日前，《in》主編約請清華學院田朋飛撰寫水下無線光通訊的最新進展與展望(inandof,)，《in》為國際著名刊物，2020年影響因子為7.19。該綜述論文由清華學院、南京郵電學院共同完成，清華學院朱世杰、陳新偉、田朋飛為共同第一作者，田朋飛為通信作者。
同時，主編高度評價該綜述論文的水平，約請水下無線光通訊領域專家阿卜杜拉國王科技學院(KAUST)Ooi對該綜述撰寫高亮評論()。主編慶賀了論文作者獲得《in》期刊設置評論(“”)以來的首篇高亮評論。
一、背景介紹
海洋資源的開發和采集幾乎與水下通訊密不可分，水下通訊技術的研究導致了人們的廣泛注重。據悉量子傳輸距離，水下無線通訊(UWC)在水下航行中起著至關重要的作用，它也是水下傳感網路的關鍵技術之一。因而，對UWC技術的傳輸速度和傳輸距離的要求也越來越高。
傳統的水下通訊方法主要包括水下聲波通訊(UAC)、水下射頻(RF)通訊和水下無線光通訊(UWOC)。基于水下聲波進行通訊的UAC技術仍然被覺得是進局長距離數據傳輸的最實用的方法，其傳輸距離可達幾十公里。但是，因為低擴頻頻度所限制的高調制帶寬，致使UAC存在著傳輸速度相對較低的問題，其數據速度通常在kbps左右。同時，因為聲波在水下信道中的傳播速率比無線電波低數個量級，這造成聲波通訊會存在較大的延后。
與UAC相比，射頻通訊具有可平滑通過空氣/水界面、對水下紊流等干擾誘因的耐受性較強等優點;并且射頻訊號因為其水下傳播速率快，同時具有延后低的優勢。在UWC中使用的射頻波可以從幾十Hz到GHz，但只有在30～300Hz的超低頻訊號能夠在導電的海水中傳播，由于高頻訊號會有很大的衰減。因而水下射頻通訊的調制帶寬也相對較低，致使短距離內的數據速度有限量子傳輸距離，約為Mbps的量級。據悉，為了補償射頻通訊中的較高的天線耗損，須要巨大的天線和較高的傳輸功率。
考慮到水下射頻通訊和UAC存在幀率大、延遲高、不能同時具備高速率與長距離等缺點，研究人員提出了基于水下光訊號進行數據傳輸的UWOC作為一種合適的解決方案。因為UWOC具有數百MHz甚至GHz的高調制帶寬，就能實現超過Gbps的數據速度，同時傳輸距離可以達到數百米。這種高速率、長距離的優勢將保證許多實時應用的實現，如已有文獻年報道的水下實時視頻傳輸系統，其平均傳輸速度約為1.5Gbps，平均傳輸信噪比為100ms。據悉，因為大多數射頻訊號的頻帶早已完全授權給一些營運商，而UWOC可以借助未被授權的頻譜，因而被覺得是可以防止頻譜串擾的一個有效的解決方案。并且UWOC的光收發器成本低，如發光三極管(LED)、激光三極管(LD)和光電三極管(PD)等等，與UAC和射頻通訊相比，具有低幀率和低成本的特性。三種UWC技術的比較見表1。
表1三種UWC技術的比較
二、文章介紹
文章從水下通訊系統的通訊信道、系統發射機和接收機、調制方法等角度對UWOC系統進行了簡明簡略的探討。對于水下信道，簡略介紹了水下環境的特性、常用的水下信道模型以及實際水下環境對UWOC系統性能的影響。對于系統發射機和接收機方面，總結了UWOC系統采用的發射機和接收機技術的最新進展。在調制方法方面，回顧了基于LED和LD的UWOC系統所采用的各類先進調制方法的最新研究進展。在文章的最后，提出了一些UWOC系統的研究方向和亟需解決的挑戰。
