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引用本文:

王伟,李晓记,杜卫海,等:水下轨道角动量可见光通信研究进展[J]. 光通信技术,2019,43(5):13-18.

水下轨道角动量可见光通信研究进展

王 伟1,2,3,李晓记1,2*,杜卫海1,2,3,任亚萍3,刘致宏3
(1.桂林电子科技大学 认知无线电与信息处理教育部重点实验室,广西 桂林 541004;
2.广西信息科学实验中心,广西 桂林 541004;3.桂林电子科技大学 海洋信息工程学院,广西 北海536000)

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摘要:轨道角动量(OAM)光通信的理论研究和实验探索已经逐步由自由空间转向了海洋,成为了水下可见光通信领域的研究热点。简述了有关水下OAM可见光通信领域的最新研究进展,包括水下OAM传输特性、海水信道下OAM可见光通信等方面的研究现状。最后,展望了水下OAM可见光通信的应用前景和研究趋势。
关键词:轨道角动量;可见光通信;水下
中图分类号:TN929.1 文献标识码:A 文章编号:1002-5561(2019)05-0013-06
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.05.004

0 引言
       随着人类在海洋领域的足迹日趋频繁,人们对应用于水下的各类无线通信技术提出了新的传输容量和速率需求[1,2]。现有研究发现,蓝绿波段的可见光在海洋环境下传输损耗低,适宜于水下信息传输[1-4]。因此,面对持续增长的水下信息传输容量需求,寻求能够适应复杂水下通信环境的新型可见光通信体制成为了当前水下通信亟待解决的问题。
      基于轨道角动量(OAM)的水下可见光通信是利用光波的空间自由度来调制信息的一种可以很大程度上提高通信容量和速率的新型光通信体制。1992年,荷兰莱顿大学的L. Allen等人[5]发现具有空间螺旋相位因子exp(ilθ)的拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束携有OAM。每个光子携带的OAM为lh,其中l为拓扑荷数,其取值可以为任意整数;θ为方向相位角;h的值为普朗克常数除以2π。任意两个不同模态值的OAM相互正交,使得OAM模态适合于信息的空间复用传输。2004年,英国格拉斯哥大学的Gibson等人[6]通过实验首次基于OAM态进行信息编码实现了点对点无线光通信。在深入研究OAM本质特征、产生和接收技术的基础上,已经证明自由空间OAM无线光通信是一种可以提供高速率大容量的通信体制[7]。
       与自由空间OAM无线光通信类似,见诸于报道的水下OAM可见光通信方式主要有3种方式:OAM键控(OAM-SK),OAM复用(OAM-DM)和OAM组播(OAM-MC)。相对于传统无线光通信,无论哪一种OAM通信方式,都能极大地提升系统传输容量、频谱效率和安全性能[8]。
考虑到国内外有关OAM光通信的综述仍然主要集中在自由空间环境,针对水下环境的相对较少。本文将概述近年来水下OAM可见光通信领域的有关研究进展。

4 结束语
       从自由空间到水下,OAM光通信在提高频谱效率和信道容量方面均体现出了相当的优势,水下OAM可见光通信有着广阔的应用前景,点对点、一点对多点等大容量高速率短距离通信场景都可选择其作为候选通信手段。
然而,海洋的特殊环境复杂而多变,现有关于水下OAM可见光通信的研究都还只是停留在模拟简单的海水信道或者基于随机相位屏模拟海洋湍流信道的层面;基于OAM-DM的水下可见光通信所采用的调制方式也趋于简单;无论是实验还是仿真,现有关于水下OAM可见光通信的研究,其通信距离都相对较短;由于信息传输环境的影响,水下OAM光束的捕获、跟踪和瞄准也是值得注意的问题。因此,在结合本文文献总结的基础上,如下问题值得考虑:
①在现有研究基础之上,持续对水下OAM可见光通信进行信道建模,为其后续的深入研究和逐渐走向实际应用奠定理论基础。
②海洋湍流始终是水下OAM可见光通信面临的重大议题, OAM可见光信号在其中传播时衰落十分明显,集中表现在其对OAM空间相位分布的干扰和引起的OAM态间串扰。因此,必须采取若干湍流效应抑制策略以保证OAM可见光通信的质量。孔径平均、自适应光学补偿、自适应多进多出(MIMO)均衡和数字信号处理技术等都可能是解决海洋湍流的干扰的措施。
③多维度融合调制技术在自由空间已经得到了成功应用,文献[27]佐证了偏振复用联合OAM-DM可以使系统传输速率倍增。因此,基于OAM-DM联合光波的偏振、波长和振幅等信息调制资源进行多维度融合调制,具有极大的系统容量提升空间。
④通信系统的稳健性,例如信号的捕获、瞄准和跟踪也是必须要面对的问题,水下OAM可见光通信也不例外,目前,该领域的研究很少涉及这一方面。因此,如何采取有效措施实现对水下OAM可见光信号接收的自适应校准也是值得深入思考的问题。