水下光通信技術(shù)的研究與展望

劉鵬展，王林寧，胡芳仁，王永進(jìn)，*

（1. 南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院、柔性電子（未來(lái)技術(shù)）學(xué)院，江蘇 南京 210023；2. 南京郵電大學(xué) 彼得·格林貝格爾研究中心，江蘇 南京 210023）

0 引言

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，第五代移動(dòng)通信（5G）的商業(yè)模式大規(guī)模普及的同時(shí)也使為數(shù)不多的頻譜帶寬幾乎消耗殆盡，6G技術(shù)的發(fā)展勢(shì)必要尋求新的頻譜途徑。5G信號(hào)因其自身技術(shù)的限制和頻譜的不足難以滿(mǎn)足空天海地一體化的新型全場(chǎng)景覆蓋通信網(wǎng)絡(luò)的需要，6G技術(shù)為了彌補(bǔ)這些不足，實(shí)現(xiàn)一體化的新型通信網(wǎng)絡(luò)需要尋找新的無(wú)線通信方式來(lái)補(bǔ)充傳統(tǒng)單一的無(wú)線通信模式。

可見(jiàn)光通信相較于現(xiàn)有的通信技術(shù)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是頻譜無(wú)需授權(quán)，有著極大的使用自由度。可見(jiàn)光通信擁有高頻段的頻譜（400～800 THz），適用于高速通信技術(shù)，且其安全性和保密性有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。可見(jiàn)光通信沒(méi)有傳統(tǒng)電磁通信所帶來(lái)的電磁污染和射頻輻射，也不會(huì)受到電磁干擾。這些優(yōu)勢(shì)使得可見(jiàn)光通信技術(shù)成為了近年來(lái)各國(guó)爭(zhēng)相研究的對(duì)象。

本文將首先介紹光通信技術(shù)的發(fā)展，著重介紹水下可見(jiàn)光通信技術(shù)的發(fā)展以及可見(jiàn)光通信的應(yīng)用場(chǎng)景與所面對(duì)的挑戰(zhàn)。然后基于現(xiàn)階段的研究提出一種成熟的水下可見(jiàn)光通信系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)水下通信方式簡(jiǎn)析

隨著人類(lèi)通信技術(shù)的發(fā)展，距離空天海地一體化的全方位通信目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)也越來(lái)越近，但水下通信依舊是現(xiàn)在難以解決的難題。在現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用于海洋、水下場(chǎng)景的智能裝備主要使用射頻信號(hào)、聲波等無(wú)線技術(shù)，或使用有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

1.1 水下有線通信

水下有線通信多用于2個(gè)大規(guī)模水上平臺(tái)與平臺(tái)之間，通過(guò)鋪設(shè)水下光纜的方式進(jìn)行通信，如連接各國(guó)的大規(guī)模水下光纜網(wǎng)絡(luò)。有線通信可以保證高速的數(shù)據(jù)傳輸，每秒可以傳100 Gbit以上，但水下光纜本身的安全性很難得到很好的保障且被損壞后很難修補(bǔ)[1]。水下有線通信笨重，成本高，無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)6G時(shí)代水下通信的需求。

1.2 水下射頻信號(hào)通信

海水對(duì)射頻信號(hào)有非常強(qiáng)的屏蔽作用，射頻信號(hào)穿透海水的能力與頻率直接相關(guān)，只有低頻率的射頻信號(hào)如甚低頻（3～30 kHz）才能在海水中進(jìn)行有限的傳播[2]。潛艇等水下設(shè)備通常使用超低頻和甚低頻進(jìn)行有限的通信，通信速率只有300 b/s左右。射頻信號(hào)在水中傳輸時(shí)的趨膚效應(yīng)，傳輸距離受限，僅僅適用于近距離的水下通信。因此，無(wú)法完成未來(lái)遠(yuǎn)距離、高速率的水下信息傳輸任務(wù)。

1.3 水下聲波通信

聲波較早用于水下探測(cè)和水下通信，但由于聲波的隱蔽性較弱，主動(dòng)式聲吶設(shè)備的聲波很容易被對(duì)方捕捉而暴露目標(biāo)，所以水下軍事設(shè)備不會(huì)主動(dòng)使用聲吶進(jìn)行通信。水聲通信的頻帶帶寬被限制在20 kHz以?xún)?nèi)，且由于多徑傳播會(huì)導(dǎo)致延遲增加，產(chǎn)生數(shù)據(jù)的相互干擾，大大降低了通信速率，傳輸速率只有幾十kb/s[3]。這些嚴(yán)重的延遲和串?dāng)_影響顯然無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的水下通信需求。

