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水下无线光通信的实践考虑与解决方案的综述
孙小斌，春洪康，孔美微，奥马尔，郭玉健，穆斯塔法，
杨翁，伯顿·琼斯,吴天姬, Boon S.Ooi
摘要
水下无线光通信（UWOC）由于与声学和射频技术相比具有数量级更高的带宽，因此在各种水下活动中引起了越来越多的兴趣。构建了测试台和预先对齐的UWOC链接以进行物理层评估，这验证了UWOC系统可以每秒数十吉比特或接近一百米的距离运行。这有望实现全球连接的水下物联网（IoUT）。但是，由于海洋水环境的基本复杂性，在建立可靠的UWOC链接方面存在相当大的实际挑战。因此，除了提供有关UWOC最新进展的详尽概述之外，本文还介绍了各种水下挑战并提供了有关解决方案的见解。特别是，海洋湍流在水下连接中引起闪烁和未对准，是降低UWOC性能的关键因素之一。提出了新颖的解决方案，以减轻对指向，获取和跟踪（PAT）的要求，以在UWOC链路中建立鲁棒性。这些解决方案包括基于光散射的非视距（NLOS）通信模式，以及基于PAT的基于闪烁光纤的光接收器和作为光信号检测器的大光伏电池。自然地，双功能光伏光电探测器设备可以轻松地提供能量收集方式，为未来的IoUT传感器供电。提出了新颖的解决方案，以减轻对指向，获取和跟踪（PAT）的要求，以在UWOC链路中建立鲁棒性。这些解决方案包括基于光散射的非视距（NLOS）通信模式，以及基于PAT的基于闪烁光纤的光接收器和作为光信号检测器的大光伏电池。自然地，双功能光伏光电探测器设备可以轻松地提供能量收集方式，为未来的IoUT传感器供电。提出了新颖的解决方案，以减轻对指向，获取和跟踪（PAT）的要求，以在UWOC链路中建立鲁棒性。这些解决方案包括基于光散射的非视距（NLOS）通信模式，以及基于PAT的基于闪烁光纤的光接收器和作为光信号检测器的大光伏电池。自然地，双功能光伏光电探测器设备可以轻松地提供能量收集方式，为未来的IoUT传感器供电。
关键词:能量收集,纤维探测器,非行的视线,动荡,水下无线光通信
第一节.介绍
地球上超过70％的表面被海洋覆盖。水下石油勘探，海洋学研究和海底军事活动是出于工业，科学和军事目的而不断探索海洋的需求的例子。例如，世界上最大的石油和天然气公司沙特阿美（Saudi Aramco）拥有超过43,000公里的海上石油管道需要监控，因此需要一种高效，安全和高速的水下无线通信技术。声学通信是水下无线通信中最常用的技术，其历史可以追溯到1490年，达芬奇（Leonardo da Vinci）建议通过声学方法在远处探测船只[1]。如今，对水下声通信物理层的研究已经达到一定的成熟水平。大量的海上试验表明，这种通信可以在数十公里或更远的距离内进行[2]，传输速率可以达到每秒数十千比特[3]–[7]，后者是一个很大的进步。在早期[8],[9]上每秒几十比特。基于声音的视频传输也已被证明[6]。图1展示了已发布的水下声遥测系统关于其数据速率与范围的实验性能，范围-时间-速率势必会估计现有性能包络[10]。随着物理层验证的证明，要求将声学调制解调器集成到网络中的呼叫正在出现。一些平台（例如SUNRISE [11]，LOON [12]和SWARMs [13]）需要网络技术，例如媒体访问控制（MAC）[14]，多输入多输出（MIMO）[15],[16]，本地化[17],[18]，路线发现[19]和能量收集[20]。
图1.数据速率与已发布的水下声学系统实验工作的传输范围的比较(来自[10])
考虑到声学方法的数据速率有限，而不论其成熟度如何，对水下水下数据传输的日益增长的需求正推动着高带宽通信方法的发展。射频（RF）技术通常在千米范围内的陆地环境中以每秒数十兆比特的速率提供数字通信或全带宽模拟语音通信[21]。然而，研究人员还试图在非常规环境中部署RF技术，例如（i）地下监测土壤特性并建立地下网络[22],[23]，以及（ii）在水下建立水下传感器网络。尽管水中相当大的RF衰减随频率而急剧增加[24]，但仍存在一些有关水下RF通信的先前工作[25]–[27]。在这些作品中,总是通过牺牲带宽（在3kHz下为40 m和100 bit / s）[26]来实现长传输距离,反之亦然（在2.4 GHz下为16 cm和11 Mbit / s）[25]。表1总结了水下RF通信系统的可实现范围和数据速率[24]。
表1. 不同范围的示例性预测数据速率（来自[24]）
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Seawater |
