空间激光通信之水下无线光通信

光纤通信作为有线通信的主要方式，已然构成了地球上最大的骨干通信网络，而我国的光缆总线路长度已经长达4566万公里，约占全球铺设光缆总长度的42%，可以说在有线通信领域，我国光纤网络部署领先全球。在无线通信领域，有无线电波、微波通信、毫米波通信、水声通信等多种方式，自由空间激光通信作为无线通信领域的另一种通信方式，由于激光光束指向性较好，保密性能强，可用频谱较宽，具有通信大容量等优点，受到广泛关注和研究。随着对海洋资源的开发和深海探测技术的发展，水下激光通信近年来逐步成为研究热点，下图展示了韩彪博士在博士论文中所绘制的未来深海通信构想的示意图：

在空间探测中，无线激光通信技术可以用在星间、星地光传输上，实现对深空宇宙的探测和对遥测遥感遥信数据的传输。在基于地面平台架设的无线光通信设备和应用场景中，可以在不同楼宇的楼顶通过无线激光通信的方式实现信息传输，在一些光纤覆盖不足或者铺设光缆难度高，甚至救灾等应急通信场景中，采用无线激光通信方式能够实时快速保障通信需求。而在占据了地球表面三分之二以上面积的海洋及水下环境中，传统的通信方式是采用有线的电缆或光缆实现通信，抑或利用射频和声波实现水下无线通信，比如利用声呐对核潜艇的探测等。在海洋中，深海面积大约占地球表面的50%，如同对宇宙的探索一样，人类对深海的探测也从未停止脚步，我国自主研发设计的蛟龙一号不断刷新下潜深度，为人类下潜到深海提供了优良设备。然而随着人类对海洋的探索和利用，越来越多的传感器、探测器等被部署到海洋中，在水下建设一张互联互通的高速通信网势在必行，同时与天基骨干网、空基和地基骨干网一同构成了天地一体化网络，未来将实现不同介质网络中的数据的互联互通。

传统的水声通信采用声波作为传输媒介，发展较为成熟，然而由于声波传输速度慢、通信带宽窄等特点，越来越不能适应人类对海洋探测和利用过程中，需要对水下的音频、视频以及传感器网络处理数据传输的实时性和高速大带宽的要求。同时，由于在水下不能像在陆地上那样采用轻便且价格低廉的光纤作为束缚光信号传输的媒介，传统的水声通信设备随着水下传感网络节点的增多和复杂度提升，将出现设备体积大、功耗高、价格贵等弊端。并且利用水声通信方式进行组网，也将增加网络安全的威胁，声波相比激光更容易被探测和截获。

人们常用频率划分不同的光波，比如太阳光属于自然光，又称白光、可见光，属于人眼能看见的光波的频率范围。利用光波实现通信，一是要将传输的信息加载到光波上，这部分属于调制技术研究；二是要给光波足够的发射功率，以便光波在传输信道中向前传播；三是要将光波接收下来，进而解调出所需信息。那么用什么频率的光波才能满足上述三个基本要求呢？这就要考虑不同频率的光在介质中传输时的损耗特性曲线，比如在固网通信和海缆、电力通信等长距离通信场景中，光纤是最常用的传输介质，在光纤中传输的光波主要有三个波长的光，分别是850nm、1310nm和1550nm，这是由于不同波长光波在光纤中传输时，会存在光纤对光波功率的吸收损耗，而在这三个波长处吸收损耗相对较小，因此这三个波长就成了光纤通信的“通信窗口”。类似的，当无线光信号在水中传输时，介质变成了淡水或者海水，不同波长的光波在水中传输时，同样存在一个“通信窗口”，那就是450-550nm波段内的蓝绿光，研究发现：蓝绿光在海水中传播时的衰减要远小于其它波长的光波。

进一步对比光波和声波，不难发现：光波在水下的传输速率高于声波，这将有助于降低信息传输时延，有利于在水下建立无线传感网时实现信息实时交互，对水下安全作业监控、水下救生及深海下潜探测等对实时性要求较高的场景具有重要意义。激光的频率远高于声波，这使得水下无线激光通信具有很宽的调制带宽，能够以较高的码率实现对信息的调制传输，有利于对海水下高清视频、高清海底图像的传输，能够满足水下无线传感网大容量通信的要求。激光光束的指向性较好，束散角较小，有利于远距离传输，这使得激光在水下传输时不容易像声波那样四面传输，容易造成不同发射和接收端之间的干扰，信号干扰将不利于水下无线传感网的建立和信息有效传输；并且由于激光较好的指向性，一旦被截获，比较容易能够发现窃听者，从而消除网络安全隐患，相比传统水声通信而言，安全性要高一些。

水下无线光通信相比固网光通信的发展，还比较缓慢，技术离实用化还有一段距离。在水下建立光通信网可以参考在陆地上已建立和运营的光纤通信网络，曾经“光进铜退”使得我国固网完成光纤化改造，正在迈向全光网，进一步提高传输速率、降低传输时延、提高传输容量。水下无线光通信同样要面临和解决通信速率、通信容量和通信安全的问题，仍要解决通信的两大永恒主题传输和交换，但水下无线光通信的发展相比传统固网光通信注定要解决的问题更多，比如在光纤通信中，光纤作为传输信道，性质比较稳定，容易建立起信道的数学模型，通过改进生产工艺可以将光纤的损尽可能降低，对光纤带来的色散可以通过色散补偿光纤（DCF）进行补偿；然而，水下环境的复杂、水中含有的有机物和无机物、水中生物等环境，使得水下光通信信道数学模型的建立都显得比在光纤通信中建立信道数学模型更困难。

国内外对水下光通信的研究已经是如火如荼，人们对海洋探测的决心和兴趣前所未有，这促进了水下光通信的发展。5G已然到来，6G还会远吗？面向下一代通信发展的无线激光通信也将在6G时代发力，为构建天空地海的一体化通信网络提供重要支撑作用！

部分参考文献：

1.M. Chaplin. Water absorption spectrum[EB/OL].http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_vibrational_spectrum.html, 2016.

2.面向深海应用的水下双向无线光通信研究，韩彪，中国科学院西安光学精密机械研究所，2018.

3.光脉冲在大气_海水混合信道中传输特性研究，魏安海，2014.

4.水下相干激光无线通信系统若干关键技术研究，李一铭，电子科技大学，2019.

5.水下激光通信技术研究，孟林虎，西安工业大学，2019.

6.面向6G的可见光通信，迟楠，2020.

7.张雨凡,李鑫,吕伟超,陈家旺,郑旻辉,徐敬.水下无线光通信链路构成与性能优化进展[J].光电工程,2020,47(09):3-13.