【2022年第6期】 基于光通讯的6G水下信道建模综述

2022年第6期目录 | 本期专题：6G

6G时期新用户面设计和关键技术

面向6G的通讯感知一体化架构与关键技术

面向6G的大范围MIMO通讯感知一体化：现状与瞻望

空地协同车联网V2I与V2V混合传输机制设计

面向6G的欠采样相移键控可见光调制计划

06

2022年第6期专题——6G

主编引荐

本文逻辑紧密、内容新颖 ★★★★

基于光通讯的6G水下信道建模综述*

易湘，刘欢欢，班堃

【摘 要】综述了水下光通讯信道建模的研讨停顿，对影响水下光通讯系统性能的关键信道特性中止了分类。首先，对静态海水的固有光学性质即吸收和散射的建模工作中止了总结。其次，特别剖析了动态海水的折射率起伏即海洋湍流的建模工作，自底向上从起伏海水→起伏光场→起伏光信号三个方面中止归结。最后，提出需求处置的关键问题，为下一步的研讨提供参考。

【关键词】6G；水下光通讯；信道建模

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2022.06.006

中图分类号：TN929.1 文献标记码：A

文章编号：1006-1010(2022)06-0038-07

援用格式：易湘,刘欢欢,班堃. 基于光通讯的6G水下信道建模综述[J]. 移动通讯, 2022,46(6): 38-44.

0 引言

中国5G商用已有三年，但仍有80%以上的陆地域域和95%以上的海洋区域没有移动网络信号。而且通讯对象仅限于地表之上1万米远的空间内，尚无法完成空天地海间的网络畅游。另据分离国国际电信联盟（ITU）统计，全球仍有30亿人没有基本网络接入设备，经济社会展开的数字鸿沟依然存在。与5G无线通讯网络相比，6G希冀引入新的性能指标与应用场景，完成“全掩盖、全频谱、全应用、强保险”四大范式转换。其中“全掩盖”意味着要将空中移动网络延伸至太空、天空和海洋等自然空间，为空基、天基、陆基和海基等各类用户的各类活动提供信息保障 [1] 。可见，完成海面及水下通讯掩盖是达成6G全掩盖愿景的关键要素之一。海面掩盖能够借助卫星网络，但水下掩盖却面临庞大应战。传统水声通讯技术成熟度高，可速率低时延大，无法匹配6G超高速率（Tbps）和超低时延（ms）的需求；因而包含 Sub-6 GHz 频段、毫米波、太赫兹、光频段在内的“全频谱”资源将会被充沛发掘。但前面三种射频方式难以穿透海水；相比较而言，光谱资源可用于提供愈加快速、保险、强壮和高效的通讯，有望成为全球互联网的关键推进力。其中，蓝绿光频段处于海水光学窗口，具有极大的带宽潜力，应用该频段中止通讯为完成超宽带水下通讯掩盖提供了新思绪。

水下光通讯的共同优势曾经惹起国内外知名研讨机构的关注，近年来展开了大量原型考证明验 [2-7] ，不时刷新数据速率和通讯距离纪录，使该项技术的适用化进程日渐看到曙光， 如图1（a）、（b）所示。但同时也留意到，各课题组在实验中所采用的模仿海水信道不尽相同，主要有自来水、人造海水和自然海水，如图1（c）所示。而另一方面，海洋作为地球上最重要的两大流体之一，其内部运动的复杂结构每时每刻都在变更，这种复杂变更的呈现方式就是海洋湍流。如何精确描写海洋湍流对水下光通讯性能的影响是当前信道建模的难点。

通讯信道建模关乎系统设计、性能评价和网络优化等工作能否顺利展开。在6G研发初期，启动对新频段、新场景、新应用的信道建模意义严重 [8] 。IMT-2030（6G）信道丈量与建模任务组已面向光频段通讯展开对海洋环境的研讨。本文拟从静态海水的固有光学特性和动态海水的折射率起伏特性两方面着手，对近年来展开的海水信道建模研讨工作中止总结，以促进水下光通讯技术的研讨展开，推进6G超宽带全空间掩盖的雄伟目的早日完成。

