复旦大学田朋飞课题组：水下无线光通信的最新进展与展望
近日，《Progress in Quantum Electronics》主编Martin Dawson邀请复旦大学田朋飞撰写水下无线光通信的最新进展与展望(Recent Progress in and Perspectives of Underwater Wireless Optical Communication）。
《Progress in Quantum Electronics》为国际知名review期刊，2020年影响因子为7.19。该综述论文由复旦大学、南京邮电大学共同完成，复旦大学朱世杰、陈新伟、田朋飞为共同第一作者，田朋飞为通讯作者。
同时，主编Martin Dawson高度评价该综述论文的水平，邀请水下无线光通信领域专家阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）Ooi对该综述撰写高亮评论。主编祝贺了论文作者获得《Progress in Quantum Electronics》期刊设置评论区域（"Commentary" section）以来的首篇高亮评论。
一、背景介绍
海洋资源的开发和采集几乎与水下通信密不可分，水下通信技术的研究引起了人们的广泛重视。此外，水下无线通信（UWC）在水下航行中起着至关重要的作用，它也是水下传感器网络的关键技术之一。因此，对UWC技术的传输速率和传输距离的要求也越来越高。
传统的水下通信方式主要包括水下声波通信（UAC）、水下射频（RF）通信和水下无线光通信（UWOC）。基于水下声波进行通信的UAC技术一直被认为是进行长距离数据传输的最实用的方式，其传输距离可达几十公里。然而，由于低载波频率所限制的低调制带宽，使得UAC存在着传输速率相对较低的问题，其数据速率一般在kbps左右。同时，由于声波在水下信道中的传播速度比无线电波低数个量级，这导致声波通信会存在较大的延迟。
与UAC相比，射频通信具有可平滑通过空气/水界面、对水下湍流等干扰因素的耐受性较强等优点；而且射频信号由于其水下传播速度快，同时具有延迟低的优势。在UWC中使用的射频波可以从几十Hz到GHz，但只有在30～300Hz的超低频信号才能在导电的海水中传播，因为高频信号会有很大的衰减。因此水下射频通信的调制带宽也相对较低，导致短距离内的数据速率有限，约为Mbps的量级。此外，为了补偿射频通信中的较高的天线损耗，需要巨大的天线和较高的传输功率。
考虑到水下射频通信和UAC存在功耗大、延迟高、不能同时具备高速率与长距离等缺点，研究人员提出了基于水下光信号进行数据传输的UWOC作为一种合适的解决方案。由于UWOC具有数百MHz甚至GHz的高调制带宽，能够实现超过Gbps的数据速率，同时传输距离可以达到数百米。这些高速率、长距离的优势将保证许多实时应用的实现，如已有文献中报道的水下实时视频传输系统，其平均传输速率约为1.5Gbps，平均传输时延为100ms。此外，由于大多数射频信号的频带已经完全授权给一些运营商，而UWOC可以利用未被授权的频谱，因此被认为是可以避免频谱拥塞的一个有效的解决方案。而且UWOC的光收发器成本低，如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和光电二极管(PD)等等，与UAC和射频通信相比，具有低功耗和低成本的特点。三种UWC技术的比较见表1。
表1三种UWC技术的比较
二、文章介绍
