日前，《in》主編約請(qǐng)清華學(xué)院田朋飛撰寫水下無(wú)線光通訊的最新進(jìn)展與展望(inandof,)，《in》為國(guó)際著名刊物，2020年影響因子為7.19。該綜述論文由清華學(xué)院、南京郵電學(xué)院共同完成，清華學(xué)院朱世杰、陳新偉、田朋飛為共同第一作者，田朋飛為通信作者。
同時(shí)，主編高度評(píng)價(jià)該綜述論文的水平，約請(qǐng)水下無(wú)線光通訊領(lǐng)域?qū)＜野⒉范爬瓏?guó)王科技學(xué)院(KAUST)Ooi對(duì)該綜述撰寫高亮評(píng)論()。主編慶賀了論文作者獲得《in》期刊設(shè)置評(píng)論(“”)以來(lái)的首篇高亮評(píng)論。
一、背景介紹
海洋資源的開(kāi)發(fā)和采集幾乎與水下通訊密不可分，水下通訊技術(shù)的研究導(dǎo)致了人們的廣泛注重。據(jù)悉量子傳輸距離，水下無(wú)線通訊(UWC)在水下航行中起著至關(guān)重要的作用，它也是水下傳感網(wǎng)路的關(guān)鍵技術(shù)之一。因而，對(duì)UWC技術(shù)的傳輸速度和傳輸距離的要求也越來(lái)越高。
傳統(tǒng)的水下通訊方法主要包括水下聲波通訊(UAC)、水下射頻(RF)通訊和水下無(wú)線光通訊(UWOC)。基于水下聲波進(jìn)行通訊的UAC技術(shù)仍然被覺(jué)得是進(jìn)局長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顚?shí)用的方法，其傳輸距離可達(dá)幾十公里。但是，因?yàn)榈蛿U(kuò)頻頻度所限制的高調(diào)制帶寬，致使UAC存在著傳輸速度相對(duì)較低的問(wèn)題，其數(shù)據(jù)速度通常在kbps左右。同時(shí)，因?yàn)槁暡ㄔ谒滦诺乐械膫鞑ニ俾时葻o(wú)線電波低數(shù)個(gè)量級(jí)，這造成聲波通訊會(huì)存在較大的延后。
與UAC相比，射頻通訊具有可平滑通過(guò)空氣/水界面、對(duì)水下紊流等干擾誘因的耐受性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn);并且射頻訊號(hào)因?yàn)槠渌聜鞑ニ俾士欤瑫r(shí)具有延后低的優(yōu)勢(shì)。在UWC中使用的射頻波可以從幾十Hz到GHz，但只有在30～300Hz的超低頻訊號(hào)能夠在導(dǎo)電的海水中傳播，由于高頻訊號(hào)會(huì)有很大的衰減。因而水下射頻通訊的調(diào)制帶寬也相對(duì)較低，致使短距離內(nèi)的數(shù)據(jù)速度有限量子傳輸距離，約為Mbps的量級(jí)。據(jù)悉，為了補(bǔ)償射頻通訊中的較高的天線耗損，須要巨大的天線和較高的傳輸功率。
考慮到水下射頻通訊和UAC存在幀率大、延遲高、不能同時(shí)具備高速率與長(zhǎng)距離等缺點(diǎn)，研究人員提出了基于水下光訊號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢WOC作為一種合適的解決方案。因?yàn)閁WOC具有數(shù)百M(fèi)Hz甚至GHz的高調(diào)制帶寬，就能實(shí)現(xiàn)超過(guò)Gbps的數(shù)據(jù)速度，同時(shí)傳輸距離可以達(dá)到數(shù)百米。這種高速率、長(zhǎng)距離的優(yōu)勢(shì)將保證許多實(shí)時(shí)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，如已有文獻(xiàn)年報(bào)道的水下實(shí)時(shí)視頻傳輸系統(tǒng)，其平均傳輸速度約為1.5Gbps，平均傳輸信噪比為100ms。據(jù)悉，因?yàn)榇蠖鄶?shù)射頻訊號(hào)的頻帶早已完全授權(quán)給一些營(yíng)運(yùn)商，而UWOC可以借助未被授權(quán)的頻譜，因而被覺(jué)得是可以防止頻譜串?dāng)_的一個(gè)有效的解決方案。并且UWOC的光收發(fā)器成本低，如發(fā)光三極管(LED)、激光三極管(LD)和光電三極管(PD)等等，與UAC和射頻通訊相比，具有低幀率和低成本的特性。三種UWC技術(shù)的比較見(jiàn)表1。