1 面向通讯应用建模海水固有光学性质

海水的固有光学性质主要指海水对光的吸收和散射，这两个过程会构成光的衰减。由于关乎海洋环境监测、全球及局地气候预测等范畴的展开，业界对海水的固有光学性质已中止了深化研讨。

在理论方面 [9] 主要采用RTE（Radiance Transport Equation，辐射传输方程）或MC（Monte Carlo，蒙特卡洛）离散统计措施来建模光在不同成分海洋水体中的传播过程。RTE解析是一个包含多个自变量的积分微分方程，很难求得精确的解析解，相关范畴的前期工作已研讨出一系列的假定和近似来简化RTE，如：离散坐标法 [10] 、小角度近似 [11] 和不变量嵌入法 [12] 等，方便快速求得最大数据速率、传输距离及途径损耗等。但关于MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）等适用通讯系统，要找到RTE的解析解却极具应战。此时MC统计更受喜欢。MC是一种经过发送和跟踪大量光子来模仿水下光传播损失的概率措施，编程简单、求解精确、灵活性高。Gabriel等人 [13] 于2013年采用MC模仿了信道脉冲响应，量化了不同水体类型、链路距离和发射机/接纳机特性下的信道时间色散。2014年，董宇涵课题组 [14] 采用闭式double-Gamma函数拟合MC模仿结果得到信道脉冲响应不完整解析解，便于计算系统误码率和估量3 dB信道带宽。作为扩展，该课题组应用相似的曲线拟合措施导出了MIMO链路的脉冲响应，并评价了系统容量 [15] 。2020年，该组又提出了MC积分法，大幅进步了MC模仿的效率 [16] 。同年Boluda-Ruiz等人 [17] 将董宇涵课题组的工作从混浊水体扩展至恣意清澈水平的水体。

关于海水固有光学性质的实验室模仿也同步展开。如前所述，部分水下光通讯原型考证明验在纯水中添加无机盐（如Maalox），依据Jerlov水体分型规范 [18] 或者给定的衰减系数配制所需浓度，制成人造海水。思索到人造海水不含悬浮物、有机物和生物物质，更有相关实验采集自然海水来提升信道的仿真度 [2-7] 。这种模仿环境能够较好地反映功率衰减和脉冲展宽，因而得以应用。 图2展示出了其中一个典型的实验室模仿环境。

经过剖析这些有代表性的停顿报道，如表1所示，能够了解到基于海水固有光学性质展开的通讯信道特性研讨停顿顺利，理论建模已基本完成，实验室模仿进入应用阶段。

2 面向通讯应用建模海水折射率起伏

事实上，海洋并不是静止平均的，它是一个强非线性的、具有耗散结构和演化特性的复杂系统，湍流是海洋系统复杂现象的集中表示。处于湍流状态的海水，其速度、温度、盐度和折射率等变量都会因紊乱复杂的多尺度涡旋运动而发作随机起伏。折射率的随机起伏会惹起传播光场的起伏，进而惹起光信号的起伏。建模这种起伏对研讨光通讯性能至关重要。

