Page 23 - 网络电信2022年9/10月刊
P. 23

带带宽被限制在20kHz以内，由于多径传播会导致延迟增加，产                       用进行调制在  5.4m的距离上成功实现了高达4.8Gbit/s的数据
            生数据的相互干扰，大大降低了通信速率，传输速率只有几十                          速率，且其误码率仅有2.6×10–3，完全满足前向纠错的标准
            kb/s   [3] 。这些严重的延迟和串扰影响显然无法满足日益增长的                  [7] 。2017年，浙江大学光通信实验室使用频谱高效的正品频分
            水下通信需求。                                              复用技术，在10m长度的水下通道实现了9.51Gb/s  的基于红绿
                                                                 蓝三色光的聚合数据传输，且误码率完全符合前向纠错的标准
                二．UOWC 技术发展介绍                                    [8] 。这些都表明如今的水下激光通信确实可以达到极高的通信
                由于传统的水下通信技术无法满足未来  6G时代高速率、远                     速率，但传输距离上还有待提升。同样是2017年，复旦大学研
            距离通信的需求，水下可见光通信可以弥补射频通信水下传输                          究团队提出构建了一种基于绿光激光二极管的水下光通信系
            距离短的难题，能够克服声波通信速率低、损耗严重等缺点，                          统，使用NRZ-OOK对其进行调制，已经实现了34.5m的且速率在
                                                    [4]
            具有广阔的发展潜力，成现在水下通信的研究热点 。                             2.7Gbps的数据传输，该系统预计最大可传输62.7m，速率也可
                                                                       [9]
                图1是水下光通信的在未来军事领域的典型应用图，由光来                       达1Gbps 。
            构建新型的立体通信网络。该网络相较于传信息网络拥有保密                              2. 水下蓝绿光LED通信的发展
            性强、稳定性高等优点，不易被敌方破解。海底光缆中继站可                              蓝绿光水下LED的光通信起步相对较晚。2014年度诺贝尔物
            以直接与潜艇进行交流沟通，高了水下潜航设备的通信能力。                          理学奖表彰了物理学家在发明高效节能的蓝光LED光源方面的贡
            还可以通过放置浮标作为中继的方式，提高通信距离，达到完                          献。他们在高质量的氮化镓晶体上制造出了蓝光LED，此LED器
                           [5]
            善通信网络的目的 。                                           件具有高的开响应速度，而正是这种极高的开关响应速度，使
                                                                 得基于LED器件的光通信技术成为可能。在1993年，中修二成功
              图1 水下光通信典型应用示意图                                    将蓝光LED的亮度大幅度提升，至此蓝光LED走上了人类的照明
                                                                 的舞台，也开启了蓝绿光水下LED通信的大门。
                                                                     1995年，国外学者对基于LED的水下光通信进行了理论分
                                                                 析，当时20m的距离可以进行10Mbps的通信，30m的距离可以进
                                                                 行 1Mbps的通信   [10] 。2006年，针对海底观测测试了一种基于LED
                                                                 的通信链路，建立了5m距离的10Mbps通信速率的短程水下光通
                                                                 信链路   [11] 。后随着调制技术、高速通信信道的研究，美国Yale
                                                                 University研究团队于2010年开发了名为  AquaOptical  II  的
                                                                 水下光通信系统。该系统使用470nm的大功率LED阵列器件并使
                                                                 用离散脉冲间隔调制，成功实现了50m距离的 2.28Mbit/s 的通
                                                                 信，是基于LED的水下光通信的突破性的进展              [12] 。
                                                                     光通信的光源除了LED光源与激光光源，紫外光通信是一种
                光波的带宽很宽，由于温度波动、散射、色散等影响，加                        新型的通信手段，是主要利用紫外光在大气中的散射来进行信
            之光学频段严重吸水和悬浮粒子的强散射，这使得水下光通信                          息传输的通信模式，具有比现有通信更强的抗干扰能力，且保
            仅限于短距离。但水下  EM光谱的蓝绿色波长有一个相对较低的                       密性和可靠性好。由于其非视距性，在军事方面潜力巨大，目
            衰减光学窗口，早在  1966年，University  of  California，         前的紫外光通信系统主要应用于军事领域。我国的紫外通信起
            Santa  Barbara的GILBERT、JERNIGAN等人就进行了蓝绿激光水           步较晚，尚处于研究阶段，国外于21世纪初已经有相关国家、
            下的偏振、散射和相干特性的相应实验，成功证明了水下蓝绿                          机构研制，美国的深紫外通信已经达到了实用阶段。
                         [6]
            光通信的可能性 。                                                因为紫外光的特殊性在水下通信方面，可以作为水下光
                水下可见光通信通过光源来分类，主要分为水下蓝绿激光                        通信的补充，增加其保密性，也可在一些必要的短距离上进行
            通信与基于蓝绿光LED的水下可见光通信。激光器功率大，激光                        可见光通信的弥补。2018年，King  Abdullah  University  of
            作为水下光通信的媒介可以实现高速率和远距离的传输，但存                          Science  and  Technology研究团队利用激光器的375nm紫外光
            在相干闪烁等问题，且通信必须要精确对准，实用性差，在实                          线，验证了在自然环境中的浑浊度等因素对通信的影响，证实
            际的应用之中有很大的困难。而基于蓝绿LED的水下光通信，采                        了紫外光在自然的水下环境中传播的可能性               [13] 。
            用非相干光，集照明与通信于一体，无需严格对准，大大增加
            了水下光通信的便利性和可行性。                                          三．面向 6G 可见光通信系统
                1. 水下激光通信的发展                                         现阶段大多数水下光通信的研究多是基于仿真设计、信号
                水下激光的发展最先发展于军事领域。20世纪80年代，                       处理方面的研究      [14] ，而未形成闭环硬件系统，距离工程实际应
            美国开始进行蓝绿激光对潜战略的研究，并于1981年首次使用                        用存在差距。本文介绍了一种基于蓝光LED的水下光通信系统。
            机载激光器与位于水下300m深度的潜艇进行了通信实验。2001                      图2为水下光通信系统的意框图。该系统为全双工通信系统，由
            年美国研制出了激光二极管后，激光通信的发展迈出了飞跃                           对称的收发端系统构成，主要分为发射和接收2条链路。在发射
            性的一步。2015年，King  Abdullah  University  of  Science   端，摄像头、多路网络传感器等设备作为信源通过交换机汇总
            and  Technology  的研究团队使用450nm的激光通过正交频分复              至FPGA网口通信模块，经由FPGA跨时钟域理、编码调制等功能

                                                      网络电信 二零二二年九，十月                                           37
   18   19   20   21   22   23   24   25   26   27   28