無線光通信—水下光通信【研究分析】

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1、 西安郵電大學(xué) 《無線光通信》 學(xué)院 ： 電子工程學(xué)院 專業(yè) ： 電子科學(xué)與技術(shù) 姓名 ： *** 學(xué)號(hào) ： *（*） 班級(jí) ： * 時(shí)間 ： 2013-2014學(xué)年 第一學(xué)期 技術(shù)l類別 水下光通信 摘要：水下光通信作為一種快捷的無線光通信方式，已經(jīng)逐步成為現(xiàn)實(shí)，解決了長期水下目標(biāo)探測、通信等難題。 本文對水下光通信的發(fā)展、重要性、優(yōu)勢和存在問題進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和分析，以及介紹了水下光通信的兩種方式，分別對水下光纖通信和水下激光通信的特點(diǎn)及應(yīng)用作了詳細(xì)的介紹。由于水下光通信

2、在水下傳輸時(shí)受到了水下復(fù)雜的條件影響，水下光通信將來的研究方向在增加傳輸容量、延長傳輸距離、自動(dòng)方向?qū)?zhǔn)、降低設(shè)備成本等方面。如果這些問題能得到有效解決，那么水下光通信對無線光通信行業(yè)將發(fā)揮巨大的促進(jìn)作用。 關(guān)鍵字： 水下光通信 水下光纖通信 水下激光通信 技術(shù)l類別 一、水下光通信的發(fā)展 光通信起源最早可追溯到19世紀(jì)70年代,當(dāng)時(shí)Bell提出采用可見光為媒介進(jìn)行通信,但是當(dāng)時(shí)既不能產(chǎn)生一個(gè)有用的光載波,也不能將光從一個(gè)地方傳到另外一個(gè)地方。因此直到1960年激光器的發(fā)明,光通信才有了突破性的發(fā)展，但研究領(lǐng)域基本上集中在光纖通信和不可見光無線通信領(lǐng)域。由

3、于海水對光的強(qiáng)吸收特性，水下光通信技術(shù)一直沒有得到重視。直到1963年,Dimtley等人在研究光波在海洋中的傳播特性時(shí),發(fā)現(xiàn)海水在 450-550納米波段內(nèi)藍(lán)綠光的衰減比其它光波段的衰減要小很多, 證實(shí)在海洋中亦存在一個(gè)類似于大氣中存在的透光窗口。這一物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為解決長期水下目標(biāo)探測、通信等難題提供了基礎(chǔ)。 水下光學(xué)通信技術(shù)研究前期主要集中在軍事領(lǐng)域，長期以來是水下潛艇通信中的關(guān)鍵技術(shù)。美國海軍從1977年提出衛(wèi)星與潛艇間通信的可行性后, 就與美國國防研究遠(yuǎn)景規(guī)劃局開始執(zhí)行聯(lián)合戰(zhàn)略激光通信計(jì)劃。1983年底, 前蘇聯(lián)在黑海艦隊(duì)的主要基地塞瓦斯托波爾附近也進(jìn)行了把藍(lán)色激光束發(fā)送到空間軌道

4、反射鏡后再轉(zhuǎn)發(fā)到水下彈道潛艇的激光通信試驗(yàn)。 澳大利亞國立大學(xué)信息科學(xué)與工程研究學(xué)院的研究小組開發(fā)了一種低成本、小體積、結(jié)構(gòu)簡單的光學(xué)通信系統(tǒng)，選用LuxeonⅢ LED的藍(lán)（460nm）、青（490nm）、綠(520nm)光，接收器電路采用對藍(lán)青綠三種光靈敏度很高的 SLD—70BG2A 光電二極管，這套系統(tǒng)在兼顧速度與穩(wěn)定性的同時(shí)，通訊速率可達(dá)57.6kbps，由于采用紅外無線通信協(xié)議，其水下傳輸速率和傳輸距離受到極大限制。 美國伍茲霍爾海洋研究所研究小組研制了一套基于發(fā)光二極管（LED）低功耗深海水下光學(xué)通信樣機(jī)，采用鍵控調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了10Mbps的通信速率。由于是針對深海領(lǐng)域，沒有