文章从水下通信系统的通信信道、系统发射机和接收机、调制方式等角度对UWOC系统进行了简明扼要的阐述。对于水下信道，简要介绍了水下环境的特点、常用的水下信道模型以及实际水下环境对UWOC系统性能的影响。对于系统发射机和接收机方面，总结了UWOC系统采用的发射机和接收机技术的最新进展。在调制方式方面，回顾了基于LED和LD的UWOC系统所采用的各种先进调制方式的最新研究进展。在文章的最后，提出了一些UWOC系统的研究方向和亟待解决的挑战。
三、主要内容
1、UWOC信道的理论和实验研究
由于水下环境中的光传播非常复杂，因此水下传输信道极具挑战性。光在水生介质中传播会由于严重的吸收和散射效应而衰减。海水多变的环境也将给UWOC系统带来不稳定性。 文章对目前已有的水下信道的建模方法和实验研究进行了总结，并对其接下来的研究方向进行了合理推测。
文章首先介绍了水的光学特性，包括不同水质的衰减系数、海洋环境根据垂直深度变化导致的水下光学特性的变化等。海洋中垂直分层环境的概要示意图如图1所示。
图1
图1.海洋中垂直分层环境的示意图。
在介绍了水的光学特性后，文章开始对UWOC的理论研究进行了总结，包括对UWOC常用的链路配置、LOS链路以及NLOS链路的UWOC模型的研究结果进行了介绍。目前UWOC信道有两种常用的配置，包括点对点视线（LOS）配置和非视线（NLOS）配置，如图2所示。
图2
图2. UWOC链路配置：（a）LOS配置，和（b）NLOS配置。
对LOS链路的UWOC模型的研究成果总结中，主要包括两种对LOS UWOC链路进行建模的方法，即比尔·朗伯特定律和辐射传递方程（RTE）。
比尔·朗伯特定律是最简单的理论模型，但是它没有考虑散射回接收器的部分，有时会引起偏差。RTE是基于能量守恒得出的，解决RTE的方法有两种：解析解和数值解。RTE计算解析解非常困难，通常采用数值解的方法来解RTE，包括蒙特卡洛、不变嵌入法、离散纵坐标法与随机模型。蒙特卡洛建模比较简单，但是计算效率很低，几乎不能用于理论分析。不变嵌入法和离散纵坐标法虽然计算效率高，但是不变嵌入法只能求解一维RTE，离散纵坐标法难以编程。
因此，很少有研究人员在UWOC中使用这两种方法。而基于光子轨道的概率性质的随机模型尚未成熟，缺乏实验验证，需要进一步研究。未来对理论模型的进一步研究将主要集中在提高蒙特卡洛方法的计算效率，建立和验证具有较低计算复杂度的随机模型上。并且有必要进一步研究各种水下因素对UWOC性能的影响，并结合理论建模和分析。
对NLOS链路的UWOC模型的研究成果总结中，主要包括NLOS的提出、发展以及现状等。尽管NLOS UWOC模型近年来发展迅速，但现有的信道模型还不够成熟精确。因为现有的NLOS模型主要考虑海平面的坡度，却很少关注水质等特征。此外，准确模拟海平面的随机波动仍然是一个问题。此外，考虑到实际海水环境与模型之间存在一定的差异，文章还总结了一些研究人员在实验室中模拟海洋环境，以研究水质，湍流和其他因素对通信性能的影响的相关研究结果。一些主要实验配置如图3所示。
图3
图3.在具有（a）不同的气泡，温度和盐度环境以及（b）不同水质下的实际UWOC系统配置。
（图（a）引用自文献“M.V. Jamali, A. Mirani, A. Parsay, B. Abolhassani, P. Nabavi, A. Chizari, P. Khorramshahi, S. Abdollahramezani, J.A. Salehi, Statistical studies of fading in underwater wireless optical channels in the presence of air bubble, temperature, and salinity random variations, IEEE Transactions on Communications 66 (2018) 4706-4723.”