2 UOWC技術(shù)發(fā)展介紹

由于傳統(tǒng)的水下通信技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)6G時(shí)代高速率、遠(yuǎn)距離通信的需求，水下可見(jiàn)光通信可以彌補(bǔ)射頻通信水下傳輸距離短的難題，能夠克服聲波通信速率低、損耗嚴(yán)重等缺點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿Γ蔀楝F(xiàn)在水下通信的研究熱點(diǎn)[4]。

圖1是水下光通信的在未來(lái)軍事領(lǐng)域的典型應(yīng)用圖，由光來(lái)構(gòu)建新型的立體通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)相較于傳統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)擁有保密性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，不易被敵方破解。海底光纜中繼站可以直接與潛艇進(jìn)行交流溝通，提高了水下潛航設(shè)備的通信能力。還可以通過(guò)放置浮標(biāo)作為中繼的方式，提高通信距離，達(dá)到完善通信網(wǎng)絡(luò)的目的[5]。

光波的帶寬很寬，由于溫度波動(dòng)、散射、色散等影響，加之光學(xué)頻段嚴(yán)重吸水和懸浮粒子的強(qiáng)散射，這使得水下光通信僅限于短距離。但水下EM光譜的藍(lán)綠色波長(zhǎng)有一個(gè)相對(duì)較低的衰減光學(xué)窗口，早在1966年，University of California，Santa Barbara的GILBERT、JERNIGAN等人就進(jìn)行了藍(lán)綠激光水下的偏振、散射和相干特性的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，成功證明了水下藍(lán)綠光通信的可能性[6]。

水下可見(jiàn)光通信通過(guò)光源來(lái)分類(lèi)，主要分為水下藍(lán)綠激光通信與基于藍(lán)綠光 LED的水下可見(jiàn)光通信。激光器功率大，激光作為水下光通信的媒介可以實(shí)現(xiàn)高速率和遠(yuǎn)距離的傳輸，但存在相干閃爍等問(wèn)題，且通信必須要精確對(duì)準(zhǔn)，實(shí)用性差，在實(shí)際的應(yīng)用之中有很大的困難。而基于藍(lán)綠 LED的水下光通信，采用非相干光，集照明與通信于一體，無(wú)需嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，大大增加了水下光通信的便利性和可行性。

2.1 水下激光通信的發(fā)展

水下激光的發(fā)展最先發(fā)展于軍事領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代，美國(guó)開(kāi)始進(jìn)行藍(lán)綠激光對(duì)潛戰(zhàn)略的研究，并于1981年首次使用機(jī)載激光器與位于水下300 m深度的潛艇進(jìn)行了通信實(shí)驗(yàn)。2001年美國(guó)研制出了激光二極管后，激光通信的發(fā)展邁出了飛躍性的一步。2015年，King Abdullah University of Science and Technology的研究團(tuán)隊(duì)使用450 nm的激光通過(guò)正交頻分復(fù)用進(jìn)行調(diào)制在5.4 m的距離上成功實(shí)現(xiàn)了高達(dá)4.8 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率，且其誤碼率僅有 2.6×10–3，完全滿(mǎn)足前向糾錯(cuò)的標(biāo)準(zhǔn)[7]。2017年，浙江大學(xué)光通信實(shí)驗(yàn)室使用頻譜高效的正品頻分復(fù)用技術(shù)，在10 m長(zhǎng)度的水下通道實(shí)現(xiàn)了 9.51 Gb/s的基于紅綠藍(lán)三色光的聚合數(shù)據(jù)傳輸，且誤碼率完全符合前向糾錯(cuò)的標(biāo)準(zhǔn)[8]。這些都表明如今的水下激光通信確實(shí)可以達(dá)到極高的通信速率，但傳輸距離上還有待提升。同樣是 2017年，復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出構(gòu)建了一種基于綠光激光二極管的水下光通信系統(tǒng)，使用NRZ-OOK對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了34.5 m的且速率在2.7 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸，該系統(tǒng)預(yù)計(jì)最大可傳輸62.7 m，速率也可達(dá)1 Gbps[9]。