5、考慮了水下光學(xué)信道中的散射影響，其結(jié)果存在一定的片面性。 日本Keio大學(xué)研究小組開展了基于可見光 LED的水下光學(xué)無線通信研究，采用米氏散射理論進(jìn)行懸浮顆粒對信道影響的分析，其仿真結(jié)果表明，水下光學(xué)信道的傳輸特性與波長和海水濁度有關(guān)。 美國海軍航空系統(tǒng)司令部的研究小組探討了海水散射影響對PSK調(diào)制的水下光學(xué)無線通信在10-100Mbps通信速率的影響，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬試驗(yàn)進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果表明海水的混濁度對信道調(diào)制帶寬和相位具有重要影響。但是對實(shí)際環(huán)境下海水散射對編碼調(diào)制技術(shù)的影響機(jī)制缺乏全面的認(rèn)識(shí)。 近年來，Hanson和Radic采用Monte Carlo方法進(jìn)行水下光波傳輸仿真，

6、驗(yàn)證了傳輸速率為 1Gbps 的水下光學(xué)通信的可行性。 由于各種原因，國內(nèi)所開展的水下光學(xué)通信技術(shù)研究有限，在水下光學(xué)信道的光學(xué)特性研究方面基礎(chǔ)較為薄弱。 二、水下光通信的重要性 近十年來，新興的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為獲取連續(xù)、系統(tǒng)、高時(shí)空分辨率、大時(shí)空尺度的海洋要素觀測資料提供一種全新的技術(shù)手段。水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)低成本、低功耗、多功能的集成化微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，具有數(shù)據(jù)采集、無線通信和信息處理的能力，將多個(gè)此類傳感器節(jié)點(diǎn)布置在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，可形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò),它們通過特定的協(xié)議，高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的進(jìn)行自組織，并通過各傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作進(jìn)行實(shí)時(shí)測量

7、、感知和采集各種海洋要素的信息，利用無線通信技術(shù)將觀測信息實(shí)時(shí)傳輸。因此，通過在感興趣的海域布設(shè)大量廉價(jià)無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以獲取海洋環(huán)境時(shí)空變化觀測資料，實(shí)現(xiàn)大范圍的觀測區(qū)域高覆蓋面的監(jiān)測，為實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)化、立體化、長時(shí)序、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)化、大空間尺度的海洋環(huán)境監(jiān)測提供技術(shù)支撐。 在海洋軍事活動(dòng)中，為保障信息傳輸過程中不受干擾和不被截聽，利用AUV（Autonomous Underwater Vehicle）進(jìn)行指揮艦與潛艇，潛艇與潛艇之間的通信聯(lián)絡(luò)；在港口安全保障過程中，在AUV上搭載聲學(xué)或光學(xué)監(jiān)測傳感器進(jìn)行港口及水下設(shè)備的檢測和目標(biāo)的跟蹤，并及時(shí)通過無線通信技術(shù)將信息傳輸?shù)叫畔⒅行摹? 總之，對

8、于水下的通信技術(shù)的要求已經(jīng)是越來越高，我們需要找到一種高效的水下通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)固定端點(diǎn)的信息傳輸和多個(gè)移動(dòng)端點(diǎn)的信息傳輸。 三、水下光通信的優(yōu)勢 光學(xué)通信技術(shù)可以克服水下聲學(xué)通信的帶寬窄、受環(huán)境影響大、可適用的載波頻率低、傳輸?shù)臅r(shí)延大等缺陷。因?yàn)椋? 1）由于光波頻率高，其信息承載能力強(qiáng)，可以組建大容量無線通信鏈路。 2）是光波在水介質(zhì)的傳輸速率可達(dá)千兆，使得水下大信息容量數(shù)據(jù)的快速傳輸成為可能； 3）光學(xué)通信具有抗電磁干擾能力強(qiáng)，不受海水溫度和鹽度影響等特點(diǎn)； 4）波束具有較好的方向性，如想攔截，就需要用另一部接收機(jī)在視距內(nèi)對準(zhǔn)發(fā)射機(jī)，造成通信鏈路中斷，用戶會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)通信鏈路