表1三種UWC技術(shù)的比較
二、文章介紹
文章從水下通訊系統(tǒng)的通訊信道、系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)、調(diào)制方法等角度對(duì)UWOC系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)明簡(jiǎn)略的探討。對(duì)于水下信道，簡(jiǎn)略介紹了水下環(huán)境的特性、常用的水下信道模型以及實(shí)際水下環(huán)境對(duì)UWOC系統(tǒng)性能的影響。對(duì)于系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)方面，總結(jié)了UWOC系統(tǒng)采用的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)技術(shù)的最新進(jìn)展。在調(diào)制方法方面，回顧了基于LED和LD的UWOC系統(tǒng)所采用的各類先進(jìn)調(diào)制方法的最新研究進(jìn)展。在文章的最后，提出了一些UWOC系統(tǒng)的研究方向和亟需解決的挑戰(zhàn)。
三、主要內(nèi)容
1、UWOC信道的理論和實(shí)驗(yàn)研究
因?yàn)樗颅h(huán)境中的光傳播十分復(fù)雜，因而水下傳輸信道極具挑戰(zhàn)性。光在水生介質(zhì)中傳播會(huì)因?yàn)閲?yán)重的吸收和散射效應(yīng)而衰減。海水多變的環(huán)境也將給UWOC系統(tǒng)帶來(lái)不穩(wěn)定性。文章對(duì)目前已有的水下信道的建模方式和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)其接出來(lái)的研究方向進(jìn)行了合理推論。
文章首先介紹了水的光學(xué)特點(diǎn)，包括不同水質(zhì)的衰減系數(shù)、海洋環(huán)境按照垂直深度變化引起的水下光學(xué)特點(diǎn)的變化等。海洋中垂直分層環(huán)境的概要示意圖如圖1所示。
圖1.海洋中垂直分層環(huán)境的示意圖
在介紹了水的光學(xué)特點(diǎn)后，文章開(kāi)始對(duì)UWOC的理論研究進(jìn)行了總結(jié)，包括對(duì)UWOC常用的鏈路配置、LOS鏈路以及NLOS鏈路的UWOC模型的研究結(jié)果進(jìn)行了介紹。目前UWOC信道有兩種常用的配置，包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視線(LOS)配置和非視線(NLOS)配置，如圖2所示。
圖2.UWOC鏈路配置：(a)LOS配置，和(b)NLOS配置
對(duì)LOS鏈路的UWOC模型的研究成果總結(jié)中，主要包括兩種對(duì)LOSUWOC鏈路進(jìn)行建模的方式，即比爾·朗伯特定理和幅射傳遞多項(xiàng)式(RTE)。比爾·朗伯特定理是最簡(jiǎn)單的理論模型，并且它沒(méi)有考慮散射回接收器的部份，有時(shí)會(huì)造成誤差。RTE是基于能量守恒得出的，解決RTE的方式有兩種：解析解和數(shù)值解。RTE估算解析解十分困難，一般采用數(shù)值解的方式來(lái)解RTE，包括蒙特卡洛、不變嵌入法、離散縱座標(biāo)法與隨機(jī)模型。蒙特卡洛建模比較簡(jiǎn)單，而且估算效率很低，幾乎不能用于理論剖析。不變嵌入法和離散縱座標(biāo)法其實(shí)估算效率高，而且不變嵌入法只能求解一維RTE，離散縱座標(biāo)法無(wú)法編程。為此，極少有研究人員在UWOC中使用這兩種方式。而基于光子軌道的機(jī)率性質(zhì)的隨機(jī)模型仍未成熟，缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，須要進(jìn)一步研究。未來(lái)對(duì)理論模型的進(jìn)一步研究將主要集中在提升蒙特卡洛方式的估算效率，構(gòu)建和驗(yàn)證具有較低估算復(fù)雜度的隨機(jī)模型上。而且有必要進(jìn)一步研究各類水下誘因?qū)WOC性能的影響，并結(jié)合理論建模和剖析。