2.1 海水折射率起伏能谱展开示状

海水折射率起伏会惹起光波前畸变，进而影响水下光通讯性能。它会遭到温度起伏、盐度起伏及温盐耦合起伏的影响。2000年，Nikishov等 [19] 初次推导出包含温度、盐度和温盐耦合的折射率能谱。剖析中采用的盐度Schmidt数Sc=700（运动粘性系数v与盐扩散系数D S 之比）比温度Prandtl数Pr=7（v与热传导系数D T 之比）大了约2个数量级，所得盐度谱中存在比温度谱更明显的粘性对流区，能谱则呈现更复杂的变更趋向。之后的数十年间，Nikishov谱被普遍运用。Nikishov谱固然具有闭合方式，但用于光传播特性剖析时，难以求得解析解。2017年，姚金任等人 [20] 对Nikishov谱中止了有效近似，得到便于数学剖析的方式。2019年，张逸新课题组 [21] 在姚金任2017近似谱的基础上中止拓展，增加了涡旋扩散比 [22] 和外尺度的影响。但易湘在研讨中发现：广为运用的Nikishov谱在粘性区的预测值与公开报道的海试数据不符，究其缘由，Nikishov是基于Hill [23] 模型1取得的温度等标量谱。Hill为了求解Karman-Howarth湍能谱方程提出了4种模型。模型1和2在粘性区渐近Batchelor规律；而模型3和4在粘性区依照Kraichnan规律变更。其中只需模型1有闭合解，但模型4最贴近实验数据。分离上述剖析，易湘于2018年提出了一种新的能谱模型 [24] ，在粘性区具有Kraichnan方式，很好地拟合了实验数据。但在剖析光传播特性时同样不能推导出解析解，只适用于Pr=7、Sc=700的典型场景。2019年姚金任 [25] 胜利求解Hill模型4微分方程，得到的能谱不只便于数学剖析，且对恣意Pr/Sc数都适用。随后，姚金任又依据地球名义自然海域的平均温度、盐度数据对谱中Pr/Sc数、涡旋扩散比等参数中止了深化讨论 [26] 。并于2021年 [27] 将恣意Pr/Sc数能谱推行至non-Kolmogorov方式。

上述典型停顿表明，海水折射率起伏能谱不时沿着更精确（更好地拟合流膂力学理论与实验数据）、更完备（包含更多海洋湍流相关要素）和更数学可用（更便于光学剖析的解析解）的方向在展开，如图3所示。

2.2 起伏海洋中的光传播理论展开示状

光在海水中的传播应服从随机动摇方程，该方程的求解十分艰难，一些卓有成效的尝试有疏忽衍射的GOM（Geometrical Optics Method，几何光学措施）和两种摄动理论：Born近似和Rytov近似。Born近似以为受起伏影响的光场与原光场为加性关系，Rytov近似则假定两者间是乘性关系，精确度更高。依据其可求得随机光场及其各阶统计矩的积分表白式 [28] 。经过将Nikishov谱代入Rytov近似积分表白式，易湘最早于2015年 [29] 完成了对平面波和球面波光强闪烁系数的推导。前述关于海洋折射率起伏能谱的引见中，均推导了理想波源的闪烁系 数 [22,24,25] 。关于更接近激光器出射波形的高斯光束，2018年Gke [30] 等应用Nikishov谱研讨了大接纳孔径条件下的闪烁系数。但是Rytov近似只适用于弱起伏条件，关于更强的起伏，则需求用抛物线方程法或者广义Huygens-Fresnel原理中止研讨 [28] 。后者已被普遍用于剖析携带OAM（Orbital Angular Momentum，轨道角动量）的涡旋光束经过起伏海洋后的统计二阶矩。2019年，易湘 [31] 基于所提的折射率谱求得部分相干拉盖尔高斯光束的二阶矩。采用相同的措施，近年来学者先后对贝塞尔高斯、椭圆涡旋、圆满涡旋等OAM光束的二阶矩中止了研讨，以评价光束的抗湍流扰动性能 [32-34] 。该措施却不能精确剖析强起伏条件下的光场四阶矩。为了避免求解抛物线方程，Andrews等提出了广义Rytov措施 [28] ，经过引入大涡和小涡空间滤波器函数来分辨这两类涡旋在强起伏区的作用效果。2019年，易湘课题组 [35] 基于姚金任2017近似谱 [20] ，应用广义Rytov措施得出中到强起伏条件下的海水闪烁系数。

从这些代表性停顿能够看出（如表2所示），胜利建模起伏海水的光传播统计特性取决于两方面：一是运用描画真实海洋环境的海水折射率起伏能谱，二是正确运用随机动摇方程的近似求解措施。

2.3 面向光通讯应用的起伏海洋信道建模展开示状

起伏海洋中影响光通讯性能的主要要素是光强闪烁，光强的忽明忽暗会构成通讯中缀和突发错误，因而信道建模的重点是光强起伏的PDF（Probability Density Function，概率密度函数）。对此国内外学者中止了2个方向的尝试：

