无线光通信—水下光通信

西安邮电大学

《无线光通信》

学院：电子工程学院

专业：电子科学与技术

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班级：*

时间：2013-2014学年第一学期

水下光通信

摘要：水下光通信作为一种快捷的无线光通信方式，已经逐步成为现实，解决了长期水下目标探测、通信等难题。

本文对水下光通信的发展、重要性、优势和存在问题进行了系统的学习和分析，以及介绍了水下光通信的两种方式，分别对水下光纤通信和水下激光通信的特点及应用作了详细的介绍。由于水下光通信在水下传输时受到了水下复杂的条件影响，水下光通信将来的研究方向在增加传输容量、延长传输距离、自动方向对准、降低设备成本等方面。如果这些问题能得到有效解决，那么水下光通信对无线光通信行业将发挥巨大的促进作用。

关键字：水下光通信水下光纤通信水下激光通信

一、水下光通信的发展

光通信起源最早可追溯到19世纪70年代,当时Bell提出采用可见光为媒介进行通信,但是当时既不能产生一个有用的光载波,也不能将光从一个地方传到另外一个地方。因此直到1960年激光器的发明,光通信才有了突破性的发展，但研究领域基本上集中在光纤通信和不可见光无线通信领域。由于海水对光的强吸收特性，水下光通信技术一直没有得到重视。直到1963年,Dimtley等人在研究光波在海洋中的传播特性时,发现海水在450-550纳米波段内蓝绿光的衰减比其它光波段的衰减要小很多, 证实在海洋中亦存在一个类似于大气中存在的透光窗口。这一物理现象的发现为解决长期水下目标探测、通信等难题提供了基础。

水下光学通信技术研究前期主要集中在军事领域，长期以来是水下潜艇通信中的关键技术。美国海军从1977年提出卫星与潜艇间通信的可行性后, 就与美国国防研究远景规划局开始执行联合战略激光通信计划。1983年底, 前苏联在黑海舰队的主要基地塞瓦斯托波尔附近也进行了把蓝色激光束发送到空间轨道反射镜后再转发到水下弹道潜艇的激光通信试验。

澳大利亚国立大学信息科学与工程研究学院的研究小组开发了一种低成本、小体积、结构简单的光学通信系统，选用LuxeonⅢLED的蓝（460nm）、青（490nm）、绿(520nm)光，接收器电路采用对蓝青绿三种光灵敏度很高的SLD—70BG2A 光电二极管，这套系统在兼顾速度与稳定性的同时，通讯速率可达57.6kbps，由于采用红外无线通信协议，其水下传输速率和传输距离受到极大限制。

美国伍兹霍尔海洋研究所研究小组研制了一套基于发光二极管（LED）低功耗深海水下光学通信样机，采用键控调制技术实现了10Mbps的通信速率。由于是针对深海领域，没有考虑了水下光学信道中的散射影响，其结果存在一定的片面性。

日本Keio大学研究小组开展了基于可见光LED的水下光学无线通信研究，采用米氏散射理论进行悬浮颗粒对信道影响的分析，其仿真结果表明，水下光学信道的传输特性与波长和海水浊度有关。

美国海军航空系统司令部的研究小组探讨了海水散射影响对PSK调制的水下光学无线通信在10-100Mbps通信速率的影响，结合实验室内模拟试验进行分析，试验结果表明海水的混浊度对信道调制带宽和相位具有重要影响。但是对实际环境下海水散射对编码调制技术的影响机制缺乏全面的认识。

近年来，Hanson和Radic采用Monte Carlo方法进行水下光波传输仿真，验证了传输速率为1Gbps 的水下光学通信的可行性。

由于各种原因，国内所开展的水下光学通信技术研究有限，在水下光学信道的光学特性研究方面基础较为薄弱。

二、水下光通信的重要性

近十年来，新兴的水下无线传感器网络技术为获取连续、系统、高时空分辨率、大时空尺度的海洋要素观测资料提供一种全新的技术手段。水下无线传感器网络由多个低成本、低功耗、多功能的集成化微型传感器节点组成，这些传感器节点构成无线网络，具有数据采集、无线通信和信息处理的能力，将多个此类传感器节点布置在一个特定的区域内，可形成无线传感器网络,它们通过特定的协议，高效、稳定、准确的进行自组织，并通过各传感器节点协作进行实时测量、感知和采集各种海洋要素的信息，利用无线通信技术将观测信息实时传输。因此，通过在感兴趣的海域布设大量廉价无线传感器节点可以获取海洋环境时空变化观测资料，实现大范围的观测区域高覆盖面的监测，为实现多点化、立体化、长时序、网络化、实时化、大空间尺度的海洋环境监测提供技术支撑。