對(duì)NLOS鏈路的UWOC模型的研究成果總結(jié)中，主要包括NLOS的提出、發(fā)展以及現(xiàn)況等。雖然NLOSUWOC模型近些年來(lái)發(fā)展迅速，但現(xiàn)有的信道模型還不夠成熟精確。由于現(xiàn)有的NLOS模型主要考慮海平面的斜度，卻甚少關(guān)注水質(zhì)等特點(diǎn)。據(jù)悉，確切模擬海平面的隨機(jī)波動(dòng)一直是一個(gè)問(wèn)題。據(jù)悉，考慮到實(shí)際海水環(huán)境與模型之間存在一定的差別，文章還總結(jié)了一些研究人員在實(shí)驗(yàn)室中模擬海洋環(huán)境，以研究水質(zhì)，紊流和其他誘因?qū)νㄓ嵭阅艿挠绊懙南嚓P(guān)研究結(jié)果。一些主要實(shí)驗(yàn)配置如圖3所示。
圖3.在具有(a)不同的氣泡，氣溫和酸度環(huán)境以及(b)不同水質(zhì)下的實(shí)際UWOC系統(tǒng)配置。(圖(a)引用自文獻(xiàn)“M.V.,A.,A.,B.,P.,A.,P.,S.,J.A.,ofinintheofair,,and,IEEEon66(2018)4706-4723.”圖(b)引用自文獻(xiàn)“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).”)
當(dāng)前對(duì)實(shí)際水下信道通訊性能的研究主要是通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室模擬海洋環(huán)境因而進(jìn)行研究。但是，關(guān)于實(shí)際信道對(duì)UWOC通訊性能的影響的研究還不夠充分和可靠。將來(lái)在真實(shí)的海洋環(huán)境中進(jìn)行確切而全面的實(shí)驗(yàn)研究是必不可少的。
2、UWOC系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)方面進(jìn)展
UWOC作為一種新興的水下通訊技術(shù)，近些年來(lái)發(fā)展迅速，取得了明顯成績(jī)。對(duì)于基于LD的UWOC系統(tǒng)，研究表明鏈路速度和通訊距離分別可以達(dá)到30Gbps和100m以上。而基于LED的UWOC系統(tǒng)，研究表明鏈路速度和通訊距離分別可以達(dá)到20Gbps和46m以上。基于LED和LD的UWOC系統(tǒng)都呈現(xiàn)了相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即發(fā)射機(jī)光功率和接收機(jī)靈敏度直接影響著訊號(hào)的傳輸距離，收發(fā)器的調(diào)制帶寬直接限制了UWOC系統(tǒng)的傳輸速度。
水下通訊系統(tǒng)的研究大多是先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行演示，之后逐漸應(yīng)用到實(shí)際水下環(huán)境中。一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)室視線UWOC系統(tǒng)由三部份組成，如圖4所示，包括發(fā)射單元、水下信道和接收模塊。發(fā)射單元由光源裝置、調(diào)制器、光放大器和光學(xué)透鏡等組成。接收模塊由放大電路、光學(xué)混頻器、光學(xué)透鏡和光電偵測(cè)器等組成。在發(fā)射端，信息源形成的信息經(jīng)過(guò)編碼和調(diào)制處理后，加載到任意訊號(hào)發(fā)生器(AWG)上。之后AWG輸出經(jīng)過(guò)調(diào)制的交流聯(lián)通號(hào)，通過(guò)bias-tee與直流電結(jié)合，驅(qū)動(dòng)光源發(fā)射裝置發(fā)出光擴(kuò)頻。調(diào)制后的光訊號(hào)經(jīng)發(fā)射透鏡準(zhǔn)直后通過(guò)水箱。水箱內(nèi)裝滿自來(lái)水，用于模擬水下鏈路，實(shí)驗(yàn)中一般借助反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。為了模擬真實(shí)的水下環(huán)境，一般會(huì)在水底加入和海鹽等作為散射劑。在接收端，光訊號(hào)將被接收透鏡聚焦，之后被光電偵測(cè)器捕獲。經(jīng)光電偵測(cè)器轉(zhuǎn)換后的聯(lián)通號(hào)將經(jīng)過(guò)放大器和低通混頻器進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，然后傳送到示波器(OSC)或訊號(hào)質(zhì)量剖析儀(DSA)進(jìn)行解碼和譯碼，因而恢復(fù)到原始訊號(hào)，計(jì)算機(jī)或誤分辨率模塊將搜集原始信息進(jìn)行進(jìn)一步剖析。
