基于光通信的6G水下信道建模综述

摘 要

**【关键词】**6G；水下光通信；信道建模

0 引言

与现有的5G无线通信网络相比,6G技术体系提出了全新的性能指标与应用场景需求,目标是实现"全覆盖""全频谱""全应用""强安全"四大转变[4]。“全覆盖"意味着要将现有的地面移动网络延伸至太空空间,并为太空基站点、天空基站点、海洋基站点等各类用户提供信息保障[1]。”

该技术的显著优势已引起国际知名研究机构的关注，在过去几年里开展了大量原型验证试验（编号为2-7），取得了显著进展并不断刷新数据传输速率及通信距离上限。目前已有多个实例展示了该项技术的实际应用潜力[如图1(a)和(b)所示]。值得注意的是，在模拟实验中采用的海水信道类型各有不同：包括自来水、人造海水以及天然海水环境（如图1(c)所示）。然而，在实际应用中发现这一复杂现象——海洋湍流——对水下光通信系统性能的影响机制尚不明确。因此，在信道建模过程中如何准确刻画这一影响因素仍面临重要挑战。

通信信道建模涉及系统设计、性能评估以及网络优化等多个关键环节能否顺利推进。在6G研发的关键阶段，重点推进新型频段/场景/应用的信道建模工作具有重要意义[8]。IMT-2030（6G）信道测量与建模工作组已聚焦于光频段通信技术在海洋环境中的应用研究。本文计划从静态海水固有光学特性和动态海水折射率起伏特性两个维度回顾近年来海水信道建模的相关研究工作，并深入分析其发展现状及存在的问题，以期揭示水下光通信技术的本质机理和优化路径，并推动6G超宽带全空间覆盖战略的实现目标

1 面向通信应用建模海水固有光学性质

海水的固有光学性质主要涉及海水对光进行吸收与散射的过程。这些过程会导致光信号强度的衰减。由于涉及海洋环境监测、全球气候变化以及区域气候变化等多个领域的发展需求，相关领域的研究已较为深入地展开。

在理论研究方面[9]中，则主要运用RTE（Radiance Transport Equation）或MC（Monte Carlo）离散统计方法来模拟光在不同海洋水层中的传播机制。其中RTE是一种包含多个变量的积分微分方程模型，在实际应用中难以获得精确解[1]。为此相关领域已开发出一系列假设与近似手段以简化计算过程如离散坐标法[10]小角度近似[11]以及不变量嵌入法[12]等方法能够有效降低计算复杂度并快速估算最大数据传输速率传输距离及路径损耗参数等关键指标指标[2]。然而针对MIMO（Multiple Input Multiple Output）等实用通信系统而言解析求解RTE面临着巨大挑战此时MC统计方法表现出更强的优势MC方法通过模拟大量光子的行为可较为精确地评估水体特性如不同水层深度光照强度变化规律以及设备性能参数对信道性能的影响其编程相对容易实现计算精度高且适用性较强[3]。例如Gabriel等人[13]于2013年成功运用MC方法模拟信道脉冲响应并量化了不同水体类型链路距离以及设备参数对信道时间色散的影响随后于2014年董宇涵课题组[4]提出了一种基于闭式double-Gamma函数拟合的曲线拟合模型能够较准确地估算信道脉冲响应参数从而简化了系统误码率计算并推算了3 dB信道带宽值该课题组还进一步扩展研究将类似的方法应用于MIMO链路场景下导出了完整的脉冲响应模型并评估了系统的容量表现[5][6]。在此基础上2020年该团队又提出了改进型的MC积分算法显著提升了MC模拟效率这一进展也为后续研究混浊程度各异的清澈水域提供了更为便捷的方法论支持Boluda-Ruiz等人则将原有的研究成果拓展至任意清澈度水平的空间环境中实现了更广泛的适用性

本研究同步推进了对海水固有光学特性的实验室模拟研究。如前所述，在纯水中补充不含生物活性的无机盐（例如Maalox），按照Jerlov水体分型标准[18]或设定衰减系数来配制所需浓度并制备人工海水电离去除悬浮物、有机物及生物物质后进行实验观察。同时，在实验中采用天然海水分层取样法采集样本以提升信道仿真度[2-7]。此环境下能够较为准确地再现信号功率衰减及脉冲宽度的变化特征并应用于实验验证。图2 展示出了其中一个典型的实验室模拟环境

通过对相关报道的深入分析，并参考如表1所示的数据支持材料, 可获得信息有助于了解基于海水固有光学性质的研究成果取得的显著进展. 其中, 在通信信道特性研究方面取得了显著进展, 并已完成理论建模工作; 同时, 在实验室模拟工作中已进入应用阶段.