在海洋军事活动中，为保障信息传输过程中不受干扰和不被截听，利用AUV （Autonomous Underwater Vehicle）进行指挥舰与潜艇，潜艇与潜艇之间的通信联络；在港

口安全保障过程中，在AUV上搭载声学或光学监测传感器进行港口及水下设备的检测和目标的跟踪，并及时通过无线通信技术将信息传输到信息中心。

总之，对于水下的通信技术的要求已经是越来越高，我们需要找到一种高效的水下通信技术能够实现多个固定端点的信息传输和多个移动端点的信息传输。

三、水下光通信的优势

光学通信技术可以克服水下声学通信的带宽窄、受环境影响大、可适用的载波频率低、传输的时延大等缺陷。因为，

1）由于光波频率高，其信息承载能力强，可以组建大容量无线通信链路。

2）是光波在水介质的传输速率可达千兆，使得水下大信息容量数据的快速传输成为可能；3）光学通信具有抗电磁干扰能力强，不受海水温度和盐度影响等特点；

4）波束具有较好的方向性，如想拦截，就需要用另一部接收机在视距内对准发射机，造成通信链路中断，用户会及时发现通信链路中断事故。

5）随着半导体光源关键技术不断突破，体积小，价格低、效率高的可见光谱光电器件充足。并且由于光波波长短，收发天线尺寸小，可以大幅度减少重量。

四、水下光通信存在问题

海水是一个复杂的物理、化学、生物组合系统，它含有溶解物质、悬浮体和很多各种各样的活性有机体。由于海水中的物质和悬浮体的不均匀性，导致光波在水下传播过程中因吸收和散射作用而产生衰减。光波的水下传输特性是制约水下光学无线通信质量的重要因素之一，它对整个水下光学无线通信系统设计方案的确定产生着重要影响。

根据对海水光特性的研究，光波在水下传输所受到的影响可以归纳为以下三个方面

1）光损耗：忽略海水扰动和热晕效应，光在海水中的衰减主要来自吸收和散射影响，通常以海水分子吸收系数、海水浮游植物吸收系数、海水悬浮粒子的吸收系数、海水分子散射系数和悬浮微粒散射系数等方式体现。

2）光束扩散：经光源发出的光束在传输过程中会在垂直方向上产生横向扩展，其扩散直径与水质、波长、传输距离和水下发散角等因素有关。

3）多径散射：光在海水中传播时，会遇到许多粒子发生散射而重新定向，所以非散射部分的直射光将变得越来越少。海水中传输的光被散射粒子散射而偏离光轴，经过二、三、四等多次散射后，部分光子又能重新进入光轴，形成多次散射。

以上问题最直接后果就是激光通信误码率较高误码率达到一定程度时会导致通信失败。

五、水下光通信的分类

依据传输的介质不同或者说是否是固定端点间的信息传送而将水下光通信分为水下光纤通信和水下激光通信。

5.1水下光纤通信

5.1.1水下光纤

海底光缆：敷设在海底的通信光缆，称海底光缆。又称海底通讯电缆，是用绝缘材料包裹的导线，铺设在海底，用以设立国家之间的电信传输。最初海底通讯电缆提供电报通讯，后来的电缆则最次引入电话通讯，以及电脑网络通讯。现代的电缆还用上光纤技术去传递数位信息，并且设立更先进的电话通讯互联网与私人数据通讯。

海底光缆是用绝缘外皮包裹的导线束铺设在海底，分海底通信光缆和海底光力光缆。前者主要用于通讯业务，后者主要用于水下传输大功率光能。与人造卫星相比，海底光缆有很多优势：海水可防止外界光磁波的干扰，所以海缆的信噪比较低；海底光缆通信中感受不到时间延迟；海底光缆的设计寿命为持续工作25年，而人造卫星一般在10到15年内就会燃料用尽，因此相对于卫星通信，海缆通信具有价格低，通信速度快等优点。

但是由于海缆是埋在海底，所以海缆往往容易遭到捕鱼的拖网渔船，船锚破坏，甚至