9、中斷事故。 5）隨著半導(dǎo)體光源關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，體積小，價(jià)格低、效率高的可見光譜光電器件充足。并且由于光波波長短，收發(fā)天線尺寸小，可以大幅度減少重量。 四、水下光通信存在問題 海水是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物組合系統(tǒng)，它含有溶解物質(zhì)、懸浮體和很多各種各樣的活性有機(jī)體。由于海水中的物質(zhì)和懸浮體的不均勻性，導(dǎo)致光波在水下傳播過程中因吸收和散射作用而產(chǎn)生衰減。光波的水下傳輸特性是制約水下光學(xué)無線通信質(zhì)量的重要因素之一，它對整個(gè)水下光學(xué)無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定產(chǎn)生著重要影響。 根據(jù)對海水光特性的研究，光波在水下傳輸所受到的影響可以歸納為以下三個(gè)方面 1）光損耗：忽略海水?dāng)_動(dòng)和熱暈效應(yīng)，光在

10、海水中的衰減主要來自吸收和散射影響，通常以海水分子吸收系數(shù)、海水浮游植物吸收系數(shù)、海水懸浮粒子的吸收系數(shù)、海水分子散射系數(shù)和懸浮微粒散射系數(shù)等方式體現(xiàn)。 2）光束擴(kuò)散：經(jīng)光源發(fā)出的光束在傳輸過程中會(huì)在垂直方向上產(chǎn)生橫向擴(kuò)展，其擴(kuò)散直徑與水質(zhì)、波長、傳輸距離和水下發(fā)散角等因素有關(guān)。 3）多徑散射：光在海水中傳播時(shí)，會(huì)遇到許多粒子發(fā)生散射而重新定向，所以非散射部分的直射光將變得越來越少。海水中傳輸?shù)墓獗簧⑸淞Ｗ由⑸涠x光軸，經(jīng)過二、三、四等多次散射后，部分光子又能重新進(jìn)入光軸，形成多次散射。 以上問題最直接后果就是激光通信誤碼率較高誤碼率達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)導(dǎo)致通信失敗。 五、水下光通信的分

11、類 依據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)不同或者說是否是固定端點(diǎn)間的信息傳送而將水下光通信分為水下光纖通信和水下激光通信。 5.1水下光纖通信 5.1.1水下光纖 海底光纜：敷設(shè)在海底的通信光纜，稱海底光纜。又稱海底通訊電纜，是用絕緣材料包裹的導(dǎo)線，鋪設(shè)在海底，用以設(shè)立國家之間的電信傳輸。最初海底通訊電纜提供電報(bào)通訊，后來的電纜則最次引入電話通訊，以及電腦網(wǎng)絡(luò)通訊。現(xiàn)代的電纜還用上光纖技術(shù)去傳遞數(shù)位信息，并且設(shè)立更先進(jìn)的電話通訊 互聯(lián)網(wǎng)與私人數(shù)據(jù)通訊。 海底光纜是用絕緣外皮包裹的導(dǎo)線束鋪設(shè)在海底，分海底通信光纜和海底光力光纜。前者主要用于通訊業(yè)務(wù)，后者主要用于水下傳輸大功率光能。與人造衛(wèi)星相比，海底光纜有