图（b）引用自文献“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. Cui, Absorption and scattering effects of Maalox, chlorophyll, and sea salt on a micro-LED-based underwater wireless optical communication [Invited], Chinese Optics Letters 17 (2019) 100010.”）
当前对实际水下信道通信性能的研究主要是通过在实验室模拟海洋环境从而进行研究。 然而，关于实际信道对UWOC通信性能的影响的研究还不够充分和可靠。 将来在真实的海洋环境中进行准确而全面的实验研究是必不可少的。
2、UWOC系统发射机和接收机方面进展
UWOC作为一种新兴的水下通信技术，近年来发展迅速，取得了显着成绩。对于基于LD的UWOC系统，研究表明链路速率和通信距离分别可以达到30 Gbps和100m以上。而基于LED的UWOC系统，研究表明链路速率和通信距离分别可以达到20 Gbps和46m以上。基于LED和LD的UWOC系统都呈现了相同的实验结果，即发射机光功率和接收机灵敏度直接影响着信号的传输距离，收发器的调制带宽直接限制了UWOC系统的传输速率。
水下通信系统的研究大多是先在实验室进行演示，然后逐步应用到实际水下环境中。一个典型的实验室视线UWOC系统由三部分组成，如图4所示，包括发射单元、水下信道和接收模块。发射单元由光源装置、调制器、光放大器和光学透镜等组成。接收模块由放大电路、光学滤波器、光学透镜和光电探测器等组成。
在发射端，信息源产生的信息经过编码和调制处理后，加载到任意信号发生器（AWG）上。然后AWG输出经过调制的交流电信号，通过bias-tee与直流电结合，驱动光源发射装置发出光载波。调制后的光信号经发射透镜准直后通过水箱。水箱内装满自来水，用于模拟水下链路，实验中通常利用反射镜来实现远距离传输。为了模拟真实的水下环境，通常会在水中加入Maalox和海盐等作为散射剂。
在接收端，光信号将被接收透镜聚焦，然后被光电探测器捕获。经光电探测器转换后的电信号将经过放大器和低通滤波器进行进一步优化，然后传送到示波器(OSC)或信号质量分析仪(DSA)进行解码和解调，从而恢复到原始信号，计算机或误码率模块将收集原始信息进行进一步分析。
图4
图4.典型的实验室视线 UWOC系统示意图。
在设计UWOC系统时必须考虑到几个问题。首先，由于海水的吸收和散射，光信号会受到严重的衰减。所以，应根据水下环境的浑浊度和所包含物质的成分，精心选择发射器光源的波长和类型，以尽量减少衰减。例如，在波罗的海海水中，光衰减最小的波段在520-590nm之间。此外，发射机要有足够的发射功率，接收机要有足够的灵敏度，以保证信号的接收。其次，为了保证视线链路中信息的有效传输，需要发射机和接收机的精确对准。然而，海水中的湍流往往会导致链路的不匹配，尤其是在浅层深度中。因此，需要发射机具有适当的发散角或接收机具有较大的接收面积。第三，带宽和能耗是影响通信速率和距离的关键问题，所以UWOC系统的器件应具有高能效和高带宽的特点。对于UWOC系统的实际应用来说，发射和接收设备的优化设计是实现远距离、高速系统的关键技术之一。因此，在文章中对发射器和接收器的改善技术进行了详细的总结。
图5
图5.UWOC系统发射机的研究进展总结，展示了不同光源类型的调制带宽、传输数据速率和距离、覆盖面积等内容。
在发射器方面，LD和LED作为最常用的发射器，根据不同的应用环境，各有优势。LED适用于低成本、短距离、中等数据速率的UWOC系统。而LD在长距离、高速的UWOC系统中发挥着重要作用。同时，垂直腔面发射激光器（VCSEL）、超辐射发光二极管（SLD）和micro-LED由于其高调制带宽等优良特性也被应用于UWOC系统中。
