水下光通信技术发展现状

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术

交

流

2023.11·广东通信技术DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2023.11.016

水下光通信技术发展现状

［林木泉 杨少程］

对目前水下光通信的研究现状进行阐述，主要对信道建模技术和信道调制技术进

行了文献的综述，最后总结了水下光通信技术目前面临的难题，同时说明水下光通信

的发展前景，以促使其不断改善，可以为相关研究者提供一定的参考，为后续系统设

计和实验研究提供一定程度的帮助。

林木泉

闽南理工学院自动化控制技术与信息处理福建省高校重点实验室，讲师，学士，

研究生在读，研究方向为物联网无线通信、故障检测。

杨少程

闽南理工学院电子与电气工程学院21级电子信息专业本科大三学生。关键词：

水下光通信 信道建模技术 信道调制技术摘要

1 前言

光通信技术发展可追溯至1880年

，光电话由美国贝

尔发明

，但仅处于试验阶段

。当前光通信技术已被广泛应

用于电信

、互联网工控等诸多领域

。我国海岸线长度超过

3万公里

，对海洋资源的探索也随科技发展而逐步深入

。

对海洋资源的开发

，离不开通信技术的支持

。现在的水下

通信方式还是主要依靠海缆完成

，但无线通信方式相对线

缆通信具备更多优势

，一直是当前的研究热点

，特别是水

下光通信

。

水下光通信(Underwater Wireless Optical Communication

，

UWOC)作为一种新兴的水下无线通信方式

，是以可见光

信息为载体

，通过对数字信号进行编码调制和解调

，以水

作为信道进行传输的通信方式

。由于其具备低延时

、高带宽的特点

，在海底资源探索及海洋环境监测等方面具备较

广泛的应用前景

，且具备高保密性的特点

，在军事上也具

备一定的发展潜力

，现今成为水下信息传输领域的研究

热点

。

2 水下光通信系统模型和研究现状

水下可见光通信的系统模型如图1所示

，整体结构可

分为3部分

，发射部分

、信道部分和接收部分

。发射部分

主要实现信号的编码调制

，要求光源效率高

、编码抗干扰

能力强

。该部分实现了电信号转光信号

。

水下信道完成光信号的传输

，信道环境通常较复杂

，

需考虑吸收

、散射

、温度

、湍流等一系列因素的影响

。接

收部分完成信号解调

，实现光信号到电信号的转换

，需考

基金项目：2021年度福建省中青年教师教育科研项目（科技类），项目编号JAT210501。*

76》

技术交流

技

术

交

流图1 水下可见光通信系统模型

虑去干扰

、有效解调解码的问题

。

目前学者的研究主要集中在信道建模技术和信道调制

技术方面

。

2.1 信道建模技术研究现状

2008年

，Jaruwatanadilok[1]

等人提出一种基于矢量辐

射传输理论的水下无线光通信信道建模方法

。使用其信道

模型

，通过数值蒙特卡罗模拟将散射效应量化为距离和比

特率的函数

。同时作者还通过研究提出光散射时交叉偏振

分量的重要性

。

2011年

，Gabriel等[2]

采用蒙特卡罗方法模拟光子传

播轨迹建立信道模型

，观察在经过量化后的不同水质

、链

路距离和收发器参数的脉冲响应

，实验证明大多数情况下

，

时间弥散不会对接收信号产生干扰

。

2013年

，E. Kazemian[3]

等人研究了叶绿素浓度和海

水对水下光通信( UWOC )链路误码率以及可靠性的影响

。

作者基于Collins公式研究了高斯激光束在海洋中的传输

特性

，且推导出海水沿光路传输的解析公式

。

2014年

，Dong等[4]

研究MIMO配置下UWOC的链

路脉冲响应

。所提出的加权双伽马函数

（WDGF

）模型与

UWOC MIMO链路在实际海洋环境中得到的实验数据与

理论值吻合度较高

。

2014年

，Choudhary 等人[5]

提出了基于蒙特卡罗模拟

和Henyey-Greenstein模型的无视距

（NLOS

）水下无线光

通信

（UWOC

）信道

。基于路径损耗

，分析了不同水类型

和接收器视场

（FOV

）水下

（UW

）系统的性能

。

2017年

，Oubei等人[6]