Fresh water |
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0.2m |
10-100 Mbit/s |
10-100 Mbit/s |
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1-2m |
1-10 Mbit/s |
5-20 Mbit/s |
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10m |
20-50 kbit/s |
100-200 kbit/s |
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50m |
1-10 kbit/s |
3-10 kbit/s |
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200m |
50-100 bit/s |
100-200 bit/s |
鉴于水下声学和RF通信的性能有限，水下无线光通信（UWOC）已成为一种变革性的替代方案。光学无线通信（OWC）是在非引导传播介质中通过光学载体（即紫外线（UV），可见光或红外线）进行数据传输。与射频中昂贵，许可且有限的电磁频谱不同，OWC中的大部分未经许可的频谱（100–780 nm或约30 PHz）使无线数据传输能够达到每秒千兆比特（Gbit / s）的极高数据速率。[28]。实际上，自人类文明的早期以来，OWC的发展就一直在进行。通过信标火，烟，船旗和信号电报发出的信号可以被视为OWC的历史形式[29]。1880年，亚历山大·格雷厄姆·贝尔（Alexander Graham Bell）发明了基于调制光束的光电电话，从而创建了世界上第一个允许语音传输的无线电话系统[30]。近期的高速功率高效的光电器件的发展提供了高达100 Gbit / s的OWC的数据速率的承诺[31]具有几公里的传输链路[32] 。这些设备包括发光二极管（LED）[33]，超发光二极管[34]，激光二极管（LD）[35]，光电探测器[36]，调制器[37]以及这些设备的集成[38]。。此外，由于这些高速光发射器的高能效，已提出具有双重功能的OWC（例如光保真度（Li-Fi））用于同时照明和通信目的[39]。
但是，由于水生环境的复杂性，UWOC的早期开发远远落后于陆地OWC。Snow 等人进行了第一个实验性的UWOC演示。1992年，用气体激光器在5.1 m的水通道上实现了50 Mbit / s的数据速率[40]。在2006年，Farr 等人使用470 nm蓝色LED 。以10 Mbit / s的速率实现了91 m UWOC链路[41]。Hanson 等人实现了第一个千兆位（1 Gbit / s）UWOC系统。在2008年使用了二极管泵浦固态激光器[42]。但是，要使UWOC的物理层成熟，还需要更多考虑，其中之一就是选择适合在水下使用的光波长。在不同海水中存在水下微小颗粒和溶解的有机物的情况下，吸收和多重散射分别导致不可逆的光强度损失和严重的时间脉冲展宽[43]，进而降低了3 dB的信道带宽[44]。由于衰减系数低，因此在清澈和中等浑浊的水质条件下，最好使用蓝绿色光[45]。对于高度浑浊的水，由于使用X射线等 进行了数值研究，由于在较长波长下具有较低的散射，因此可以通过使用红光激光器来扩大通道带宽[46]。根据这项研究，李等人通过使用近红外激光在实验上演示了性能增强；他们表明，随着浊度的增加，系统的整体频率响应最多可增加几十兆赫兹[47]。这些研究实现了在具有不同浊度的水下通道上实时超高清视频传输的演示[48]。
除了选择合适的传输波长外，近年来还对调制方案，系统配置和光电设备进行了很多考虑。高效稳健的调制方案和系统配置，例如正交频分复用（OFDM）[49]，脉冲幅度调制（PAM）[50]，带位和功率负载的离散多音（DMT）[51]和注入锁定[52]现在用于实现高数据速率。诸如光电倍增管（PMT）[53]，单光子计数器[54]和多像素光子计数器之类的高灵敏度光电探测器现在用于长途通信[55]。图2总结了基于激光的UWOC系统的最新进展[40]，[42]，[46]，[49]– [70]。在该图中，消光长度定义为透射范围与水通道衰减系数的乘积，用于归一化水浊度的影响。
图2.最近在基于激光的UWOC上进行的实验工作的数据速率与范围（根据消光长度）的关系图。