三、主要內容
1、UWOC信道的理論和實驗研究
因為水下環境中的光傳播十分復雜，因而水下傳輸信道極具挑戰性。光在水生介質中傳播會因為嚴重的吸收和散射效應而衰減。海水多變的環境也將給UWOC系統帶來不穩定性。文章對目前已有的水下信道的建模方式和實驗研究進行了總結，并對其接出來的研究方向進行了合理推論。
文章首先介紹了水的光學特點，包括不同水質的衰減系數、海洋環境按照垂直深度變化引起的水下光學特點的變化等。海洋中垂直分層環境的概要示意圖如圖1所示。
圖1.海洋中垂直分層環境的示意圖
在介紹了水的光學特點后，文章開始對UWOC的理論研究進行了總結，包括對UWOC常用的鏈路配置、LOS鏈路以及NLOS鏈路的UWOC模型的研究結果進行了介紹。目前UWOC信道有兩種常用的配置，包括點對點視線(LOS)配置和非視線(NLOS)配置，如圖2所示。
圖2.UWOC鏈路配置：(a)LOS配置，和(b)NLOS配置
對LOS鏈路的UWOC模型的研究成果總結中，主要包括兩種對LOSUWOC鏈路進行建模的方式，即比爾·朗伯特定理和幅射傳遞多項式(RTE)。比爾·朗伯特定理是最簡單的理論模型，并且它沒有考慮散射回接收器的部份，有時會造成誤差。RTE是基于能量守恒得出的，解決RTE的方式有兩種：解析解和數值解。RTE估算解析解十分困難，一般采用數值解的方式來解RTE，包括蒙特卡洛、不變嵌入法、離散縱座標法與隨機模型。蒙特卡洛建模比較簡單，而且估算效率很低，幾乎不能用于理論剖析。不變嵌入法和離散縱座標法其實估算效率高，而且不變嵌入法只能求解一維RTE，離散縱座標法無法編程。為此，極少有研究人員在UWOC中使用這兩種方式。而基于光子軌道的機率性質的隨機模型仍未成熟，缺少實驗驗證，須要進一步研究。未來對理論模型的進一步研究將主要集中在提升蒙特卡洛方式的估算效率，構建和驗證具有較低估算復雜度的隨機模型上。而且有必要進一步研究各類水下誘因對UWOC性能的影響，并結合理論建模和剖析。
對NLOS鏈路的UWOC模型的研究成果總結中，主要包括NLOS的提出、發展以及現況等。雖然NLOSUWOC模型近些年來發展迅速，但現有的信道模型還不夠成熟精確。由于現有的NLOS模型主要考慮海平面的斜度，卻甚少關注水質等特點。據悉，確切模擬海平面的隨機波動一直是一個問題。據悉，考慮到實際海水環境與模型之間存在一定的差別，文章還總結了一些研究人員在實驗室中模擬海洋環境，以研究水質，紊流和其他誘因對通訊性能的影響的相關研究結果。一些主要實驗配置如圖3所示。
圖3.在具有(a)不同的氣泡，氣溫和酸度環境以及(b)不同水質下的實際UWOC系統配置。(圖(a)引用自文獻“M.V.,A.,A.,B.,P.,A.,P.,S.,J.A.,ofinintheofair,,and,IEEEon66(2018)4706-4723.”圖(b)引用自文獻“P.F.Tian,H.L.Chen,P.Y.Wang,X.Y.Liu,X.W.Chen,G.F.Zhou,S.L.Zhang,J.Lu,P.J.Qiu,Z.Y.Qian,X.L.Zhou,Z.L.Fang,L.R.Zheng,R.Liu,X.G.yi,andof,,andseasaltonamicro-LED-based[],17(2019).”)
