1.1 引言

海洋覆盖着地球三分之二的表面积，如此广袤的海洋不仅是生命的发源地，而且蕴藏了丰富的矿产和生物等资源。人类从未停止过对海洋的探索，明朝的《天工开物》中，就记载了有关海洋探索的技术。随着人类与海洋的联系愈发紧密，高速远距离的水下通信技术占据着越来越重要的作用。

与陆上通信方式类似，水下通信也分为有线通信和无线通信两大类。水下有线通信主要是在海底铺设使用光纤作为介质的电缆进行通信。由于光纤具有传输容量大、传输损耗小、中继距离长、抗电磁干扰等优点，是目前大部分越洋数据的主要传输方式。然而，有线通信需要物理媒介传输信息，这严重制约了水下潜航器、传感器等动态通信网络的灵活性。水下无线通信则不需要借助光纤等传输介质，目前主要基于声波和射频进行水下通信。其中，声波通信是应用最广泛的水下无线通信技术，能够实现低速率、长距离的水下传输。Stojanovic等[1]的实验已经证明，超声传输可以以10 kbit/s的速率传输1 km。然而，声波通信的最高传输速率只有20 kbit/s左右，且易受干扰、保密性差，不能满足水下通信对高速安全的需求[2]。此外，声波在水中传输有很大的时延，这是因为声波在水中的传输损耗系数与其频率有关，当声波的频率达到10 MHz时，损耗就已经达到了30 dB/m[3]，导致传输质量不理想，这也使得声波的传输带宽被限制在了几百kHz。水下射频传输适用于短距离、高速率的通信。Sendra等[2]证实了射频信号可以在水中以11 Mbit/s / 2.4 GHz的速率传输17 cm。射频信号是频率为300 kHz～300 GHz的电磁波，虽然它能以最高100 Mbit/s的速率传输，并且在短距离内几乎不受反射和散射的影响，但是由于自然界中的水大多具有很强的电导性，导致电磁波出现趋肤效应，穿透深度有限，传输损耗较大，因此只能传输非常短的距离。因此，研制新型水下无线通信技术成为迫切需求。

1963年，Duntley等[4]在研究中发现海水对450～550 nm波段内蓝绿光的衰减比其他光波段的衰减要小很多，证实了在海洋中存在一个类似于大气中存在的透光窗口。这一物理现象的发现为水下可见光通信（Underwater Visible Light Communication，UVLC）的发展奠定了理论基础。具体来说，光波信号具有以下特性：频率高，传输速率快，信道可容纳大量数据信息；穿透性强，可应用于远距离通信传输；安全性高，如被阻挡或监听会导致数据传输对的中断，接收端能够及时发现数据丢失；成本较低，光波的波长短，可有效减小收发天线尺寸，减轻通信系统质量，节省系统开支。

相比于水下声波通信和水下射频通信，水下可见光通信具有传输速率高、带宽大、保密性好、成本低等优势，已成为国际竞争的焦点之一。水下可见光通信可应用于海洋观测传感器物联网的互联互通及信息回传、水下运动装备与水面舰艇、通信浮标及飞机等目标的超高速非接触数据通信，以及水下航行器集群、编队组网通信、海底光缆网与水下无线光通信的有线无线融合组网等。随着5G和6G的发展，水下与陆上的通信网络将不再孤立存在，它们会形成一个智能通信网络。水下光通信应用场景模拟如图1-1所示。

然而，水下环境错综复杂，混合着各种悬浮颗粒、化学溶剂以及各种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质分布的不均匀性和各种微生物的游动，光信号会因为水的吸收和散射等产生严重衰减损耗。光信号在水中传播的过程中，光子会与水分子或其他粒子碰撞导致传输方向发生改变，使得光信号随着传输距离的增加而逐渐偏离中心光柱，产生光柱扩散的现象，造成光功率衰减。随着水深的变化，不同的水下信道对光信号的衰减特性随之变化，而光信号在水中衰减程度的大小影响通信系统的传输速率和传输距离。目前长距离高速水下无线光通信大部分还停留在研究阶段，如何在实际环境中实现更长距离、更高速率的水下无线光通信，是未来水下可见光通信面临的最大挑战。

综上所述，尽管水下可见光通信充满很多困难与挑战，但我们有理由相信，经过科研人员的不断努力，水下可见光通信将成为未来万物互联的智能时代中一种不可或缺的通信方式，与其他通信方式合作互补，共同造福人类社会。