圖4.典型的實(shí)驗(yàn)室視線UWOC系統(tǒng)示意圖
在設(shè)計(jì)UWOC系統(tǒng)時(shí)必須考慮到幾個(gè)問(wèn)題。首先，因?yàn)楹Ｋ奈蘸蜕⑸洌庥嵦?hào)會(huì)遭到嚴(yán)重的衰減。所以，應(yīng)按照水下環(huán)境的混濁度和所包含物質(zhì)的成份，悉心選擇發(fā)射器光源的波長(zhǎng)和類型，以盡量降低衰減。諸如，在波羅的海海水中，光衰減最小的波段在520-590nm之間。據(jù)悉，發(fā)射機(jī)要有足夠的發(fā)射功率，接收機(jī)要有足夠的靈敏度，以保證訊號(hào)的接收。其次，為了保證視線鏈路中信息的有效傳輸，須要發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的精確對(duì)準(zhǔn)。但是，海水中的紊流常常會(huì)引起鏈路的不匹配，尤其是在淺層深度中。因而，須要發(fā)射機(jī)具有適當(dāng)?shù)陌l(fā)散角或接收機(jī)具有較大的接收面積。第三，帶寬和煤耗是影響通訊速度和距離的關(guān)鍵問(wèn)題，所以UWOC系統(tǒng)的元件應(yīng)具有高能效和高帶寬的特性。對(duì)于UWOC系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)拿來(lái)說(shuō)，發(fā)射和接收設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為此，在文章中對(duì)發(fā)射器和接收器的改善技術(shù)進(jìn)行了詳盡的總結(jié)。
圖5.UWOC系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的研究進(jìn)展總結(jié)，展示了不同光源類型的調(diào)制帶寬、傳輸數(shù)據(jù)速度和距離、覆蓋面積等內(nèi)容。
在發(fā)射器方面，LD和LED作為最常用的發(fā)射器，依據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，各有優(yōu)勢(shì)。LED適用于低成本、短距離、中等數(shù)據(jù)速度的UWOC系統(tǒng)。而LD在長(zhǎng)距離、高速的UWOC系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。同時(shí)，垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)、超幅射發(fā)光晶閘管(SLD)和micro-LED因?yàn)槠涓哒{(diào)制帶寬等優(yōu)良特點(diǎn)也被應(yīng)用于UWOC系統(tǒng)中。與LED相比，micro-LED因而尺效應(yīng)具有更高的調(diào)制帶寬。而SLD具有高功率、快速響應(yīng)和寬頻譜的特性，它結(jié)合了LED和LD的優(yōu)點(diǎn)。它們都是UWOC發(fā)展中很有前途的選擇。據(jù)悉，為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，還借助了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。注入光鎖定和光反饋技術(shù)有利于增強(qiáng)基于LD的UWOC系統(tǒng)的調(diào)制帶寬。均衡技術(shù)通過(guò)補(bǔ)償信道的傳輸特點(diǎn)，才能有效提升基于LED的UWOC系統(tǒng)容量。在提升系統(tǒng)覆蓋面積方面，光束縮小/擴(kuò)大器和陣列制造元件都是有效的解決方案。