當前對實際水下信道通訊性能的研究主要是通過在實驗室模擬海洋環境因而進行研究。但是，關于實際信道對UWOC通訊性能的影響的研究還不夠充分和可靠。將來在真實的海洋環境中進行確切而全面的實驗研究是必不可少的。
2、UWOC系統發射機和接收機方面進展
UWOC作為一種新興的水下通訊技術，近些年來發展迅速，取得了明顯成績。對于基于LD的UWOC系統，研究表明鏈路速度和通訊距離分別可以達到30Gbps和100m以上。而基于LED的UWOC系統，研究表明鏈路速度和通訊距離分別可以達到20Gbps和46m以上。基于LED和LD的UWOC系統都呈現了相同的實驗結果，即發射機光功率和接收機靈敏度直接影響著訊號的傳輸距離，收發器的調制帶寬直接限制了UWOC系統的傳輸速度。
水下通訊系統的研究大多是先在實驗室進行演示，之后逐漸應用到實際水下環境中。一個典型的實驗室視線UWOC系統由三部份組成，如圖4所示，包括發射單元、水下信道和接收模塊。發射單元由光源裝置、調制器、光放大器和光學透鏡等組成。接收模塊由放大電路、光學混頻器、光學透鏡和光電偵測器等組成。在發射端，信息源形成的信息經過編碼和調制處理后，加載到任意訊號發生器(AWG)上。之后AWG輸出經過調制的交流聯通號，通過bias-tee與直流電結合，驅動光源發射裝置發出光擴頻。調制后的光訊號經發射透鏡準直后通過水箱。水箱內裝滿自來水，用于模擬水下鏈路，實驗中一般借助反射鏡來實現遠距離傳輸。為了模擬真實的水下環境，一般會在水底加入和海鹽等作為散射劑。在接收端，光訊號將被接收透鏡聚焦，之后被光電偵測器捕獲。經光電偵測器轉換后的聯通號將經過放大器和低通混頻器進行進一步優化，然后傳送到示波器(OSC)或訊號質量剖析儀(DSA)進行解碼和譯碼，因而恢復到原始訊號，計算機或誤分辨率模塊將搜集原始信息進行進一步剖析。
圖4.典型的實驗室視線UWOC系統示意圖
在設計UWOC系統時必須考慮到幾個問題。首先，因為海水的吸收和散射，光訊號會遭到嚴重的衰減。所以，應按照水下環境的混濁度和所包含物質的成份，悉心選擇發射器光源的波長和類型，以盡量降低衰減。諸如，在波羅的海海水中，光衰減最小的波段在520-590nm之間。據悉，發射機要有足夠的發射功率，接收機要有足夠的靈敏度，以保證訊號的接收。其次，為了保證視線鏈路中信息的有效傳輸，須要發射機和接收機的精確對準。但是，海水中的紊流常常會引起鏈路的不匹配，尤其是在淺層深度中。因而，須要發射機具有適當的發散角或接收機具有較大的接收面積。第三，帶寬和煤耗是影響通訊速度和距離的關鍵問題，所以UWOC系統的元件應具有高能效和高帶寬的特性。對于UWOC系統的實際應拿來說，發射和接收設備的優化設計是實現遠距離、高速系統的關鍵技術之一。為此，在文章中對發射器和接收器的改善技術進行了詳盡的總結。
圖5.UWOC系統發射機的研究進展總結，展示了不同光源類型的調制帶寬、傳輸數據速度和距離、覆蓋面積等內容。
在發射器方面，LD和LED作為最常用的發射器，依據不同的應用環境，各有優勢。LED適用于低成本、短距離、中等數據速度的UWOC系統。而LD在長距離、高速的UWOC系統中發揮著重要作用。同時，垂直腔面發射激光器(VCSEL)、超幅射發光晶閘管(SLD)和micro-LED因為其高調制帶寬等優良特點也被應用于UWOC系統中。與LED相比，micro-LED因而尺效應具有更高的調制帶寬。而SLD具有高功率、快速響應和寬頻譜的特性，它結合了LED和LD的優點。它們都是UWOC發展中很有前途的選擇。據悉，為了進一步提升系統性能，還借助了多項關鍵技術。注入光鎖定和光反饋技術有利于增強基于LD的UWOC系統的調制帶寬。均衡技術通過補償信道的傳輸特點，才能有效提升基于LED的UWOC系統容量。在提升系統覆蓋面積方面，光束縮小/擴大器和陣列制造元件都是有效的解決方案。