的長距離UOWC系統中會導致嚴重的碼間干擾，進而可能造成系統性能的惡化。因此，需要針對長距離UOWC系統的低帶寬特性，研究高效的信道編碼方案，獲得更高的通信速率和傳輸距離。

2 高可靠性UOWC系統

海洋環境中的氣泡和湍流等導致的光強起伏和光束漂移等現象給收發端的對準帶來挑戰，造成系統可靠性的下降，對抗氣泡和湍流并降低對準難度成為了UOWC領域的另一個研究重點。通過設計收發端的光學系統，可以從硬件上降低對準難度，提高系統的可靠性。

2017年，OUBEI等人測量了不同大小和密度的氣泡對通信質量的影響，在發射端對激光進行擴束并在接收端采用透鏡進行聚焦，實驗表明當氣泡直徑大于光束直徑時，容易造成深衰落或通信中斷，而小氣泡情況下則不容易出現深衰落，通過發射端和接收端的擴束和聚焦可以引入空間分集來降低氣泡的影響[41]。2018年，JAMALI等人在實驗室水槽中引入溫鹽梯度和氣泡來制造不同強度的湍流，采用對數正態分布、Gamma分布和K分布等多種模型對接收光強的概率分布進行擬合，作者也通過實驗證明了擴束器和聚焦透鏡對抗湍流的有效性。此外，實驗測得湍流信道的相關時間約為10–3s，意味著上千乃至上百萬個連續符號對應著相同的衰減系數，當數據幀的傳輸時長低于信道相關時間時即可將信道視為時不變信道[42]。VALI等人通過在光束下方放置帶有小孔的水管往水池中注入熱水來產生湍流，通過控制注入熱水的溫度和流速以改變湍流強度，實驗結果表明傳輸距離越長、溫差越大且熱水流速越高時，對應接收信號的閃爍指數越高，實驗還證明了湍流會導致平均接收光功率的下降[43]。2019年，HAN等人通過設計自由曲面透鏡并將其應用于LED陣列作為UOWC系統的光源，將出射光的發散角增大至 150°的同時將其均勻性提高到 90.08%，這一設計能夠降低收發端的對準難度并提高通信鏈路的穩定性[44]。2021年，TONG等人使用3組LED陣列組成準全向發射端，通過增大光斑的分布范圍，降低了收發端的對準難度，在通信速率為29.85 Mbps時實現了40 m范圍的準全向通信，為水下移動通信提出了一種新的解決方案[45]。2022年，LI等人將藍光泵浦的522 nm綠光鈣鈦礦量子點作為光源，出射光在各個方向上近似均勻分布，并將其與碼分多址（CDMA）技術相結合，可以為20 m準全向范圍內的4個用戶分別提供7.5 Mbps的通信容量[46]。

在UOWC中采用多個發射端和接收端同時進行信號收發，結合空時編碼技術，能夠利用分集增益抑制氣泡和湍流導致的光強起伏和光束漂移等問題，降低系統的對準難度，提高系統可靠性。

2005年，RAZAVI等人提出使用分集接收降低大氣湍流對自由空間光通信系統的影響，且通過仿真證明自適應光學技術要優于孔徑平均技術和線性合并技術[47]。2013年，劉加林等人將低密度奇偶校驗（LDPC） 碼與 MIMO技術相結合，并仿真分析了最大比合并（MRC）、等增益合并（EGC）和選擇合并（SC）三種分集合并技術在弱湍流單輸入多輸出（SIMO）系統中的誤碼性能，仿真證明了MRC的性能最高，而SC的性能最低，且誤碼率隨接收天線數量的增加而降低[48]。2014年，LIU等人使用蒙特卡洛（MC）方法對海水的吸收、散射和湍流進行仿真，比較了在SIMO系統中SC、EGC和MRC算法的性能，仿真結果表明在湍流存在的情況下，誤碼率等于10–6時具有5個探測器的SIMO系統相比于單輸入單輸出（SISO）系統最多能夠帶來15 dB的空間分集增益[49]。2016年，BOUCOUVALAS等人理論推導了在不同收發參數下基于等增益合并的分集接收 UOWC系統的性能，并證明了分集接收方案相比于單個探測器能夠顯著地提高系統性能[50]。2017年，SONG等人采用LED和10 MHz的PIN組成2×2 MIMO-OFDM系統，對比重復編碼（RC）和空時分組碼（STBC）2種空時編碼方案，在2 m清水信道中實現了27 Mbps的凈傳輸速率，且實驗證明了該系統能夠有效降低收發端的對準難度[51]。2018年，WANG等人提出使用具有大發散角的LED作為光源，并在接收端采用兩個PIN探測器以獲得接收分集增益，使用MRC算法在1.2 m的水下傳輸距離下達到了最高2.175 Gbps的通信速率[52]。2019年，CHEN等人搭建了 2×2 MIMO-UOWC系統，研究了SISO、多輸入單輸出（MISO）、SIMO 和 MIMO結構在不同氣泡尺寸下的性能，利用 MIMO結構帶來的空間分集增益，將丟包率從34.6%降低至小于1%，極大提高了鏈路的可靠性[53]。CHEN等人搭建了基于RC和STBC的2×2 MIMO結構，并使用大發散角的LD和大視場角的PMT，在50 m傳輸距離下實現了233 Mbps的通信速率，且接收端的最大水平偏移量達到了97.9 cm[54]。

上述UOWC系統引入了空間分集增益，用于對抗氣泡和湍流的影響并降低對準難度，能夠提高系統可靠性。大部分文獻都采用具有大發散角的LED作為光源，以提高光斑的覆蓋面積，但由于LED的低帶寬特性，使得系統無法獲得較高的通信速率，且大發散角也使得系統的傳輸距離相對較短。保持UOWC系統高可靠性的同時盡可能提高通信速率和傳輸距離，可使UOWC適用于更加廣闊的應用場景。

3 結束語

綜上所述，研究高性能的光電器件并設計相應的光學系統是實現高速率長距離和高可靠性UOWC系統的重要手段。采用數字信號處理技術，對抗通信中引入的碼間干擾、低信噪比和非線性效應等問題，也能夠有效延長傳輸距離，提高系統的通信速率和可靠性。此外，將數字信號處理技術與廉價的光電器件相結合，能夠獲得低成本且高性能的UOWC系統，在實際工程中具有重要的應用價值。針對不同應用場景，研制小型化的原理樣機或產品，并在真實海域中開展實驗，也是UOWC的重要研究方向。