尽管进行了前面的先前研究，但如果要在真实的海洋环境中使用UWOC，那么我们必须考虑UWOC系统如何受到海洋湍流的影响。常规UWOC系统的主要挑战之一是对定位，采集和跟踪（PAT）的严格要求。由于光束波动以及因此的失准，在海洋湍流的情况下保持PAT尤其具有挑战性。为了构建健壮的UWOC链接以减轻湍流的影响，我们在此重点介绍我们的解决方案，包括非视距（NLOS）UWOC模式，基于闪烁纤维的光接收器以及具有大有效面积的光伏（PV）电池作为信号检测器，以减轻PAT要求。此外，通过使用高度敏感的PV电池作为光电探测器，我们展示了在水下环境中同时进行能量收集和信号检测的功能，从而也为如何向水下数据收发器提供能量的问题提供了解决方案。
第二节.海洋湍流
在存在海洋湍流的情况下，光信号会遭受随机变化的影响，通常被称为闪烁。这种现象是由于沿传播路径的折射率的随机变化而引起的，这又导致光子通过水介质传播的方向发生随机变化。因为常用的光电探测器的有效区域很小，无法确保快速的通信链接，所以即使光束方向的微小变化也会导致信号衰落。温度，盐度或压力的变化以及水道中的气泡可能会导致水下湍流持续较长时间。了解这种湍流引起的衰落对于建立长距离而稳定的UWOC链路至关重要，这是先前对水湍流及其对光链路影响的大量研究的主要动机。这项研究检查了水下湍流的统计特征，其对光传播的影响以及减轻这些影响的潜在技术。
量化湍流强度的一种方法是确定接收信号的闪烁指数，其定义为接收归一化强度的方差，并表示为
⑴
其中，I是接收强度，lang;sdot;rang;表示长时间内的平均值。 较高的闪烁指数对应于强烈的湍流，这会导致UWOC链接的性能较差。
在巴哈马的海洋舌上进行的一项研究测量了折射率结构常数以量化湍流强度[71]。在模拟实验室环境中进行了其他实验，以统计学方式研究由于温度和盐度的随机变化和梯度变化以及水道中的气泡引起的湍流引起的衰落而导致的接收强度直方图[72]–[74]。在那些研究中，将实验获得的直方图与已知的统计分布进行拟合，并且在每种情况下都报告了拟合的良好性。这样的统计结果允许在计算和模拟中对水下湍流建模，并有助于应对相关性能下降的方法。例如，开发了一个模型来生成垂直水下通道中误码率（BER）的闭式表达式，并使用计算机仿真对其进行了验证[75]。数值计算也已用于研究湍流，并确认增加孔径大小可改善湍流引起的衰落下的性能[76]。同样，实验还表明，在存在气泡的情况下，使用更宽的光束可以改善UWOC链接的性能[77]。使用光束扩展和孔径平均类似于在MIMO系统中使用空间分集，因为与较窄的光束相比，光束传播的空间更大。而且，可以通过使用多个发射机来实现空间分集。例如，已经评估了多输入单输出系统的性能[78]，其中发射机以均匀的圆形阵列排列，并且表明这种系统可以改善湍流水中UWOC链路的性能。渠道。还提出了对MIMO系统性能的全面研究[79]，并且研究了在存在温度和盐度梯度的情况下不同波长的性能[80]。结果表明，闪烁指数随波长显着降低，这表明通过使用更长的波长可以提高性能，因为它们对闪烁更具免疫力。然而，重要的是要注意在使用遭受较高衰减的较长波长与使用遭受更强湍流引起的衰落的较短波长之间的关键权衡。此外，还研究了水下湍流对UWOC性能的互易性[81]。信道互易的重要性在于这样的事实，因为它可以从接收的信号中提取信息，因此减轻了对发送给反馈以在双工链路中提供信道状态信息的反馈的需要。
为了显示湍流如何影响光束位置，我们使用了象限检测器传感器头（PDQ90A； Thorlabs）及其自动对准器立方体（KPA101； Thorlabs），以在温度梯度为0.1°C / cm的情况下监控光束位置的变化。图3显示了在100 s内以1 kHz的采样率记录的相对位置。
图3 （a）光束在接收器一侧的位置，无温度梯度。
（b）光束在接收器侧的位置，温度梯度为0.1°C / cm。
基于图3，我们注意到在存在湍流的情况下波束位置随时间随机变化，从而潜在地降低了UWOC的性能。我们还注意到，水平轴（-1 – 1）的变化超过垂直轴（minus;0.4 – 0.4）的变化，这是由于垂直温差导致光束变形所致，因此光束轮廓 椭圆形。 椭圆形状在数学上与相对水平/垂直位置的变化有关，水平位置为0.06，垂直位置为0.02。
第三节．水下视线无线光学通信
由于海洋环境的复杂性，包括湍流[80]，浊度[82]和海底障碍物[77]，如果在视距（LOS）UWOC中发生光链路失准，则会发生严重的信号衰落，导致信息传输质量下降。相比之下，NLOS UWOC [83]可以缓解严格的PAT要求，它可以在
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