为了研究弱温度诱导湍流的统

计特性

，使用了广义伽马分布

，针对温度梯度的UWOC

信道进行建模

，数据表明该模型与各类信道条件下的测量

数据具有很好的拟合度

。

2017年

，Jamali[7]

分析评估了点对点多跳水下无线光通信系统的端到端误码率

（BER

），吸收

、散射和湍流引

起的衰落是影响UWOC信道的主要因素

。实验数值结果

表明

，以多跳传输方式缓解信道损伤

，可以显著提高系统

性能

，增加端到端通信的通信距离

。

2017年

，Rabia Qada[8]

等在单输入单输出UWOC信

道中提出一种基于蒙特卡罗模拟的自适应方法

，该方法通

过误码率

（BER

）和接收功率确定光子能量损耗

。其数据

结果表明

，较大的接收器孔径可以增加所需的光功率和

BER

。

2017年

，Oubei[9]

提出了Weibull模型来表征盐度引

起的湍流水下无线光通道的衰落

。实验结果表明该模型在

所有信道条件下都理论值与测量数据吻合度较高

。

2018年Sharifzadeh[10] 为了研究提出的不同概率密度

函数

（PDF

）对水下衰落统计行为的影响

，适当考虑吸收

和散射效应

，采用基于蒙特卡洛数值方法建立模型

，并将

衰落效应视为上述PDF的乘法系数

。其结果表明

，随着

湍流强度增大

，不同统计分布预测的系统性能差距变大

，

作者强调了精确信道模型对于UWOC系统设计十分重要

。

2019年

，Zedini[11] 提出了一种统计模型

，研究淡水以

及咸水中的气泡和温度梯度条件下UWOC信道中湍流诱

导衰落的特征

。这是较早提出的一个综合信道模型

，用于

统计由于气泡和温度梯度引起的UWOC信道中的光束辐

照度波动

。

2020 年

，Singh[12]

提出一种统计信道模型

，用于表

征不同气泡种群下存在淡水情景下的水下无线光通信

（UWOC

）系统

。基于实验数据

，采用高斯混合模型对

接收到的光信号的辐照度波动进行了表征

。UWOC 通道

的行为以分析表达式的形式建模

。在定通道条件下

，作者

通过使用提出的解析表达式所得到的数据与实验数据吻合

度高

。

2021年

，Cai [13]

提出了一种综合吸收

、散射和动态湍

流效应的水下无线光通信

（UWOC

）信道多参数模型

。Z

作者认为

，在弱湍流或中等湍流下

，通过增加发射光功率

可以有效提高误码率

（BER

）性能

。50 m UWOC通道从

纯海水到海水的功率损失为5.8 dBm

，从弱湍流到中等湍

流的功率损失为1.0 dBm

，误码率阈值为10−6

。77技

术

交

流水下光通信技术发展现状

2023.11·广东通信技术2021年

，Kumar [14]

实验分析了不同垂直水道条件下

水下无线光通信

（UWOC

）的性能

。通过改变垂直水道

的温度和盐度进行了实验

。作者通过接收光功率作为实

验结果来完成传输深度和衰减函数的拟合

。本文在垂直

UWOC链路中的功率预算以及不同信道条件下传输数据

速率等方面能够为研究者提供一定的参考意见

。

2021年

，Singh[15] 使用高斯混合模型

（GMM

）对水中

气泡存在的影响进行研究

。通过信噪比

、中断概率

、误码

率

、最大Q因子等方面对UWOC系统的性能进行了评估

，

其结果表明

，使用GMM模型建模的实验结果与提出的理

论结果吻合度较高

。

2022年

，Lou Y[16]

研究了垂直水下无线光通信

（UWOC

）

系统在存在气泡和温度梯度下的性能

。作者提出广义的

UWOC通道模型

，其中包含层

，每G个N层具有相同的

分布

，但具有不同的参数

，以考虑水下环境的垂直不均匀

性

。作者使用混合指数广义伽马分布对每一层进行建模

。

2.2 信道调制技术研究现状

2009年

，Sui[17]

