水下可见光通信技术及其应用

摘要

 

水下可见光通信技术是一种新的水下无线通信技术,是以可见光信息为载体,高速脉冲数字编码来调制,通过水下信道高速传输信息的通信方法。该技术具有速度高、体积小、成本低、容量大等优点,但受水下环境复杂多变的影响,稳定、可靠、高速的水下可见光通信技术以及水下可见光通信的工程化应用有待突破。SXTX-S10型产品是一款面向工程应用领域的高稳定性水下可见光通信终端,在如何保障通信速率、通信距离、误码率、系统可靠性方面突破了系列关键技术问题。

 

 

随着可开发的陆地资源日趋匮乏,多数国家将开发利用海洋资源作为重大发展战略,水下通信技术应运而生。在信息化、大数据时代的今天,传统的水下有线通信、水下电波通信、水下声波通信因成本高、通信速率低、体积大、多普勒效应显著等问题,已不满足发展需求。相反的,水下可见光通信技术崭露头角,发展势头良好。

 

水下可见光通信技术是一种新的水下无线通信技术,是以可见光信息为载体,高速脉冲数字编码来调制,通过水下信道高速传输信息的通信方法。水下可见光通信较传统水下通信技术的对比如表1所示,其具有以下优点:

 

(1)传输速率高。光波在水中的传输速率可达到Gbps 量级,这就满足了对大容量的数据进行传输与实时数据传输的要求。

 

(2)传输距离较远。激光在水下的最大穿透深度经理论与实验论证可达到600m,虽比不上声波,但其穿透深度完全满足水下对潜通信要求,且远远大于无线电长波的水下穿透深度。

 

(3)带宽高。光波频率高,使其具有较强的承载能力。

 

(4)随着固体激光器与光电转换器件的发展,使得光通信收发设备的体积、功耗及成本越来越低。

 

(5)保密性好,安全性高。

 

由于水下环境的特殊性,水下可见光通信面临着许多技术难点。 

 

(1)光在水中的衰减较大,且不同水质衰减程度不一样,传输距离不一样。

 

(2)光波在水下传输易发生光束扩散和多普勒效应,严重降低了光在水下通信的性能。

 

(3)水下信道复杂,光链路易受波浪、湍流、水中悬浮物、气泡等影响。稳定、可靠、高速的水下可见光通信技术以及水下可见光通信的工程化应用有待突破。

 

表1 常见水下通信方式对比

 

SXTX-S10型产品是一款面向工程应用领域的高稳性水下可见光通信终端,在如何保障通信速率、通信距离、误码率、系统可靠性方面突破了系列关键技术问题。该型系列产品可提供1Mbps~100Mbps通信速率、5m~150m通信距离的双向蓝绿光通信数据传输,适用于深海、浅海、湖、河、池等水域,可实时完成视频、音频、图像、文本的信息传递、信息交换,信息容量不受限制。产品高效、可靠、稳定,能抵御各类复杂干扰,能够在高光、浑浊等恶劣环境下有效通信。下面以SXTX-S10为例,简述水下可见光通信关键技术及其应用。

 

图1 SXTX-S10产品外观与指标

 

一、关键技术

 

       水下可见光通信的基本原理如图2所示,分为发射端、水下信道和接收端三大部分,发射端需选用高效的、抗干扰能力强的编码调制技术,对发送信息进行电调制,然后经过高速光源驱动和光源,完成电信号到光信号的转换。水下信道完成光信号的传输,同时需考虑水环境对光信号产生了吸收、散射等一系列不利影响。接收端是发射端的逆过程,需考虑光电信号转换、干扰滤除、有效解调解码的问题。各部分看似独立,实则相互牵连。

 

图2 水下可见光通信原理

 

  • 如何保障高通信速率?