2 面向通信应用建模海水折射率起伏

实际上, 海洋并非匀称静止, 而是一个高度非线性且具有耗散结构和发展特征的复杂系统. 湍流现象是其复杂性的典型表现形式. 在经历湍流状态后, 海水的速度、温度、盐度以及折射率等变量都会因紊乱而复杂的多尺度涡旋运动而发生随机变化. 折射率的变化会引起传播光场的变化, 这从而导致光信号的变化. 对于分析光通信性能而言, 深入理解这种变化规律至关重要.

2.1 海水折射率起伏能谱发展现状

由于海水折射率的波动性会引起光波前发生畸变现象,进而对水下光通信性能产生显著影响,这种现象主要受到温度变化、盐度变化以及温盐耦合变化等因素的影响

上述典型进展显示,海水折射率起伏能谱一直朝着更能吻合流体力学理论与实验数据、能更好地拟合这些理论并考虑了更多的海洋湍流相关因素以及便于光学分析中获得解析解的方向在发展.如图3所示

2.2 起伏海洋中的光传播理论发展现状

光在海水中的传播应服从随机波动方程，该方程的求解十分困难，一些卓有成效的尝试有忽略衍射的GOM（Geometrical Optics Method，几何光学方法）和两种摄动理论：Born近似和Rytov近似。Born近似认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，准确度更高。根据其可求得随机光场及其各阶统计矩的积分表达式[28]。通过将Nikishov谱代入Rytov近似积分表达式，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介绍中，均推导了理想波源的闪烁系数[22,24,25]。对于更接近激光器出射波形的高斯光束，2018年Gökçe[30]等利用Nikishov谱研究了大接收孔径条件下的闪烁系数。然而Rytov近似只适用于弱起伏条件，对于更强的起伏，则需要用抛物线方程法或者广义Huygens-Fresnel原理进行研究[28]。后者已被广泛用于分析携带OAM（Orbital Angular Momentum，轨道角动量）的涡旋光束通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。采用相同的方法，近年来学者先后对贝塞尔高斯、椭圆涡旋、完美涡旋等OAM光束的二阶矩进行了研究，以评估光束的抗湍流扰动性能[32-34]。该方法却不能准确分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方法[28]，通过引入大涡和小涡空间滤波器函数来区分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方法得出中到强起伏条件下的海水闪烁系数。

基于这些具有代表性的进展可以看出（参考图2中的数据） ，成功构建起伏海水光传播统计特性的模型受到两个重要因素的影响：第一是采用能够准确反映真实海洋环境特性的海浪折射率振荡谱；第二是合理应用随机波动方程的近似求解方法。

2.3 面向光通信应用的起伏海洋信道建模发展现状

在起伏波动的大海中，影响现代光纤通信系统性能的关键要素是其随机起伏特性。这种随机振幅变化会引起通信链路中断以及接收端可能出现的数据传输失真。基于此，在信道建模过程中，研究者们特别关注的是描述这种随机振荡特性的概率密度函数。为此，在理论研究领域内，国际学术界围绕这一技术参数分布特性展开了多方面的探索工作。

以下是经过同义改写的文本

二、实验模拟部分

综上所述，在研究起伏海洋光通信信道建模时需要综合考虑多方面的因素包括海水折射率的统计特性、随机介质中的光传播机制以及面向通信系统的信道特性提取等问题均致力于探索创新方向这些工作均具有重要的理论意义和应用前景然而当前各个研究领域之间的相互割裂状态会影响整体信道建模的效果因此如何实现准确性完整性与复杂性的平衡从而构建一个完整的信道建模理论体系将是未来研究工作的核心目标也是目前面临的重要挑战

3 结束语

本文围绕6G空天地海超宽带通信系统的需求展开探讨，在分析水下光通信覆盖中信道建设的关键技术问题时深入阐述了相关领域的研究进展。详细阐述了海水固有光学特性和其折射率的随机起伏情况，并对其静态与动态特性进行了深入分析；对理论解析方法、数值仿真手段以及实验模拟技术各自的特点进行了系统性对比；最后着重探讨未来水下光通信信道建模的关键方向及策略。