12、很多優(yōu)勢：海水可防止外界光磁波的干擾，所以海纜的信噪比較低；海底光纜通信中感受不到時(shí)間延遲；海底光纜的設(shè)計(jì)壽命為持續(xù)工作25年，而人造衛(wèi)星一般在10到15年內(nèi)就會(huì)燃料用盡，因此相對于衛(wèi)星通信，海纜通信具有價(jià)格低，通信速度快等優(yōu)點(diǎn)。 但是由于海纜是埋在海底，所以海纜 往往容易遭到捕魚的拖網(wǎng)漁船，船錨破壞，甚至鯊魚咬斷，而且有時(shí)也被敵軍部隊(duì)在戰(zhàn)時(shí)破壞，再加上海水具有腐蝕性，且海纜一般埋在深海處，受到的壓強(qiáng)較大所以海底光纜也有其鋪設(shè)維修困難等不利因素。 5.1.2海底光纜的構(gòu)造 深海光纜的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜：光纖設(shè)在U形槽塑料骨架中，槽內(nèi)填滿油膏或彈性塑料體形成纖芯。纖芯周圍用高強(qiáng)度的鋼絲繞包

13、，在繞包過程中要把所有縫隙都用防水材料填滿，再在鋼絲周圍繞包一層銅帶并焊接搭縫，使鋼絲和銅管形成一個(gè)抗壓和抗拉的聯(lián)合體。在鋼絲和銅管的外面還要再加一層聚乙烯護(hù)套，這樣嚴(yán)密多層的結(jié)構(gòu)是為了保護(hù)光纖、防止斷裂以及防止海水的侵入。 典型海底光纜的結(jié)構(gòu)解析 1) 聚乙烯層 2) 聚酯樹酯或?yàn)r青層 3) 鋼絞線層 4) 鋁制防水層 5) 聚碳酸酯層 6) 銅管或鋁管 7) 石蠟，烷層 8) 光纖束 5.2水下激光通信 水下無線通信廣泛使用的是聲學(xué)通信技術(shù)，水聲通信技術(shù)具有通信距離遠(yuǎn)、通信可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，聲學(xué)通信技術(shù)在淺海和深海的水下無線通信領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用

14、。但是，水下聲學(xué)通信也有諸多的局限性。 5.2.1水下激光通信的組成 水下激光通信主要由三大部分組成：發(fā)射系統(tǒng)、水下信道和接收系統(tǒng)。水下無線光學(xué)通信的機(jī)理是將待傳送的信息經(jīng)過編碼器編碼后，加載到調(diào)制器上轉(zhuǎn)變成隨著信號(hào)變化的電流來驅(qū)動(dòng)光源，即將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，然后通過透鏡將光束以平行光束的形式在信道中傳輸；接收端由透鏡將傳輸過來的平行光束以點(diǎn)光源的形式聚集到光檢測器上，由光檢測器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，最后由解碼器解調(diào)出原來的信息。 水下激光通信系統(tǒng)的組成： 5.2.2水下激光通信的優(yōu)勢 水下激光通信的優(yōu)點(diǎn)是： 1) 通信容量大。在理論上，激光通信可同時(shí)傳送1000萬路電視節(jié)目和100億路電話； 2) 保密性強(qiáng)。激光不僅方向性特強(qiáng)，而且可采用不可見光，因而不易被敵方所截獲，保密性能好； 3) 結(jié)構(gòu)輕便，設(shè)備經(jīng)濟(jì)。由于激光束發(fā)散角小，方向性好，激光通信所需的發(fā)射天線和接收天線都可做的很小，一般天線直徑為幾十厘米，重量不過幾公斤，而功能類似的微波天線，重量則以幾噸、十幾噸計(jì)。 【參考文獻(xiàn)】 [1]韓太林主編.光通信技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2011.4 [2]原榮主編.光纖通信.電子工業(yè)出版社，2002.1.1 [3]柯熙政，席曉莉編著.無線激光通信概論.北京郵電大學(xué)出版社，2004.8 技術(shù)l類別