前沿| 【浙江大学徐敬教授团队】水下无线光通信：高速灵活的通信选择

研究背景

地球的海洋覆盖率接近71%，海洋储藏着丰富的生物资源、矿产资源。海洋的广阔空间与丰富资源决定了它的科学价值与战略地位，人类也从未停止对海洋的探索。自主式水下潜器（Autonomous underwater vehicle，AUV）的发展帮助人类能够更加深入细致地探测海洋。AUV执行水下作业时，需要与卫星、科考船、海底传感网络等设施设备通信，交换观测结果、作业命令等大量信息。传统的线缆通信限制了AUV工作的灵活性，水下缆线的安装与维护的难度也非常大。无线声波通信在水下已经有了广泛的应用，但水声通信在特定场景无法满足日益增长的通信带宽需求。而射频无线通信方案运用于水下时，在传输距离与通信稳定性方面还面临着一些挑战。水下无线光通信（Underwater wireless optical communication, UWOC）以带宽高、抗干扰能力强等特点在水下通信中具有广阔的应用前景。然而由于光在水中传输时会受到吸收、散射、湍流、气泡等干扰因素的影响，UWOC还面临诸多考验。随着信道特性研究的深入、光源与探测器的改良以及信号处理技术的发展， UWOC性能得到进一步提升。目前，UWOC的传输距离可以达到百米级，较短距离时通信速率可达到几十Gbps，并且在海洋探索过程中实现了成功应用。在未来，UWOC将成为海陆空一体化通信网络的重要组成部分。

研究亮点

浙江大学海洋学院光通信实验室徐敬教授研究团队在期刊《光电工程》2020年第9期发表了题为“水下无线光通信链路构成与性能优化进展”的综述文章。文章首先展示了UWOC中比较有代表性的一部分研究成果，并总结了这些研究中的关键技术。随后介绍了UWOC链路的基本构成，从发射端、接收端以及信道特性三个方面分析了现有技术与研究进展。文章分别对比了发光二极管（light emitting diode）和激光二极管（laser diode）两类光源以及PIN（positive-intrinsic-negative）二极管、光电二极管、雪崩二极管等多种探测器的特点，并简要介绍了应用在收发端的调制、编码与均衡技术。重点介绍了信道研究中的蒙特卡罗数值仿真方法，强调了湍流研究的重要性。最后，讨论了UWOC性能优化的几个重要研究方向：
       一、利用角动量复用、波分复用、正交频分复用等技术提升传输速率。
       二、使用高灵敏度的单光子探测器拓展通信链路的覆盖范围。
       三、使用有利于对准的收发端配置以及主动对准系统解决链路对准问题。
       文章还指出推进UWOC的实用化是该技术发展中重要的一步。

图1 UWOC链路基本框图

图2  激光在不同水体中传播不同距离后接收端能量分布(a) 4 m沿海水域；(b) 8 m沿海水域；(c) 12 m沿海水域；(d) 4 m港口水域；(e) 8 m港口水域；(f) 12 m港口水域

       相关研究得到了国家重点研发计划资助项目（2016YFC0302403）和中国科学院战略性先导科技专项（A类）（XDA22030208）的支持。