一是理论推测。先依据海洋折射率起伏能谱得到光强闪烁系数，再类比大气湍流光强PDF已有结论推测出起伏海水的光强PDF。易湘等人依据其推导的弱起伏和强起伏条件下的平面波/球面波点接纳光强闪烁系数，分别给出了适用两种条件的LN（Log-Normal，对数正态）散布 [29] 和GG（Gamma-Gamma，双伽马）散布 [35] ，进而剖析了OOK调制下的平均误比特率。为了更贴近实践通讯收发机的参数配置，Gke等人基于Nikishov谱推导出高斯光束在有限接纳孔径上的闪烁系数，得到弱起伏下LN [30] 和强起伏下GG散布 [36] ，剖析了SCM（Sub-Carrier Modulation，副载波调制）、PPM（Pulse Position Modulation，脉冲位置调制）等调制格式下平均误比特率。Sharifzadeh等人 [37] 于2018年将LN、K、Gamma、Weibull这些PDF方式逐一用于平均误码率、各态历经容量的剖析，将闪烁系数与各PDF参数中止了关联。2020年，许冠军等 [38,39] 将在湍流大气中适用范围更广的Málaga散布迁移到水下，但并未直接给出平面波/球面波闪烁系数与Málaga散布参数的对应关系。

二是实验模仿。Jamali和Zedini等人 [40,41] 搭建了 如图4所示的模仿环境，用制氧机产生气泡；用加热棒部分加热或者经过滴水管将热水注入冷水槽来制造温度梯度；用滴水管将盐水注入淡水槽来生成盐度梯度。丈量光电探测器的输出电流拟合出混合指数广义伽马等PDF。2021年，吕志坚等 [42] 在水槽中放置水泵来制造水的活动。故目前的实验模仿只能说是经过制造温度和盐度梯度产生一定水平的对流，或者仅仅是水体的扰动。但是，真实的海洋湍流需求雷诺数（Reynolds number，一种表征流体活动状况的无量纲数。雷诺数小于2 300的活动是层流，2 300～4 000为过渡状态，大于4 000时是湍流）抵达103，且由于层结的影响需求额外思索浮力的作用，显然目前的实验室还达不到模仿海洋湍流条件。

综上所述，起伏海洋光通讯信道建模触及各个方面，不论是海水折射率起伏统计描画、随机介质光传播理论，还是面向通讯应用的信道特征提取，都在不时寻求创新突破，都有重要的研讨意义和科学前景。但是，各环节研讨工作的割裂会对信道建模产生不利影响，完成精确性、完备性和复杂度的合理折中，构成一套完好的信道建模基础理论体系是下一步信道建模工作的重点和难点。

3 终了语

本文面向6G空天地海超宽带通讯应用需求，对水下光通讯掩盖中信道建模这一关键技术的研讨停顿中止综合论述。分别给出了海水固有光学特性和海水折射率随机起伏，这一静一动光通讯信道建模研讨现状，比较了理论解析、数值仿真和实验模仿等研讨措施的优势和局限，指出了未来水下光信道建模的研讨重点和思绪。

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★原文发表于《 移动通讯》2022年第6期★

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2022.06.006

中图分类号：TN929.1 文献标记码：A

文章编号：1006-1010(2022)06-0038-07

援用格式：易湘,刘欢欢,班堃. 基于光通讯的6G水下信道建模综述[J]. 移动通讯, 2022,46(6): 38-44.

作者简介

易湘（orcid.org/0000-0003-0282-6001）：博士毕业于西安电子科技大学，现任西安电子科技大学讲师、硕士生导师，研讨方向为无线光通讯、水下光通讯等。

刘欢欢：西安电子科技大学在读硕士研讨生，主要研讨方向为水下无线光通讯。

班堃：西安电子科技大学在读硕士研讨生，主要研讨方向为水下无线光通讯。

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