与LED相比，micro-LED因此尺效应具有更高的调制带宽。而SLD具有高功率、快速响应和宽频谱的特点，它结合了LED和LD的优点。它们都是UWOC发展中很有前途的选择。此外，为了进一步提高系统性能，还利用了多项关键技术。注入光锁定和光反馈技术有利于提高基于LD的UWOC系统的调制带宽。均衡技术通过补偿信道的传输特性，能够有效提高基于LED的UWOC系统容量。在提高系统覆盖面积方面，光束缩小/扩大器和阵列制造器件都是有效的解决方案。
在接收机方面，详细讨论了探测器的类型和特性以及噪声的分类。常用的探测器有光电倍增管（PMT）、光电探测器包括PIN光电二极管（PIN PDs）和雪崩光电二极管（APDs）、其它单光子检测器例如单光子雪崩二极管（SPADs）和多像素光子计数器（MPPCs）等。
其中，PMT和MPPC的灵敏度较高，因而价格和器件复杂度也较高，其次是APD、PIN PD。MPPC和PMT更适合于低发射功率、长通信距离的深海UWOC系统；而APD和PIN PD则更适合于高速、强光信号的UWOC系统。在UWOC系统的发展趋势中，研究高灵敏度、低噪声的探测器是主要研究方向，同时一些具有特殊应用功能的探测器也需要关注，例如太阳能电池板和深紫外光探测器等。
3、应用于复杂水下信道的先进调制方式
众所周知，与自由空间光通信相比，水下光通信传输通道更加复杂。为了提高UWOC的性能，除了优化设计发射和接收设备外，具有高频谱效率的调制技术也引起了学术界和产业界的极大兴趣和关注。因此，文章中对应用于UWOC系统中的常用调制方式进行了总结。
OOK（开关键控）、PPM（脉冲位置调制）和PAM（脉冲幅度调制）由于实现简单，是UWOC中常用的调制方式。OOK是最简单的调制方式，但在水下环境中也最容易受到干扰。PPM的平均功率小于OOK，但PPM存在带宽效率低的缺点。与PPM相比，PAM的带宽效率更高，但会牺牲其功率效率。此外，复杂度较高的先进调制方式可以进一步提高系统传输容量。
OFDM（正交频分复用）和DMT（离散多音）等多载波调制方式可以有效降低码间干扰和信道衰落。但DMT和OFDM调制的主要缺点是PAPR（峰值平均功率比）较高，可能会导致信号的非线性失真。
与OFDM相比，CAP（无载波幅度相位）调制的PAPR较低，但CAP调制要求收发器具有IQ分离和整形滤波的功能，因此实现较复杂。OAM（轨道角动量）调制作为一种新兴的调制技术，它利用OAM光束具有螺旋或扭曲结构，具有多个正交态数的特性，通过空间上的多路复用，可有效提升UWOC系统的通信容量。但OAM波束本身在复杂的水下环境中，容易受到影响。
以上这些调制方式都已经在UWOC系统中得到了应用，并取得了令人满意的性能。新型调制方式的研究和多路复用技术的应用已成为提高UWOC系统信道容量的发展趋势。
图6
图6.不同调制方式原理示意图: (a) OOK, PPM, PAM; (b) CAP。（图（b）引用自文献“N. Chi, M. Shi, Advanced modulation formats for underwater visible light communications [Invited], Chinese Optics Letters 16 (2018) 120603.”）
量子通信是一种新兴的通信方式，它也可以作为传输安全密钥的手段。水下量子密钥分配（QKD）在绝对安全的水下通信中具有潜在的应用前景。QKD允许远程双方建立安全密钥，利用单光子或纠缠光子来实现密钥分配，其安全性是基于量子态的基本物理特性，而不是依靠传统的密码学，因而可以有效避免被俘获或破解。
近年来，已经有许多关于水下QKD的研究进展。上海交通大学团队率先证明了光子偏振量子态和量子纠缠在海水中传播后可以很好地保有量子特性，证实了水下量子通信的可行性。单光子量子态传输的实验系统如图7所示，利用具有脉冲模式的激光器产生单光子源，然后利用偏振分光器将单光子编码在6个基本极化初态上。编码后的单光子在海水中传输后，采用量子态层析成像法重建输出态的密度矩阵。实验结果表明不同海水样本的每个入射基本初态的保真度都高达98%以上。而其他研究团队也通过理论或者实验进一步证明了水下量子通信的可行性。在未来，从卫星到潜水器的远距离空海量子通信也有望实现。
