1.2 国际国内研究现状

光通信的起源最早可追溯到19世纪70年代，当时学术界提出采用可见光为媒介进行通信，然而当时既不能产生一个有用的光载波，也不能将光从一个地方传到另外一个地方。因此直到1960年激光器的出现[5]，光通信才有了突破性的发展。蓝绿光在水中具有较小衰减这一物理现象的发现（如图1-2所示[6]），解决了长期困扰水下可见光通信科研人员的难题，为水下光通信的发展提供了理论支撑，水下可见光通信领域开始得到更多的关注。

图1-2　光的水下吸收系数谱

水下可见光通信技术在研究前期被迅速应用于军事领域，在水下潜艇间、潜艇与水面舰艇间等方面得到了初步的应用。1976年，Karp等[7]提出通过卫星与潜艇间进行数据互通的可行性研究。美国军方在随后几年里成功进行了多次蓝绿激光对潜通信和激光卫星通信的试验[8]。在水下光通信商用领域，BlueComm[9]实现了水下传输距离200 m，传输速度20 Mbit/s的商用水下光传输系统。

近年来，随着学者对光源器件、信道编码方式、处理芯片等研究的不断深入，水下光通信领域研究成果众多，不断朝着更高速、更长距离的目标迈进。目前水下可见光通信主要包括基于激光二极管（Laser Diode，LD）的通信和基于发光二极管（Light Emitting Diode，LED）的通信。图1-3展示了最近几年水下可见光通信的部分研究成果。基于LD的水下通信通常采用蓝光激光器，山梨大学在2015年利用64-QAM-OFDM（正交调幅-正交频分复用）的调制方式，实现了1.45 Gbit/s的传输速率和4.8 m的传输距离[10]。同年，阿卜杜拉国王科技大学实现了4.8 Gbit/s的传输速率和5.4 m的传输距离[11]。2017年，台北科技大学利用波长为405 nm的蓝光LD和16-QAM-OFDM的调制方式，在10 m传输距离的情况下，实现了10 Gbit/s的传输速率[12]，有效提升了LD通信的传输效果。台湾大学在传输距离为1.7 m时获得了14.8 Gbit/s的传输速率[13]。基于LED的水下通信通常采用五色RGBYC LED作为信号发射端，复旦大学在2018年采用硅衬底绿光LED，其峰值发光波长为521 nm，采用64-QAM-DMT（正交调幅-离散多音频）的调制方式，通过多PIN接收机实现最大比合并（Maximum Ratio Combination，MRC）接收，在1.2 m传输距离的水下实现了2.175 Gbit/s的传输速率[14]。在此基础上，复旦大学采用新型硬件预均衡的方式，将传输速率提升至3.075 Gbit/s[15]。在文献[16]中，作者提出了一种利用方形几何整形（Square Geometric Shaping，SGS）调制128-QAM信号的方法，采用硅衬底蓝光LED，实现了2.534 Gbit/s的传输速率和1.2 m的传输距离。文献[17]实现了15.17 Gbit/s比特加载水下通信，是目前水下可见光通信的最高速率。

在科研人员不断的探索中，水下可见光通信取得了越来越高的传输速率。然而，由于水下环境恶劣，水中悬浮物、颗粒物对不同波段可见光的遮挡、衰减、散射影响规律，以及水下湍流等干扰对可见光通信信道的影响还没有出现相关理论模型，这增加了水下可见光通信系统性能的不确定性。更准确的信道模型、更高的通信速率、更远的通信距离以及更高的编码效率，还需要科研人员的进一步探索。

图1-3　水下可见光通信部分研究成果