在接收機(jī)方面，詳盡討論了偵測(cè)器的類型和特點(diǎn)以及噪音的分類。常用的偵測(cè)器有光電倍增管(PMT)、光電偵測(cè)器包括PIN光電晶閘管(PINPDs)和雪崩光電晶閘管(APDs)、其它單光子檢查器比如單光子雪崩晶閘管(SPADs)和多象素光子計(jì)數(shù)器(MPPCs)等。其中，PMT和MPPC的靈敏度較高，因此價(jià)錢和元件復(fù)雜度也較高，其次是APD、PINPD。MPPC和PMT更適宜于低發(fā)射功率、長(zhǎng)通訊距離的深海UWOC系統(tǒng);而APD和PINPD則更適宜于高速、強(qiáng)光訊號(hào)的UWOC系統(tǒng)。在UWOC系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)中，研究高靈敏度、低噪音的偵測(cè)器是主要研究方向，同時(shí)一些具有特殊應(yīng)用功能的偵測(cè)器也須要關(guān)注，比如太陽(yáng)能電板板和深紫外光偵測(cè)器等。
3、應(yīng)用于復(fù)雜水下信道的先進(jìn)調(diào)制方法
眾所周知，與自由空間光通訊相比，水下光通訊傳輸通道愈發(fā)復(fù)雜。為了提升UWOC的性能，不僅優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)射和接收設(shè)備外，具有高頻譜效率的調(diào)制技術(shù)也導(dǎo)致了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的極延慶趣和關(guān)注。因而，文章中對(duì)應(yīng)用于UWOC系統(tǒng)中的常用調(diào)制方法進(jìn)行了總結(jié)。OOK(開(kāi)關(guān)鍵控)、PPM(脈沖位置調(diào)制)和PAM(脈沖幅度調(diào)制)因?yàn)閷?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，是UWOC中常用的調(diào)制方法。OOK是最簡(jiǎn)單的調(diào)制方法，但在水下環(huán)境中也最容易遭到干擾。PPM的平均功率大于OOK，但PPM存在帶寬效率低的缺點(diǎn)。與PPM相比，PAM的帶寬效率更高，但會(huì)犧牲其功率效率。據(jù)悉，復(fù)雜度較高的先進(jìn)調(diào)制方法可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)傳輸容量。OFDM(正交頻分復(fù)用)和DMT(離散多音)等多擴(kuò)頻調(diào)制方法可以有效減少碼間干擾和信道沒(méi)落。但DMT和OFDM調(diào)制的主要缺點(diǎn)是PAPR(峰值平均功率比)較高，可能會(huì)造成訊號(hào)的非線性失真。與OFDM相比，CAP(無(wú)擴(kuò)頻幅度相位)調(diào)制的PAPR較低，但CAP調(diào)制要求收發(fā)器具有IQ分離和整形混頻的功能，因而實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。OAM(軌道角動(dòng)量)調(diào)制作為一種新興的調(diào)制技術(shù)，它借助OAM光束具有螺旋或扭曲結(jié)構(gòu)，具有多個(gè)正交態(tài)數(shù)的特點(diǎn)，通過(guò)空間上的多路復(fù)用，可有效提高UWOC系統(tǒng)的通訊容量。但OAM雜波本身在復(fù)雜的水下環(huán)境中，容易遭到影響。以上這種調(diào)制方法都早已在UWOC系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，并取得了令人滿意的性能。新型調(diào)制方法的研究和多路復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用已成為增強(qiáng)UWOC系統(tǒng)信道容量的發(fā)展趨勢(shì)。
圖6.不同調(diào)制方法原理示意圖:(a)OOK,PPM,PAM;(b)CAP。(圖(b)引用自文獻(xiàn)“N.Chi,M.Shi,forlight[],16(2018).”)