图7
图7.单光子量子态传输实验系统示意图。（图引用自文献“L. Ji, J. Gao, A.-L. Yang, Z. Feng, X.-F. Lin, Z.-G. Li, X.-M. Jin, Towards quantum communications in free-space seawater, Optics Express 25 (2017) 19795-19806.”）
四、展望
尽管UWOC已经取得了很大进展，但水下环境的复杂性仍然给UWOC带来了许多挑战。
（1）实现可靠的远距离高速数据传输是UWOC系统面临的挑战之一。通信距离短是制约UWOC发展的主要障碍之一，其根源在于光信号在水下存在严重的吸收和散射。因此，亟需研究大功率、蓝绿光区域带宽高的光源器件；以及高响应速度、高灵敏度、低噪声、和大视场角的光电探测器，以满足远距离和高速通信的需要。此外，先进调制技术的改进也有望延长水下链路的距离，并提高传输速率。
（2）链路对准和大范围覆盖是决定UWOC系统中数据传输质量的两个重要因素。除了UWOC信道中的障碍物外，传输链路还容易受到抖动效应造成的错位影响。抖动是指由于深度变化、海洋湍流、海面随机运动等原因造成的发射机和接收机之间的随机错位，在复杂的水下环境中难以避免。如果发射机的覆盖范围有限，而接收机的可接收面积较小，则通信链路很容易中断。因此，开发覆盖范围广的收发器，或在实际水下环境中采用非视线链路缓解抖动错位影响是非常重要的。此外，开发智能自适应的UWOC收发器也是未来水下通信网络的一个挑战。
（3）发展具有高功率效率和带宽效率的先进调制技术，以提高系统数据传输速率、链路距离和稳定性。新颖的调制方案例如采用OAM等新的维度可以有效提升传输带宽。量子通信的利用可以进一步提高UWOC的保密性和通信距离。而复用技术的利用是提高UWOC系统容量的发展趋势。此外，随着近年来深度学习的普及，许多研究者利用神经网络来优化调制信号的检测、编码和解调过程，有望进一步增强UWOC系统的性能稳定性。
（4）发展UWOC系统的理论信道模型和进行实际水下实验也是一个很大的挑战。由于水下环境具有高压、宽温度范围、海洋生物繁多、海盐腐蚀和海洋湍流等复杂性，UWOC系统的实际实施难度很大，而这些因素也将强烈影响UWOC系统的寿命和性能。因此，收集海洋数据并进行合理的建模，在真实海水中进行实验是当前需要解决的难点和问题。此外，还需要对垂直链路和非视线 UWOC系统进行信道建模和实验。目前，UWOC的研究大多集中在水平链路和点对点视线链路上。垂直链路需要考虑折射率随深度和温度的变化，以及海洋成分的分层分布，对模型的建立和模拟有更高的要求。而非视线 UWOC系统的信道模型和收发器还需要进一步设计和优化。
（5）构建可靠、节能的水下混合传感器网络也是一项重要工作。发展水下通信技术的最终目标是构建水下网络，实现自主水下航行器（AUV）、遥控潜水器（ROV）和水下传感器节点之间的自由通信。因此，设计一个具有高效节能、高稳定性等特点的UWOC系统，成功解决远距离通信、链路对准和覆盖等方面的挑战，具有重要意义。同时，能源消耗也是UWOC系统面临的一大挑战。由于UWOC系统在实际应用中大多需要由电池供电，因此能效非常重要。此外，发展能源自给自足的UWOC系统也是一种有前途的方法，例如应用微生物燃料电池、声学压电能量收集器和太阳能电池板等等。但是，对于能量自给型UWOC系统的研究还不够细致。由于深海中无法接收到太阳能，而其他能量采集技术也不够成熟，设备电池的可靠性和功耗效率仍是实现水下长期运行的关键。【极智头条、第三代半导体产业网、中国半导体照明网 联合发布】