??研究生期間做多用戶水下無線光通信（Underwater Optical Wireless Communication，UOWC），寫幾篇博客分享一下學的內容。導師給了大方向，讓我用直接序列碼分多址（Direct Sequence Code Division Multiple Access，DS-CDMA）做多用戶接入協議。我主要研究延時估計和多用戶檢測，并搭建實驗平臺。本文介紹研究背景和研究現狀。

1、研究背景

??光通信已經成為全球互聯網發(fā)展的關鍵推動技術。光纖通信網絡不僅連接各大洲，而且還構成現代通信網絡的骨干，為大都市、城鎮(zhèn)以及越來越多的家庭提供高速數據訪問服務。依賴于光纖的有線光通信技術已經非常成熟，無線光通信（Optical Wireless Communication, OWC）也已逐步投入應用，近年來學術界和工業(yè)界對OWC技術的興趣顯著增加。目前，主要的OWC技術有（1）自由空間光學（Free Space Optical, FSO）通信，（2）可見光通信（Visible Light Communication, VLC），（3）圖像傳感器通信（Image Sensor Communication, ISC），以及（4）光無線網絡，這也被稱為光保真（Light Fidelity, LiFi）。其實，除了這些聽起來高大上的技術，OWC早已進入了千家萬戶——紅外遙控器。
??隨著人們對探索水下環(huán)境和資源的興趣日益濃厚，OWC技術也引起了水下通信領域的廣泛關注。水下通信技術主要分為有線通信和無線通信。水下無線通信又可以分成水聲通信、射頻通信和水下無線光通信（Underwater Optical Wireless Communication, UOWC）。有線通信適用于大型和固定的水下設備，無線通信更適用于移動平臺。各種通信方式各有優(yōu)缺點：

相比于低信息速率的水聲通信和高衰減的水下射頻通信，UOWC具有低延遲、低功耗、高信息速率和較長傳輸距離等優(yōu)點。在水中衰減較小的藍綠波段（波長為$450$ nm$～$$550$ nm）的光在水下的無線通信距離能達到百米量級。此外，UOWC還具有強保密性、高抗干擾能力、低成本等優(yōu)點。
??雖然采用光通信實現水下通信具有很多優(yōu)勢，但同時也會面臨許多挑戰(zhàn)。首先，光在水中受到吸收和散射的影響，經過長距離傳輸后的光信號會因衰減而變得十分微弱。其次，海水中的溫度和鹽度分布不均勻會引發(fā)湍流，這導致光信號強度劇烈變化，不利于信號檢測。此外，生物活動、海浪等還會產生氣泡，氣泡會對光信號造成巨大衰減或改變光束傳播方向。目前，科研人員已經對點對點的UOWC進行了大量研究，對上述問題開展了深入的探討并且給出了一些有效的應對方案。然而，除了上述UOWC常見的問題以外，在水下網絡應用的多用戶上行通信中還存在另外幾個關鍵問題，它們分別是信號異步傳輸、多址干擾（Multiple Access Interference, MAI）和遠近效應。由于各個用戶的通信距離和發(fā)送信號時間不同，在實際應用中必然面臨多用戶信號異步傳輸問題。信號異步傳輸會破壞不同用戶的信號之間的正交性，產生MAI。另外，水體的動態(tài)性導致的收發(fā)端光束失準和信號傳輸距離變化，以及湍流和氣泡造成的光束抖動和光強閃爍，都會使得接收機收到的不同用戶的光功率不同，從而產生遠近效應。
??可選的多址協議方面有時分多址（Time Division Multiple Access, TDMA）、頻分多址（Frequency Division Multiple Access, FDMA）、碼分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）、非正交多址（Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA）和波分多址（Wavelength Division Multiple Access, WDMA）等。TDMA是一種同步信道接入方案，它將不重疊的時隙分配給不同的用戶，因此不適用于信號異步傳輸的場景。由于發(fā)光二極管（Light Emitting Diode, LED）的帶寬有限且異步傳輸會破壞子載波間的正交性，FDMA或正交頻分多址在UOWC中的可行性不大。對于UOWC，只有藍綠波長表現出低衰減，限制了WDMA的可用波長的劃分區(qū)間，并且使用濾光片增加了系統實現的硬件復雜度。NOMA是功率域多址技術，它根據信道條件為每個用戶分配不同的功率。然而，水體的動態(tài)性導致的遠近效應給NOMA的功率分配帶來嚴峻挑戰(zhàn)。DS-CDMA為每個用戶分配獨一無二的擴頻碼以區(qū)分通信信道，所有用戶的信號可以同時同頻傳輸。CDMA的抗干擾特性和異步特性使其成為異步UOWC場景的理想選擇。