在接收機方面，詳盡討論了偵測器的類型和特點以及噪音的分類。常用的偵測器有光電倍增管(PMT)、光電偵測器包括PIN光電晶閘管(PINPDs)和雪崩光電晶閘管(APDs)、其它單光子檢查器比如單光子雪崩晶閘管(SPADs)和多象素光子計數器(MPPCs)等。其中，PMT和MPPC的靈敏度較高，因此價錢和元件復雜度也較高，其次是APD、PINPD。MPPC和PMT更適宜于低發射功率、長通訊距離的深海UWOC系統;而APD和PINPD則更適宜于高速、強光訊號的UWOC系統。在UWOC系統的發展趨勢中，研究高靈敏度、低噪音的偵測器是主要研究方向，同時一些具有特殊應用功能的偵測器也須要關注，比如太陽能電板板和深紫外光偵測器等。
3、應用于復雜水下信道的先進調制方法
眾所周知，與自由空間光通訊相比，水下光通訊傳輸通道愈發復雜。為了提升UWOC的性能，不僅優化設計發射和接收設備外，具有高頻譜效率的調制技術也導致了學術界和產業界的極延慶趣和關注。因而，文章中對應用于UWOC系統中的常用調制方法進行了總結。OOK(開關鍵控)、PPM(脈沖位置調制)和PAM(脈沖幅度調制)因為實現簡單，是UWOC中常用的調制方法。OOK是最簡單的調制方法，但在水下環境中也最容易遭到干擾。PPM的平均功率大于OOK，但PPM存在帶寬效率低的缺點。與PPM相比，PAM的帶寬效率更高，但會犧牲其功率效率。據悉，復雜度較高的先進調制方法可以進一步提升系統傳輸容量。OFDM(正交頻分復用)和DMT(離散多音)等多擴頻調制方法可以有效減少碼間干擾和信道沒落。但DMT和OFDM調制的主要缺點是PAPR(峰值平均功率比)較高，可能會造成訊號的非線性失真。與OFDM相比，CAP(無擴頻幅度相位)調制的PAPR較低，但CAP調制要求收發器具有IQ分離和整形混頻的功能，因而實現較復雜。OAM(軌道角動量)調制作為一種新興的調制技術，它借助OAM光束具有螺旋或扭曲結構，具有多個正交態數的特點，通過空間上的多路復用，可有效提高UWOC系統的通訊容量。但OAM雜波本身在復雜的水下環境中，容易遭到影響。以上這種調制方法都早已在UWOC系統中得到了應用，并取得了令人滿意的性能。新型調制方法的研究和多路復用技術的應用已成為增強UWOC系統信道容量的發展趨勢。
圖6.不同調制方法原理示意圖:(a)OOK,PPM,PAM;(b)CAP。(圖(b)引用自文獻“N.Chi,M.Shi,forlight[],16(2018).”)
量子通訊是一種新興的通訊方法，它也可以作為傳輸安全秘鑰的手段。水下量子秘鑰分配(QKD)在絕對安全的水下通訊中具有潛在的應用前景。QKD容許遠程雙方完善安全秘鑰，借助單光子或糾纏光子來實現秘鑰分配，其安全性是基于量子態的基本化學特點，而不是借助傳統的密碼學，因此可以有效防止被打動或破解。近些年來，早已有許多關于水下QKD的研究進展。北京交通學院團隊率先證明了光子偏振光量子態和量子糾纏在海水中傳播后可以挺好地保有量子特點，否認了水下量子通訊的可行性。單光子量子態傳輸的實驗系統如圖7所示，借助具有脈沖模式的激光器形成單光子源，之后借助偏振光分光器將單光子編碼在6個基本極化初態上。編碼后的單光子在海水中傳輸后，采用量子態層析成像法重建輸出態的密度矩陣。實驗結果表明不同海水樣本的每位入射基本初態的保真度都高達98%以上。而其他研究團隊也通過理論或則實驗進一步證明了水下量子通訊的可行性。在未來，從衛星到潛水器的遠距離空海量子通訊也有望實現。
圖7.單光子量子態傳輸實驗系統示意圖。(圖引用自文獻“L.Ji,J.Gao,A.-L.Yang,Z.Feng,X.-F.Lin,Z.-G.Li,X.-M.Jin,infree-space,25(2017)19795-19806.”)