量子通訊是一種新興的通訊方法，它也可以作為傳輸安全秘鑰的手段。水下量子秘鑰分配(QKD)在絕對(duì)安全的水下通訊中具有潛在的應(yīng)用前景。QKD容許遠(yuǎn)程雙方完善安全秘鑰，借助單光子或糾纏光子來(lái)實(shí)現(xiàn)秘鑰分配，其安全性是基于量子態(tài)的基本化學(xué)特點(diǎn)，而不是借助傳統(tǒng)的密碼學(xué)，因此可以有效防止被打動(dòng)或破解。近些年來(lái)，早已有許多關(guān)于水下QKD的研究進(jìn)展。北京交通學(xué)院團(tuán)隊(duì)率先證明了光子偏振光量子態(tài)和量子糾纏在海水中傳播后可以挺好地保有量子特點(diǎn)，否認(rèn)了水下量子通訊的可行性。單光子量子態(tài)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示，借助具有脈沖模式的激光器形成單光子源，之后借助偏振光分光器將單光子編碼在6個(gè)基本極化初態(tài)上。編碼后的單光子在海水中傳輸后，采用量子態(tài)層析成像法重建輸出態(tài)的密度矩陣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同海水樣本的每位入射基本初態(tài)的保真度都高達(dá)98%以上。而其他研究團(tuán)隊(duì)也通過(guò)理論或則實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了水下量子通訊的可行性。在未來(lái)，從衛(wèi)星到潛水器的遠(yuǎn)距離空海量子通訊也有望實(shí)現(xiàn)。
圖7.單光子量子態(tài)傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。(圖引用自文獻(xiàn)“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
雖然UWOC早已取得了很大進(jìn)展，但水下環(huán)境的復(fù)雜性依然給UWOC帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。
(1)實(shí)現(xiàn)可靠的遠(yuǎn)距離高速數(shù)據(jù)傳輸是UWOC系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)之一。通訊距離短是阻礙UWOC發(fā)展的主要障礙之一，其癥結(jié)在于光訊號(hào)在水下存在嚴(yán)重的吸收和散射。因而，亟待研究大功率、藍(lán)紅光區(qū)域帶寬高的光源元件;以及高響應(yīng)速率、高靈敏度、低噪音、和大視場(chǎng)角的光電偵測(cè)器，以滿足遠(yuǎn)距離和高速通訊的須要。據(jù)悉，先進(jìn)調(diào)制技術(shù)的改進(jìn)也有望延長(zhǎng)水下鏈路的距離，并提升傳輸速度。
(2)鏈路對(duì)準(zhǔn)和大范圍覆蓋是決定UWOC系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的兩個(gè)重要誘因。不僅UWOC信道中的障礙物外，傳輸鏈路還容易遭到晃動(dòng)效應(yīng)導(dǎo)致的錯(cuò)位影響。晃動(dòng)是指因?yàn)樯疃茸兓⒑Ｑ笪闪鳌⒑Ｃ骐S機(jī)運(yùn)動(dòng)等緣由導(dǎo)致的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的隨機(jī)錯(cuò)位，在復(fù)雜的水下環(huán)境中無(wú)法防止。假如發(fā)射機(jī)的覆蓋范圍有限，而接收機(jī)的可接收面積較小，則通訊鏈路很容易中斷。因而，開(kāi)發(fā)覆蓋范圍廣的收發(fā)器，或在實(shí)際水下環(huán)境中采用非視線鏈路減輕晃動(dòng)錯(cuò)位影響是極其重要的。據(jù)悉，開(kāi)發(fā)智能自適應(yīng)的UWOC收發(fā)器也是未來(lái)水下通訊網(wǎng)路的一個(gè)挑戰(zhàn)。