2.2 水下藍(lán)綠光LED通信的發(fā)展

藍(lán)綠光水下 LED的光通信起步相對(duì)較晚。2014年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表彰了物理學(xué)家在發(fā)明高效節(jié)能的藍(lán)光LED光源方面的貢獻(xiàn)。他們?cè)诟哔|(zhì)量的氮化鎵晶體上制造出了藍(lán)光 LED，此 LED器件具有高的開(kāi)關(guān)響應(yīng)速度，而正是這種極高的開(kāi)關(guān)響應(yīng)速度，使得基于LED器件的光通信技術(shù)成為可能。在1993年，中村修二成功將藍(lán)光LED的亮度大幅度提升，至此藍(lán)光LED走上了人類(lèi)的照明的舞臺(tái)，也開(kāi)啟了藍(lán)綠光水下LED通信的大門(mén)。

1995年，國(guó)外學(xué)者對(duì)基于LED的水下光通信進(jìn)行了理論分析，當(dāng)時(shí) 20 m的距離可以進(jìn)行10 Mbps的通信，30 m的距離可以進(jìn)行1 Mbps的通信[10]。2006年，針對(duì)海底觀測(cè)測(cè)試了一種基于LED的通信鏈路，建立了5 m距離的10 Mbps通信速率的短程水下光通信鏈路[11]。后隨著調(diào)制技術(shù)、高速通信信道的研究，美國(guó)Yale University研究團(tuán)隊(duì)于2010年開(kāi)發(fā)了名為AquaOptical II的水下光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用470 nm的大功率LED陣列器件并使用離散脈沖間隔調(diào)制，成功實(shí)現(xiàn)了50 m距離的2.28 Mbit/s的通信，是基于LED的水下光通信的突破性的進(jìn)展[12]。

光通信的光源除了LED光源與激光光源，紫外光通信是一種新型的通信手段，是主要利用紫外光在大氣中的散射來(lái)進(jìn)行信息傳輸?shù)耐ㄐ拍Ｊ剑哂斜痊F(xiàn)有通信更強(qiáng)的抗干擾能力，且保密性和可靠性好。由于其非視距性，在軍事方面潛力巨大，目前的紫外光通信系統(tǒng)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。我國(guó)的紫外通信起步較晚，尚處于研究階段，國(guó)外于 21世紀(jì)初已經(jīng)有相關(guān)國(guó)家、機(jī)構(gòu)研制，美國(guó)的深紫外通信已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用階段。

因?yàn)樽贤夤獾奶厥庑栽谒峦ㄐ欧矫妫梢宰鳛樗鹿馔ㄐ诺难a(bǔ)充，增加其保密性，也可在一些必要的短距離上進(jìn)行可見(jiàn)光通信的彌補(bǔ)。2018年，King Abdullah University of Science and Technology研究團(tuán)隊(duì)利用激光器的375 nm紫外光線，驗(yàn)證了在自然環(huán)境中的渾濁度等因素對(duì)通信的影響，證實(shí)了紫外光在自然的水下環(huán)境中傳播的可能性[13]。

3 面向6G可見(jiàn)光通信系統(tǒng)

現(xiàn)階段大多數(shù)水下光通信的研究多是基于仿真設(shè)計(jì)、信號(hào)處理方面的研究[14]，而未形成閉環(huán)硬件系統(tǒng)，距離工程實(shí)際應(yīng)用存在差距。本文介紹了一種基于藍(lán)光LED的水下光通信系統(tǒng)。圖2為水下光通信系統(tǒng)的示意框圖。該系統(tǒng)為全雙工通信系統(tǒng)，由對(duì)稱(chēng)的收發(fā)端系統(tǒng)構(gòu)成，主要分為發(fā)射和接收2條鏈路。在發(fā)射端，IP攝像頭、多路網(wǎng)絡(luò)傳感器等設(shè)備作為信源通過(guò)交換機(jī)匯總至FPGA網(wǎng)口通信模塊，經(jīng)由FPGA跨時(shí)鐘域處理、編碼調(diào)制等功能模塊，輸出至LED發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路，在這里經(jīng)過(guò)功率器件等其他放大器件的放大，將處理后的信號(hào)搭載至LED發(fā)射器件兩端，后再由光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射出去。調(diào)制光信號(hào)通過(guò)水下信道，接收端將光學(xué)系統(tǒng)聚焦的光信號(hào)送入微弱信號(hào)處理電路，完成光電轉(zhuǎn)換功能。將轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)送入 FPGA信號(hào)處理模塊，經(jīng)由解調(diào)、解碼等處理后，在接收端可以進(jìn)行音視頻、傳感器參數(shù)等數(shù)據(jù)的讀取。

