1.1 引言

海洋覆蓋著地球三分之二的表面積，如此廣袤的海洋不僅是生命的發源地，而且蘊藏了豐富的礦產和生物等資源。人類從未停止過對海洋的探索，明朝的《天工開物》中，就記載了有關海洋探索的技術。隨著人類與海洋的聯系愈發緊密，高速遠距離的水下通信技術占據著越來越重要的作用。

與陸上通信方式類似，水下通信也分為有線通信和無線通信兩大類。水下有線通信主要是在海底鋪設使用光纖作為介質的電纜進行通信。由于光纖具有傳輸容量大、傳輸損耗小、中繼距離長、抗電磁干擾等優點，是目前大部分越洋數據的主要傳輸方式。然而，有線通信需要物理媒介傳輸信息，這嚴重制約了水下潛航器、傳感器等動態通信網絡的靈活性。水下無線通信則不需要借助光纖等傳輸介質，目前主要基于聲波和射頻進行水下通信。其中，聲波通信是應用最廣泛的水下無線通信技術，能夠實現低速率、長距離的水下傳輸。Stojanovic等[1]的實驗已經證明，超聲傳輸可以以10 kbit/s的速率傳輸1 km。然而，聲波通信的最高傳輸速率只有20 kbit/s左右，且易受干擾、保密性差，不能滿足水下通信對高速安全的需求[2]。此外，聲波在水中傳輸有很大的時延，這是因為聲波在水中的傳輸損耗系數與其頻率有關，當聲波的頻率達到10 MHz時，損耗就已經達到了30 dB/m[3]，導致傳輸質量不理想，這也使得聲波的傳輸帶寬被限制在了幾百kHz。水下射頻傳輸適用于短距離、高速率的通信。Sendra等[2]證實了射頻信號可以在水中以11 Mbit/s / 2.4 GHz的速率傳輸17 cm。射頻信號是頻率為300 kHz～300 GHz的電磁波，雖然它能以最高100 Mbit/s的速率傳輸，并且在短距離內幾乎不受反射和散射的影響，但是由于自然界中的水大多具有很強的電導性，導致電磁波出現趨膚效應，穿透深度有限，傳輸損耗較大，因此只能傳輸非常短的距離。因此，研制新型水下無線通信技術成為迫切需求。

1963年，Duntley等[4]在研究中發現海水對450～550 nm波段內藍綠光的衰減比其他光波段的衰減要小很多，證實了在海洋中存在一個類似于大氣中存在的透光窗口。這一物理現象的發現為水下可見光通信（Underwater Visible Light Communication，UVLC）的發展奠定了理論基礎。具體來說，光波信號具有以下特性：頻率高，傳輸速率快，信道可容納大量數據信息；穿透性強，可應用于遠距離通信傳輸；安全性高，如被阻擋或監聽會導致數據傳輸對的中斷，接收端能夠及時發現數據丟失；成本較低，光波的波長短，可有效減小收發天線尺寸，減輕通信系統質量，節省系統開支。

相比于水下聲波通信和水下射頻通信，水下可見光通信具有傳輸速率高、帶寬大、保密性好、成本低等優勢，已成為國際競爭的焦點之一。水下可見光通信可應用于海洋觀測傳感器物聯網的互聯互通及信息回傳、水下運動裝備與水面艦艇、通信浮標及飛機等目標的超高速非接觸數據通信，以及水下航行器集群、編隊組網通信、海底光纜網與水下無線光通信的有線無線融合組網等。隨著5G和6G的發展，水下與陸上的通信網絡將不再孤立存在，它們會形成一個智能通信網絡。水下光通信應用場景模擬如圖1-1所示。

圖1-1　水下光通信應用場景模擬

然而，水下環境錯綜復雜，混合著各種懸浮顆粒、化學溶劑以及各種水溶性分子等非生物和浮游微生物等。由于水中的非生物物質分布的不均勻性和各種微生物的游動，光信號會因為水的吸收和散射等產生嚴重衰減損耗。光信號在水中傳播的過程中，光子會與水分子或其他粒子碰撞導致傳輸方向發生改變，使得光信號隨著傳輸距離的增加而逐漸偏離中心光柱，產生光柱擴散的現象，造成光功率衰減。隨著水深的變化，不同的水下信道對光信號的衰減特性隨之變化，而光信號在水中衰減程度的大小影響通信系統的傳輸速率和傳輸距離。目前長距離高速水下無線光通信大部分還停留在研究階段，如何在實際環境中實現更長距離、更高速率的水下無線光通信，是未來水下可見光通信面臨的最大挑戰。

綜上所述，盡管水下可見光通信充滿很多困難與挑戰，但我們有理由相信，經過科研人員的不斷努力，水下可見光通信將成為未來萬物互聯的智能時代中一種不可或缺的通信方式，與其他通信方式合作互補，共同造福人類社會。