日前，《in》主编约请清华学院田朋飞撰写水下无线光通讯的最新进展与展望(inandof,)，《in》为国际著名刊物，2020年影响因子为7.19。该综述论文由清华学院、南京邮电学院共同完成，清华学院朱世杰、陈新伟、田朋飞为共同第一作者，田朋飞为通信作者。
同时，主编高度评价该综述论文的水平，约请水下无线光通讯领域专家阿卜杜拉国王科技学院(KAUST)Ooi对该综述撰写高亮评论()。主编庆贺了论文作者获得《in》期刊设置评论(“”)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讯密不可分，水下通讯技术的研究导致了人们的广泛注重。据悉量子传输距离，水下无线通讯(UWC)在水下航行中起着至关重要的作用，它也是水下传感网路的关键技术之一。因而，对UWC技术的传输速度和传输距离的要求也越来越高。
传统的水下通讯方法主要包括水下声波通讯(UAC)、水下射频(RF)通讯和水下无线光通讯(UWOC)。基于水下声波进行通讯的UAC技术仍然被觉得是进局长距离数据传输的最实用的方法，其传输距离可达几十公里。但是，因为低扩频频度所限制的高调制带宽，致使UAC存在着传输速度相对较低的问题，其数据速度通常在kbps左右。同时，因为声波在水下信道中的传播速率比无线电波低数个量级，这造成声波通讯会存在较大的延后。
与UAC相比，射频通讯具有可平滑通过空气/水界面、对水下紊流等干扰诱因的耐受性较强等优点;并且射频讯号因为其水下传播速率快，同时具有延后低的优势。在UWC中使用的射频波可以从几十Hz到GHz，但只有在30～300Hz的超低频讯号能够在导电的海水中传播，由于高频讯号会有很大的衰减。因而水下射频通讯的调制带宽也相对较低，致使短距离内的数据速度有限量子传输距离，约为Mbps的量级。据悉，为了补偿射频通讯中的较高的天线耗损，须要巨大的天线和较高的传输功率。
考虑到水下射频通讯和UAC存在帧率大、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讯号进行数据传输的UWOC作为一种合适的解决方案。因为UWOC具有数百MHz甚至GHz的高调制带宽，就能实现超过Gbps的数据速度，同时传输距离可以达到数百米。这种高速率、长距离的优势将保证许多实时应用的实现，如已有文献年报道的水下实时视频传输系统，其平均传输速度约为1.5Gbps，平均传输信噪比为100ms。据悉，因为大多数射频讯号的频带早已完全授权给一些营运商，而UWOC可以借助未被授权的频谱，因而被觉得是可以防止频谱串扰的一个有效的解决方案。并且UWOC的光收发器成本低，如发光三极管(LED)、激光三极管(LD)和光电三极管(PD)等等，与UAC和射频通讯相比，具有低帧率和低成本的特性。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
文章从水下通讯系统的通讯信道、系统发射机和接收机、调制方法等角度对UWOC系统进行了简明简略的探讨。对于水下信道，简略介绍了水下环境的特性、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。在调制方法方面，回顾了基于LED和LD的UWOC系统所采用的各类先进调制方法的最新研究进展。在文章的最后，提出了一些UWOC系统的研究方向和亟需解决的挑战。
三、主要内容
1、UWOC信道的理论和实验研究
因为水下环境中的光传播十分复杂，因而水下传输信道极具挑战性。光在水生介质中传播会因为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式和实验研究进行了总结，并对其接出来的研究方向进行了合理推论。
文章首先介绍了水的光学特点，包括不同水质的衰减系数、海洋环境按照垂直深度变化引起的水下光学特点的变化等。海洋中垂直分层环境的概要示意图如图1所示。
图1.海洋中垂直分层环境的示意图
在介绍了水的光学特点后，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.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LOSUWOC链路进行建模的方式，即比尔·朗伯特定理和幅射传递多项式(RTE)。比尔·朗伯特定理是最简单的理论模型，并且它没有考虑散射回接收器的部份，有时会造成误差。RTE是基于能量守恒得出的，解决RTE的方式有两种：解析解和数值解。RTE估算解析解十分困难，一般采用数值解的方式来解RTE，包括蒙特卡洛、不变嵌入法、离散纵座标法与随机模型。蒙特卡洛建模比较简单，而且估算效率很低，几乎不能用于理论剖析。不变嵌入法和离散纵座标法其实估算效率高，而且不变嵌入法只能求解一维RTE，离散纵座标法无法编程。为此，极少有研究人员在UWOC中使用这两种方式。而基于光子轨道的机率性质的随机模型仍未成熟，缺少实验验证，须要进一步研究。未来对理论模型的进一步研究将主要集中在提升蒙特卡洛方式的估算效率，构建和验证具有较低估算复杂度的随机模型上。而且有必要进一步研究各类水下诱因对UWOC性能的影响，并结合理论建模和剖析。
对NLOS链路的UWOC模型的研究成果总结中，主要包括NLOS的提出、发展以及现况等。虽然NLOSUWOC模型近些年来发展迅速，但现有的信道模型还不够成熟精确。由于现有的NLOS模型主要考虑海平面的斜度，却甚少关注水质等特点。据悉，确切模拟海平面的随机波动一直是一个问题。据悉，考虑到实际海水环境与模型之间存在一定的差别，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，紊流和其他诱因对通讯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.在具有(a)不同的气泡，气温和酸度环境以及(b)不同水质下的实际UWOC系统配置。(图(a)引用自文献“M.V.,A.,A.,B.,P.,A.,P.,S.,J.A.,ofinintheofair,,and,IEEEon66(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.yi,andof,,andseasaltonamicro-LED-based[],17(2019).”)