面向水下高速無(wú)線通信的實(shí)際需求，高速、大功率氮化鎵LED器件是解決水下無(wú)線光通信系統(tǒng)“傳得遠(yuǎn)、傳得快”瓶頸難題的關(guān)鍵器件。由于氮化鎵材料和空氣存在大的折射率差異，LED器件的發(fā)射光大部分被約束在器件內(nèi)部。同時(shí)，外延氮化物的厚膜效應(yīng)會(huì)使器件內(nèi)部存在很多波導(dǎo)模式，使發(fā)射光耦合進(jìn)波導(dǎo)模式，最后被損耗掉。為提高器件的出光效率，傳統(tǒng)LED通常采用表面粗化技術(shù)，在器件表面引入納米結(jié)構(gòu)，改變界面態(tài)，破壞由材料折射率差異造成的全反射，使更多發(fā)射光逃逸器件。2009年，飛利浦公司采用激光剝離和電子束曝光技術(shù)，減薄外延氮化物薄膜厚度，研制出集成光子晶體結(jié)構(gòu)、厚度700 nm、發(fā)光波長(zhǎng)450 nm的垂直結(jié)構(gòu)LED，減少了器件內(nèi)波導(dǎo)模式的數(shù)量，提高了器件的出光效率[15-16]。

南京郵電大學(xué)王永進(jìn)團(tuán)隊(duì)提出亞波長(zhǎng)理想LED模型，圖 3是器件的示意圖。根據(jù)布拉格方程，當(dāng)傳輸波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于器件厚度時(shí)，波長(zhǎng)效應(yīng)出現(xiàn)，光線或其他任何東西都會(huì)直接無(wú)損地通過(guò)材料。因此，當(dāng) LED器件中心發(fā)光波長(zhǎng)大于器件厚度時(shí)，器件內(nèi)部的波導(dǎo)模式能夠被抑制消除，集成底部金屬電極反光鏡，發(fā)射光逸出器件，實(shí)現(xiàn)接近完美的 LED出光結(jié)構(gòu)。由于器件厚度大幅減小，電阻效應(yīng)出現(xiàn)，降低了電子傳輸產(chǎn)生的熱效應(yīng)，減小了生產(chǎn)缺陷引起的光、電損耗，提升了器件的注入效率和響應(yīng)速率。此外，亞波長(zhǎng)理想LED能夠抑制側(cè)向光傳輸，降低片內(nèi)光電子集成芯片帶來(lái)的光串?dāng)_。他們通過(guò)金屬鍵合工藝，將原始晶圓和硅晶圓鍵合在一起，通過(guò)拋光減薄技術(shù)，去除原始晶圓襯底，隨后通過(guò)無(wú)掩膜刻蝕技術(shù)進(jìn)行外延氮化物薄膜減薄，研制出厚度225 nm、發(fā)光波長(zhǎng)411 nm的垂直結(jié)構(gòu)LED，實(shí)驗(yàn)證明了亞波長(zhǎng)理想LED模型[17]。在此工作的基礎(chǔ)上，研制出出光面積1 mm×1 mm的垂直結(jié)構(gòu)LED器件，器件厚度580 nm，發(fā)光中心波長(zhǎng)427.8 nm，在比特加載DMT調(diào)制下實(shí)現(xiàn)通信速率608 Mbps的無(wú)線光通信[18]，為研制面向水下無(wú)線光通信的大功率、高效率、高響應(yīng)LED器件提供了一條可行的技術(shù)路線。

圖3 亞波長(zhǎng)理想藍(lán)光LED器件示意圖Fig. 3 Schematic diagram of subwavelength ideal blue LED device