2、研究現狀

??目前，UOWC的研究主要集中在水下信道建模、提高點對點通信鏈路的通信距離、信息速率和魯棒性方面。此外，還有一些關于多用戶UOWC的研究。
??在水下信道建模方面，研究人員主要研究吸收、散射、湍流等因素對UOWC的影響?？茖W家們先后提出了用于描述光線在水體中散射的Henyey-Greenstein相函數，描述信道脈沖響應的雙伽馬函數，湍流和氣泡信道模型等。科學家們還提出了采用MIMO、偏振調制等方法對抗湍流引起的信道衰落。
??在高速通信和長距離通信方面，科研人員的工作重心在于研究如何克服器件帶寬限制和非線性，以及高階調制和復用技術。已發(fā)表論文中主要的技術有：軌道角動量、擴頻、非線性均衡、新型micro-LED等。我目前調研到的最高通信速率是$20.04$ Gbps（$5$ m水下通信距離），最長通信距離是$200$ m（$500$ Mbps）。
??多用戶UOWC的已有研究成果見下表：

??關于多用戶UOWC的研究大部分關注點在CDMA和NOMA，還有少量關于其他網絡協議的研究。2012年，Simpson等人針對水下無人航行器之間的UOWC，提出了一種緊湊的智能收發(fā)機原型，其中發(fā)射機采用可獨立尋址的LED實現發(fā)射光束的高度方向性，而接收機能夠估計光信號的到達角度，此收發(fā)機設計實現了空分多址（Spatial Division Multiple Access, SDMA），并用CDMA彌補了SDMA無法處理來自同方向的多用戶疊加信號的問題。2015年，Akhoundi等人提出并研究了一種基于光正交碼（Optical Orthogonal Code, OOC）的水下無線光碼分多址（Optical CDMA, OCDMA）蜂窩網絡，介紹了不同類型水質條件下無線OCDMA網絡的結構、原理和性能，實驗驗證了水下無線OCDMA系統的實時系統原型，在$2$ m$\times$$2$ m水缸中實現了$115.2$ kbps的可靠語音和視頻傳輸。2016年，Jamali等人研究了湍流信道下中繼輔助的水下無線OCDMA網絡的性能，指出采用中繼可以擴大UOWC系統的通信范圍并提高系統無碼性能。2019年，Lian等人采用CDMA和功率分配算法設計了一種支持多用戶的MIMO水下無線光傳感器網絡，功率分配算法考慮了湍流以及由信道估計誤差或LED指向誤差引起的水下信道不確定性的影響。2020年，Jain等人對NOMA輔助的UOWC系統進行了分析研究，推導了水下NOMA用戶的平均BER和遍歷容量的精確閉式表達式，該系統可以滿足傳感器節(jié)點低延遲、高可靠性和高信息速率的水下多播需求。2020年，Chen等人設計了一種采用兩個不同顏色的LED的NOMA-UOWC系統，通過在不同的子載波上承載不同的信息提高傳輸效率，實現了$1$ m/$117.4$ Mbps的UOWC。2020年，Zhang等人實驗演示了一種基于綠色和藍色LD的高速多用戶UOWC系統，該系統使用偏振復用和NOMA，在超過$2$ m水下和$0.5$ m自由空間信道中，為$8$個用戶提供了$18.75$ Gbps的總速率。2020年，Nguyen等人研究了物理層和媒體訪問控制層的跨層分析，從理論上研究了UOWC物理層傳輸錯誤對時隙ALOHA的媒體訪問控制性能的影響，提出了在時隙ALOHA運行時啟用幀重傳，并研究了最佳重傳次數。