当前对实际水下信道通讯性能的研究主要是通过在实验室模拟海洋环境因而进行研究。但是，关于实际信道对UWOC通讯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确切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讯技术，近些年来发展迅速，取得了明显成绩。对于基于LD的UWOC系统，研究表明链路速度和通讯距离分别可以达到30Gbps和100m以上。而基于LED的UWOC系统，研究表明链路速度和通讯距离分别可以达到20Gbps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讯号的传输距离，收发器的调制带宽直接限制了UWOC系统的传输速度。
水下通讯系统的研究大多是先在实验室进行演示，之后逐渐应用到实际水下环境中。一个典型的实验室视线UWOC系统由三部份组成，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、光学混频器、光学透镜和光电侦测器等组成。在发射端，信息源形成的信息经过编码和调制处理后，加载到任意讯号发生器(AWG)上。之后AWG输出经过调制的交流联通号，通过bias-tee与直流电结合，驱动光源发射装置发出光扩频。调制后的光讯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，实验中一般借助反射镜来实现远距离传输。为了模拟真实的水下环境，一般会在水底加入和海盐等作为散射剂。在接收端，光讯号将被接收透镜聚焦，之后被光电侦测器捕获。经光电侦测器转换后的联通号将经过放大器和低通混频器进行进一步优化，然后传送到示波器(OSC)或讯号质量剖析仪(DSA)进行解码和译码，因而恢复到原始讯号，计算机或误分辨率模块将搜集原始信息进行进一步剖析。
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，因为海水的吸收和散射，光讯号会遭到严重的衰减。所以，应按照水下环境的混浊度和所包含物质的成份，悉心选择发射器光源的波长和类型，以尽量降低衰减。诸如，在波罗的海海水中，光衰减最小的波段在520-590nm之间。据悉，发射机要有足够的发射功率，接收机要有足够的灵敏度，以保证讯号的接收。其次，为了保证视线链路中信息的有效传输，须要发射机和接收机的精确对准。但是，海水中的紊流常常会引起链路的不匹配，尤其是在浅层深度中。因而，须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，带宽和煤耗是影响通讯速度和距离的关键问题，所以UWOC系统的元件应具有高能效和高带宽的特性。对于UWOC系统的实际应拿来说，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。为此，在文章中对发射器和接收器的改善技术进行了详尽的总结。
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、传输数据速度和距离、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，依据不同的应用环境，各有优势。LED适用于低成本、短距离、中等数据速度的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)、超幅射发光晶闸管(SLD)和micro-LED因为其高调制带宽等优良特点也被应用于UWOC系统中。与LED相比，micro-LED因而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性，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。据悉，为了进一步提升系统性能，还借助了多项关键技术。注入光锁定和光反馈技术有利于增强基于LD的UWOC系统的调制带宽。均衡技术通过补偿信道的传输特点，才能有效提升基于LED的UWOC系统容量。在提升系统覆盖面积方面，光束缩小/扩大器和阵列制造元件都是有效的解决方案。在接收机方面，详尽讨论了侦测器的类型和特点以及噪音的分类。常用的侦测器有光电倍增管(PMT)、光电侦测器包括PIN光电晶闸管(PINPDs)和雪崩光电晶闸管(APDs)、其它单光子检查器比如单光子雪崩晶闸管(SPADs)和多象素光子计数器(MPPCs)等。其中，PMT和MPPC的灵敏度较高，因此价钱和元件复杂度也较高，其次是APD、PINPD。MPPC和PMT更适宜于低发射功率、长通讯距离的深海UWOC系统;而APD和PINPD则更适宜于高速、强光讯号的UWOC系统。在UWOC系统的发展趋势中，研究高灵敏度、低噪音的侦测器是主要研究方向，同时一些具有特殊应用功能的侦测器也须要关注，比如太阳能电板板和深紫外光侦测器等。
3、应用于复杂水下信道的先进调制方法
众所周知，与自由空间光通讯相比，水下光通讯传输通道愈发复杂。为了提升UWOC的性能，不仅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导致了学术界和产业界的极延庆趣和关注。因而，文章中对应用于UWOC系统中的常用调制方法进行了总结。OOK(开关键控)、PPM(脉冲位置调制)和PAM(脉冲幅度调制)因为实现简单，是UWOC中常用的调制方法。OOK是最简单的调制方法，但在水下环境中也最容易遭到干扰。PPM的平均功率大于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。据悉，复杂度较高的先进调制方法可以进一步提升系统传输容量。OFDM(正交频分复用)和DMT(离散多音)等多扩频调制方法可以有效减少码间干扰和信道没落。但DMT和OFDM调制的主要缺点是PAPR(峰值平均功率比)较高，可能会造成讯号的非线性失真。与OFDM相比，CAP(无扩频幅度相位)调制的PAPR较低，但CAP调制要求收发器具有IQ分离和整形混频的功能，因而实现较复杂。OAM(轨道角动量)调制作为一种新兴的调制技术，它借助OAM光束具有螺旋或扭曲结构，具有多个正交态数的特点，通过空间上的多路复用，可有效提高UWOC系统的通讯容量。但OAM杂波本身在复杂的水下环境中，容易遭到影响。以上这种调制方法都早已在UWOC系统中得到了应用，并取得了令人满意的性能。新型调制方法的研究和多路复用技术的应用已成为增强UWOC系统信道容量的发展趋势。
图6.不同调制方法原理示意图:(a)OOK,PPM,PAM;(b)CAP。(图(b)引用自文献“N.Chi,M.Shi,forlight[],16(2018).”)