圖 4（a）為研制的水下無(wú)線光通信系統(tǒng)實(shí)物圖。系統(tǒng)采用藍(lán)光 LED作為光發(fā)射器件，器件的發(fā)光譜如圖4（b）所示，中心發(fā)光波長(zhǎng)為450 nm，半高寬為22 nm。

圖4 水下藍(lán)光通信系統(tǒng)Fig. 4 Underwater blue light communication system

圖5為該水下藍(lán)光通信系統(tǒng)的水下實(shí)驗(yàn)圖。該系統(tǒng)在水下環(huán)境光傳輸損耗不大于0.4 dB/m的情況下，水下最大通信距離不小于 50 m，單向通信速率不小于 2 Mbps，雙向信息交換速率不低于4 Mbps，支持音視頻和多路傳感數(shù)據(jù)的水下雙向無(wú)線藍(lán)光通信。

圖5 水下藍(lán)光通信系統(tǒng)水下實(shí)驗(yàn)圖Fig. 5 Underwater experiment diagram of underwater blue light communication system

本文針對(duì)水下可見(jiàn)光通信研制出成熟的硬件系統(tǒng)，并且在可靠性、實(shí)用性等方面都得到了印證。然而，水下光通信依然面臨著諸多待解決的難題，例如高階調(diào)制方式，更高調(diào)制速率、更高出光效率的光源的應(yīng)用等。

未來(lái)水下光通信的發(fā)展將主要從信道、光源、調(diào)制解調(diào)等方面進(jìn)行發(fā)展，以確保水下光通信能夠?qū)崿F(xiàn)高速、遠(yuǎn)距離的通信。

在調(diào)制方式與信號(hào)處理算法等方面，復(fù)旦大學(xué)遲楠教授研究團(tuán)隊(duì)，提出了AI賦能的可見(jiàn)光通信技術(shù)和多種調(diào)制方式，將信號(hào)數(shù)據(jù)處理與AI技術(shù)相結(jié)合并加以新型的適配調(diào)制方式，大大改進(jìn)了發(fā)射端和接收端的數(shù)據(jù)信號(hào)處理能力，為未來(lái)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下復(fù)雜的高速水下光通信設(shè)備的調(diào)制解調(diào)提供理論支撐。

另一方面，雖然使用激光作為光源能夠提供更長(zhǎng)的通信距離，但通信條件苛刻，不僅需要嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，海水的湍流、紊流等都會(huì)造成光斑偏移，從而造成通信鏈路不穩(wěn)定、斷鏈等影響。而LED作為光源，發(fā)光性能上遠(yuǎn)不及激光，在LED方面，南京郵電大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了亞波長(zhǎng)理想結(jié)構(gòu)的 LED器件，提升器件的出光效率、調(diào)制速率，是 LED光源的突破性進(jìn)展。未來(lái)的LED光源在亞波長(zhǎng)垂直結(jié)構(gòu)LED的基礎(chǔ)上提升器件發(fā)光性能，將會(huì)是光源領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。

未來(lái)的6G時(shí)代，水下光通信與聲波、射頻信號(hào)、有線通信等進(jìn)行結(jié)合，一定能克服現(xiàn)有的信道不穩(wěn)定，傳播速率較低的問(wèn)題，成為水下通信的最優(yōu)解。未水下光通信技術(shù)在海上可以將水上船舶設(shè)備、水下設(shè)備與水下的油井、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等大型設(shè)備相連接，構(gòu)筑海上一體化的全光通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在海上環(huán)境的高速通信。同時(shí)與陸地上面的通信進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)有光即可通信，構(gòu)建一種更為自由、覆蓋更廣的通信網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從傳統(tǒng)水下通信方式出發(fā)，對(duì)比分析了水下光通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用前景。詳細(xì)介紹了水下光通信技術(shù)的發(fā)展，分析了現(xiàn)有技術(shù)的不足，研制了一套水下藍(lán)光通信系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)水下通信方式和水下可見(jiàn)光通信，證實(shí)了水下光通信的保密性、可靠性，證明了水下光通信的現(xiàn)實(shí)可應(yīng)用性。相信經(jīng)過(guò)未來(lái)的發(fā)展，水下光通信技術(shù)的高速性、穩(wěn)定性、保密性等優(yōu)點(diǎn)一定能在6G空天海地一體化的全方位通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。