1.2 國際國內研究現狀

光通信的起源最早可追溯到19世紀70年代，當時學術界提出采用可見光為媒介進行通信，然而當時既不能產生一個有用的光載波，也不能將光從一個地方傳到另外一個地方。因此直到1960年激光器的出現[5]，光通信才有了突破性的發展。藍綠光在水中具有較小衰減這一物理現象的發現（如圖1-2所示[6]），解決了長期困擾水下可見光通信科研人員的難題，為水下光通信的發展提供了理論支撐，水下可見光通信領域開始得到更多的關注。

圖1-2　光的水下吸收系數譜

水下可見光通信技術在研究前期被迅速應用于軍事領域，在水下潛艇間、潛艇與水面艦艇間等方面得到了初步的應用。1976年，Karp等[7]提出通過衛星與潛艇間進行數據互通的可行性研究。美國軍方在隨后幾年里成功進行了多次藍綠激光對潛通信和激光衛星通信的試驗[8]。在水下光通信商用領域，BlueComm[9]實現了水下傳輸距離200 m，傳輸速度20 Mbit/s的商用水下光傳輸系統。

近年來，隨著學者對光源器件、信道編碼方式、處理芯片等研究的不斷深入，水下光通信領域研究成果眾多，不斷朝著更高速、更長距離的目標邁進。目前水下可見光通信主要包括基于激光二極管（Laser Diode，LD）的通信和基于發光二極管（Light Emitting Diode，LED）的通信。圖1-3展示了最近幾年水下可見光通信的部分研究成果。基于LD的水下通信通常采用藍光激光器，山梨大學在2015年利用64-QAM-OFDM（正交調幅-正交頻分復用）的調制方式，實現了1.45 Gbit/s的傳輸速率和4.8 m的傳輸距離[10]。同年，阿卜杜拉國王科技大學實現了4.8 Gbit/s的傳輸速率和5.4 m的傳輸距離[11]。2017年，臺北科技大學利用波長為405 nm的藍光LD和16-QAM-OFDM的調制方式，在10 m傳輸距離的情況下，實現了10 Gbit/s的傳輸速率[12]，有效提升了LD通信的傳輸效果。臺灣大學在傳輸距離為1.7 m時獲得了14.8 Gbit/s的傳輸速率[13]。基于LED的水下通信通常采用五色RGBYC LED作為信號發射端，復旦大學在2018年采用硅襯底綠光LED，其峰值發光波長為521 nm，采用64-QAM-DMT（正交調幅-離散多音頻）的調制方式，通過多PIN接收機實現最大比合并（Maximum Ratio Combination，MRC）接收，在1.2 m傳輸距離的水下實現了2.175 Gbit/s的傳輸速率[14]。在此基礎上，復旦大學采用新型硬件預均衡的方式，將傳輸速率提升至3.075 Gbit/s[15]。在文獻[16]中，作者提出了一種利用方形幾何整形（Square Geometric Shaping，SGS）調制128-QAM信號的方法，采用硅襯底藍光LED，實現了2.534 Gbit/s的傳輸速率和1.2 m的傳輸距離。文獻[17]實現了15.17 Gbit/s比特加載水下通信，是目前水下可見光通信的最高速率。

在科研人員不斷的探索中，水下可見光通信取得了越來越高的傳輸速率。然而，由于水下環境惡劣，水中懸浮物、顆粒物對不同波段可見光的遮擋、衰減、散射影響規律，以及水下湍流等干擾對可見光通信信道的影響還沒有出現相關理論模型，這增加了水下可見光通信系統性能的不確定性。更準確的信道模型、更高的通信速率、更遠的通信距離以及更高的編碼效率，還需要科研人員的進一步探索。

圖1-3　水下可見光通信部分研究成果