(3)發(fā)展具有高功率效率和帶寬效率的先進(jìn)調(diào)制技術(shù)，以提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度、鏈路距離和穩(wěn)定性。新穎的調(diào)制方案比如采用OAM等新的維度可以有效提高傳輸帶寬。量子通訊的借助可以進(jìn)一步提升UWOC的保密性和通訊距離。而復(fù)用技術(shù)的借助是提升UWOC系統(tǒng)容量的發(fā)展趨勢(shì)。據(jù)悉，隨著近些年來(lái)深度學(xué)習(xí)的普及，許多研究者借助神經(jīng)網(wǎng)路來(lái)優(yōu)化調(diào)制訊號(hào)的測(cè)量、編碼和譯碼過(guò)程，有望進(jìn)一步提高UWOC系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性。
(4)發(fā)展UWOC系統(tǒng)的理論信道模型和進(jìn)行實(shí)際水下實(shí)驗(yàn)也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。因?yàn)樗颅h(huán)境具有高壓、寬氣溫范圍、海洋生物繁雜、海鹽腐蝕和海洋紊流等復(fù)雜性，UWOC系統(tǒng)的實(shí)際施行難度很大，而這種誘因也將強(qiáng)烈影響UWOC系統(tǒng)的壽命和性能。為此，搜集海洋數(shù)據(jù)并進(jìn)行合理的建模，在真實(shí)海水中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是當(dāng)前須要解決的難點(diǎn)和問(wèn)題。據(jù)悉，還須要對(duì)垂直鏈路和非視線UWOC系統(tǒng)進(jìn)行信道建模和實(shí)驗(yàn)。目前，UWOC的研究大多集中在水平鏈路和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視線鏈路上。垂直鏈路須要考慮折射率隨深度和氣溫的變化，以及海洋成份的分層分布，對(duì)模型的構(gòu)建和模擬有更高的要求。而非視線UWOC系統(tǒng)的信道模型和收發(fā)器還須要進(jìn)一步設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
(5)建立可靠、節(jié)能的水下混和傳感網(wǎng)路也是一項(xiàng)重要工作。發(fā)展水下通訊技術(shù)的最終目標(biāo)是建立水下網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)自主水下航行器(AUV)、遙控潛水器(ROV)和水下傳感節(jié)點(diǎn)之間的自由通訊。為此，設(shè)計(jì)一個(gè)具有高效節(jié)能、高穩(wěn)定性等特性的UWOC系統(tǒng)，成功解決遠(yuǎn)距離通訊、鏈路對(duì)準(zhǔn)和覆蓋等方面的挑戰(zhàn)，具有重要意義。同時(shí)，能源消耗也是UWOC系統(tǒng)面臨的一大挑戰(zhàn)。因?yàn)閁WOC系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中大多須要由電瓶供電，因而能效十分重要。據(jù)悉，發(fā)展能源自給自足的UWOC系統(tǒng)也是一種有前途的方式，比如應(yīng)用微生物燃料電瓶、聲學(xué)壓電能量搜集器和太陽(yáng)能電板板等等。并且，對(duì)于能量自給型UWOC系統(tǒng)的研究還不夠細(xì)致。因?yàn)樯詈Ｖ形茨芙邮盏教?yáng)能，而其他能量采集技術(shù)也不夠成熟，設(shè)備電瓶的可靠性和幀率效率仍是實(shí)現(xiàn)水下常年運(yùn)行的關(guān)鍵。