     

硬件响应速率、接口吞吐率以及调制解调技术往往是通信系统高通信速率的主要制约因素。

 

SXTX-S10发射端采用高速光源驱动电路和并联电流驱动架构,调制带宽高达200MHz,如图3所示;接收端采用高灵敏度探测器,响应速度快;接口采用千/百兆网口,吞吐率可达1Gbps/100Mbps的线速,突破了接口限制流量的瓶颈问题。

 

高速调制解调技术通过高速信号处理电路(图4)实现,采用多路并行处理架构,既充分发挥了FPGA优势,又提高了信号处理的实时性和处理速度;调制算法采用改进的OOK和PPM融合算法,既发挥了PPM功率利用率高的优点,又解决了OOK抗干扰性差的问题;同时灵活采用复用技术,既大幅提高了系统通信速率,又能最大程度的降低硬件需求和设计成本。

 

图3 高速驱动电路

 

图4 高速信号处理电路

 

  • 如何保障远通信距离?

     

发射端光功率大、信道衰减小、接收端光功率转化效率高是保障通信距离远的主要因素。SXTX-S10采用调制效率高的光源,保障发射端的大功率;采用水下衰减小的蓝绿波段保障最小信道衰减;接收端采用高灵敏探测器,可探测微弱信号,并通过数据预处理和抗干扰性强的解调算法,提高接收端光功率转化效率。

 

  • 如何保障低误码率?

     

误码率是判断通信系统性能的重要指标。无线通信环境复杂而多变,要保障系统的低误码率,需熟知误码的来源,并对症下药。水下可见光通信中,包括接口通信引入误码、自干扰引入误码、光链路通信误码、信道噪声引入误码、解调误码等。SXTX-S10通过稳定可靠的通信协议降低接口通信引入误码,通过噪声抑制电路和结构设计降低自干扰引入误码,通过选取优良的信道编码降低光链路通信误码,通过软件处理算法尤其是解调端的同步算法降低信道噪声引入误码和解调误码。

 

  • 如何保障系统高可靠性?

     

水下通信系统涉及光、机、电领域,因此,系统可靠性也涉及到各领域设计的可靠性。除了机械结构的可靠性、光学系统可靠性、电路设计的可靠性外,这里着重介绍软件的可靠性设计。

 

软件可靠性需要理论与实践的相结合。图5所示APP可在设计初期,根据想要的通信效果推算系统设计参数;也可在系统实测期间,根据系统设计参数推算理论应达到的通信效果。

 

图5 水下通信系统参数推算APP

 

考虑到实际通信中,水下环境复杂多变和水下作业不易维护的问题,软件可靠性主要体现在自适应性和自动性。即能快速自动感知当前环境,匹配最佳通信所需参数,完成通信工作,并能在通信过程中自动调整通信状态。SXTX-S10型产品则具有上述自动感知系统,图6为自动感知系统上截取的信噪比感知图像。

 

图6 信噪比感知图像

 

二、应用领域

水下可见光通信技术应用领域如表2所示。可见,应用范围从军工领域慢慢普及到民用领域,对实时性、高速率、远距离、便携性要求越来越高。试想:将来有一天水下可见光通信能像陆地的无线通信这样质量高、速度快、保密性强?

 

表2 水下可见光通信技术应用范围

 

三、应用举例

 

  • 水下移动设备(AUV、ROV)间自动建立通信

     

水下移动携带通信终端A,AUV携带通信终端B,设备与AUV相对运动过程中,通信终端A与通信终端B自动进行通信请求与通信应答来建立通信链路,并完成通信。

 

  •  

    水下多节点编队、组网

     

水下多移动设备(如AUV),均携带一通信终端,任意相邻移动设备间可进行信息通信,形成组网。通信信息中可包含编队信息,水下多移动设备携带的通信终端依次进行信息传递。

 

  •  

    水下摄影实时传输

     

水下潜水员携带通信终端A,陆地上陪同家属携带通信终端B,通过通信终端A与B的相互通信,潜水员可与家属实时对讲,并将水下场景摄录,上传给陪同家属观看。

来源:先进全固态激光

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