四、展望
雖然UWOC早已取得了很大進展，但水下環境的復雜性依然給UWOC帶來了許多挑戰。
(1)實現可靠的遠距離高速數據傳輸是UWOC系統面臨的挑戰之一。通訊距離短是阻礙UWOC發展的主要障礙之一，其癥結在于光訊號在水下存在嚴重的吸收和散射。因而，亟待研究大功率、藍紅光區域帶寬高的光源元件;以及高響應速率、高靈敏度、低噪音、和大視場角的光電偵測器，以滿足遠距離和高速通訊的須要。據悉，先進調制技術的改進也有望延長水下鏈路的距離，并提升傳輸速度。
(2)鏈路對準和大范圍覆蓋是決定UWOC系統中數據傳輸質量的兩個重要誘因。不僅UWOC信道中的障礙物外，傳輸鏈路還容易遭到晃動效應導致的錯位影響。晃動是指因為深度變化、海洋紊流、海面隨機運動等緣由導致的發射機和接收機之間的隨機錯位，在復雜的水下環境中無法防止。假如發射機的覆蓋范圍有限，而接收機的可接收面積較小，則通訊鏈路很容易中斷。因而，開發覆蓋范圍廣的收發器，或在實際水下環境中采用非視線鏈路減輕晃動錯位影響是極其重要的。據悉，開發智能自適應的UWOC收發器也是未來水下通訊網路的一個挑戰。
(3)發展具有高功率效率和帶寬效率的先進調制技術，以提升系統數據傳輸速度、鏈路距離和穩定性。新穎的調制方案比如采用OAM等新的維度可以有效提高傳輸帶寬。量子通訊的借助可以進一步提升UWOC的保密性和通訊距離。而復用技術的借助是提升UWOC系統容量的發展趨勢。據悉，隨著近些年來深度學習的普及，許多研究者借助神經網路來優化調制訊號的測量、編碼和譯碼過程，有望進一步提高UWOC系統的性能穩定性。
(4)發展UWOC系統的理論信道模型和進行實際水下實驗也是一個很大的挑戰。因為水下環境具有高壓、寬氣溫范圍、海洋生物繁雜、海鹽腐蝕和海洋紊流等復雜性，UWOC系統的實際施行難度很大，而這種誘因也將強烈影響UWOC系統的壽命和性能。為此，搜集海洋數據并進行合理的建模，在真實海水中進行實驗是當前須要解決的難點和問題。據悉，還須要對垂直鏈路和非視線UWOC系統進行信道建模和實驗。目前，UWOC的研究大多集中在水平鏈路和點對點視線鏈路上。垂直鏈路須要考慮折射率隨深度和氣溫的變化，以及海洋成份的分層分布，對模型的構建和模擬有更高的要求。而非視線UWOC系統的信道模型和收發器還須要進一步設計和優化。
(5)建立可靠、節能的水下混和傳感網路也是一項重要工作。發展水下通訊技術的最終目標是建立水下網路，實現自主水下航行器(AUV)、遙控潛水器(ROV)和水下傳感節點之間的自由通訊。為此，設計一個具有高效節能、高穩定性等特性的UWOC系統，成功解決遠距離通訊、鏈路對準和覆蓋等方面的挑戰，具有重要意義。同時，能源消耗也是UWOC系統面臨的一大挑戰。因為UWOC系統在實際應用中大多須要由電瓶供電，因而能效十分重要。據悉，發展能源自給自足的UWOC系統也是一種有前途的方式，比如應用微生物燃料電瓶、聲學壓電能量搜集器和太陽能電板板等等。并且，對于能量自給型UWOC系統的研究還不夠細致。因為深海中未能接收到太陽能，而其他能量采集技術也不夠成熟，設備電瓶的可靠性和幀率效率仍是實現水下常年運行的關鍵。