通过建模和仿真

，表明脉冲位置调制

（PPM

）更适合于低功率的海底通信系统

，作者认为相移

键控

（PSK

）调制对比其他调制方法在带宽以及误差方面

表现更好

，而功率效率则较差

。

2010年

，刘金涛等人[18]

使用MonteCarlo方法模拟了

卫星接收到的水下平台上行激光链路的性能

，在卫星与激

光信号中心水平距离5km范围内

，作者采用脉冲位置调

制和最大似然估计的方法

，实现了通信系统的误码率小于

10–4

。

2013年

，胡秀寒等人[19]

设计了一种采用数字信号

处理机(DSP)实现的高速水下通信系统

，作者成功实现

在100 m的水池中进行全双工水下通信

，且通信速率达到

73 kbit/s

，能够进行实时传输语音和图像信息

。作者采用

脉冲位置调制和RS编码的方式完成实验

。

2015年

，Oubei[20]

等人使用开关键控不归零

（OOK-

NRZ

） 调制方案在 7 m 距离上实验实现在2.3 Gbit/s传输

时

，接收数据的实测误码率远 2.23

×10−4

，低于无差错操

作 2

×10−3

所需的前向纠错

（FEC

）阈值

。

2016年

，周田华等人[21]

发现信号在海水信道中衰减严重

，提出一种将低密度奇偶校验码和脉冲位置调制的方

式相结合且在脉冲位置调制的软解调基础上进行简化的方

法

，作者通过软件仿真验证了采用该方法的误码率性能优

于RS码

，作者认为该方法甚至不需要知道信道的详细特

征

，适用于不同信道

。

2017年

，CHEN等人[22]

使用单模辫状绿色激光二极

管作为光源

，调制技术为32–正交调幅–正交频分复用

，

在21 m的水下信道中成功完成了5.3 Gbit/s的无功率负载

上行传输5.5 Gbit/s的有功率负载下行传输的实验

，其接

收数据误码率分别为2.47

×10–3

和2.92

×10–3

。

2018年

，HUANG等人[23]

使用蓝色激光二极管作为

发射光源

，调制方式为16–正交振幅调制–频分复用

，实

现14.8 Gbit/s的传输速率和1.9

×10–5

的误码率以及1.7 m

的水下通信距离以及10.8 Gbit/s的传输速率和1.5

×10–4

的误码率以及10.2 m的水下通信距离两个实验

。

2019年

， Wang J等人[24]

提出了一种以多像素光子计

数器

（MPPC

）为接收器和正交频分复用

（OFDM

）的水

下无线光通信

（UWOC

）系统

，利用 32-QAM OFDM 调制

，

在 21 m 水下通道上成功实现了 312.03 Gbit/s 的净数据速

率

，误码率

（BER

） 低于前向纠错

（FEC

） 限制

。

2020年

，Chen H等人[25]

建立了一个基于单光子雪崩

二极管

（SPAD

）接收器的水下无线光通信

（UWOC

）系

统

。得到了不同距离和数据传输速率下UWOC的误码率

（BER

）和信噪比

（SNR

）性能

。UWOC系统采用开关键

控

（OOK

）调制方案分别获得最大估计距离144 m和117 m

，

对应的BER为1.89

×10-3

和5.31 10-4

，数据传输速率为

500 bit/s和2 Mbit/s

。作者认为获得的长UWOC距离部分

受益于高灵敏度SPAD

，小激光发散角和低光衰减

。

2022年

，GaiL等人[26] 通过设计和开发偏振复用调制

和光子计数检测的UWOC实验系统

，分别采用偏振开关

键控调制和偏振2脉冲位置复用调制

，在92 m的水道上

实现了14.58 Mbit/s和7.29 Mbit/s的数据传输速率

。

2023年

，Qasem[27]

提出并实验演示了用于水下无线

光通信

（UWOC

）的能量和频谱效率指数调制

（IM

）方

案

。该方案利用基于离散哈特利变换

（DHT-OFDM

）的直

流光正交频分复用IM而不是传统的基于离散傅里叶变换