量子通讯是一种新兴的通讯方法，它也可以作为传输安全秘钥的手段。水下量子秘钥分配(QKD)在绝对安全的水下通讯中具有潜在的应用前景。QKD容许远程双方完善安全秘钥，借助单光子或纠缠光子来实现秘钥分配，其安全性是基于量子态的基本化学特点，而不是借助传统的密码学，因此可以有效防止被打动或破解。近些年来，早已有许多关于水下QKD的研究进展。北京交通学院团队率先证明了光子偏振光量子态和量子纠缠在海水中传播后可以挺好地保有量子特点，否认了水下量子通讯的可行性。单光子量子态传输的实验系统如图7所示，借助具有脉冲模式的激光器形成单光子源，之后借助偏振光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位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则实验进一步证明了水下量子通讯的可行性。在未来，从卫星到潜水器的远距离空海量子通讯也有望实现。
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,infree-space,25(2017)19795-19806.”)
四、展望
虽然UWOC早已取得了很大进展，但水下环境的复杂性依然给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。通讯距离短是阻碍UWOC发展的主要障碍之一，其症结在于光讯号在水下存在严重的吸收和散射。因而，亟待研究大功率、蓝红光区域带宽高的光源元件;以及高响应速率、高灵敏度、低噪音、和大视场角的光电侦测器，以满足远距离和高速通讯的须要。据悉，先进调制技术的改进也有望延长水下链路的距离，并提升传输速度。
(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诱因。不仅UWOC信道中的障碍物外，传输链路还容易遭到晃动效应导致的错位影响。晃动是指因为深度变化、海洋紊流、海面随机运动等缘由导致的发射机和接收机之间的随机错位，在复杂的水下环境中无法防止。假如发射机的覆盖范围有限，而接收机的可接收面积较小，则通讯链路很容易中断。因而，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减轻晃动错位影响是极其重要的。据悉，开发智能自适应的UWOC收发器也是未来水下通讯网路的一个挑战。
(3)发展具有高功率效率和带宽效率的先进调制技术，以提升系统数据传输速度、链路距离和稳定性。新颖的调制方案比如采用OAM等新的维度可以有效提高传输带宽。量子通讯的借助可以进一步提升UWOC的保密性和通讯距离。而复用技术的借助是提升UWOC系统容量的发展趋势。据悉，随着近些年来深度学习的普及，许多研究者借助神经网路来优化调制讯号的测量、编码和译码过程，有望进一步提高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。因为水下环境具有高压、宽气温范围、海洋生物繁杂、海盐腐蚀和海洋紊流等复杂性，UWOC系统的实际施行难度很大，而这种诱因也将强烈影响UWOC系统的寿命和性能。为此，搜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须要解决的难点和问题。据悉，还须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。垂直链路须要考虑折射率随深度和气温的变化，以及海洋成份的分层分布，对模型的构建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须要进一步设计和优化。
(5)建立可靠、节能的水下混和传感网路也是一项重要工作。发展水下通讯技术的最终目标是建立水下网路，实现自主水下航行器(AUV)、遥控潜水器(ROV)和水下传感节点之间的自由通讯。为此，设计一个具有高效节能、高稳定性等特性的UWOC系统，成功解决远距离通讯、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。因为UWOC系统在实际应用中大多须要由电瓶供电，因而能效十分重要。据悉，发展能源自给自足的UWOC系统也是一种有前途的方式，比如应用微生物燃料电瓶、声学压电能量搜集器和太阳能电板板等等。并且，对于能量自给型UWOC系统的研究还不够细致。因为深海中未能接收到太阳能，而其他能量采集技术也不够成熟，设备电瓶的可靠性和帧率效率仍是实现水下常年运行的关键。