2020年，Li等人提出了一種基于多智能體強化學習的高效水下無線光傳感器網絡路由協議，提高了網絡對動態(tài)環(huán)境的適應能力并延長了網絡壽命。2021年，Bariah等人提出了一個數學框架來評估UOWC系統在湍流存在下使用NOMA的性能，推導了路徑損失和湍流的共同影響下NOMA中斷概率的閉式表達式。2022年，Li等人利用鈣鈦礦量子點的特性設計并實現了一種用于UOWC的準全向發(fā)射機，并演示了一個基于CDMA的擁有四個用戶的UOWC系統，在$10$ m和$20$ m水下信道中單用戶的最大信息速率分別為$10$ Mbps和$7.5$ Mbps。2023年，Li等人提出了一種免串行干擾消除（Successive Interference Cancellation, SIC）的NOMA譯碼方法，實現了兩用戶上行UOWC實時系統，單用戶速率達到$30$ Mbps。該方案限制了用戶之間的功率關系和用戶數量，不適用于動態(tài)水下環(huán)境。2023年，Liang等人提出了一種基于星座點多邊界判決的框架，用來推導基于脈沖幅度調制的NOMA系統在湍流信道中的BER的閉式表達式。2023年，Huang等人研究了UOWC網絡中的分布式TDMA協議，考慮了節(jié)點的移動性，提出了一種基于TDMA的分布式媒體訪問控制協議，該協議可以根據節(jié)點的時隙占用信息為其分配多個時隙和消除沖突。
??上述的關于多用戶UOWC的研究主要存在兩點不足：
（1）一些工作將多用戶信號疊加到一個光源上發(fā)送，考慮的是同步通信場景，沒有考慮信號異步傳輸和多址干擾問題；
（2）大部分實驗研究都是在靜水條件下進行的，未考慮實際的水下動態(tài)信道會造成遠近效應。
針對這些不足，我將射頻通信中的CDMA技術移植到多用戶UOWC系統中，研究抗遠近效應的延時估計和多用戶檢測技術。上表最后一篇是我們發(fā)表的研究成果，不是啥好期刊，我們在氣泡信道下進行多用戶異步UOWC實驗，驗證了基于子空間的延時估計和解相關多用戶檢測算法抗遠近效應的能力，實現了三用戶異步上行通信，單用戶最大信息速率$2$ Mbps。
??CDMA作為2G和3G移動通信的核心技術，已經相當成熟，這為在UOWC系統中實現多用戶通信提供了堅實的理論指導。對我們有幫助的相關研究見下表：

3、個人看法

??寫小論文和畢業(yè)論文時，寫的都是支持我的研究方向的說辭，博客里說說我個人的經歷和看法。
??我做多用戶UOWC，主要的研究方法是把射頻通信中的CDMA算法移植到光通信上來。光通信傳輸的是基帶實信號，不用考慮高頻載波，其實是省了一些事的。公式上的主要區(qū)別是，射頻通信的論文好用連續(xù)信號進行分析，而我把它們的復指數都去掉并改成離散信號的形式。我個人對這個研究方向的評價是：在5G時代學習了3G技術，還要想辦法說成是為6G做準備😂。導師老是讓我們結合水下特點，說水下通信的特點是“強衰減、大動態(tài)”，可是我沒有特意針對這兩點做理論研究。但我還是在已有算法的基礎上做了一點優(yōu)化的，比如用子空間跟蹤算法代替延時估計中的特征值分解，用解線性方程組的迭代法替代解相關檢測算法中的矩陣求逆，目的是降低計算復雜度并方便我用C語言實現這些算法。后面還有兩篇博客，介紹基本的基于子空間的延時估計和解相關多用戶檢測算法：
基于CDMA的多用戶水下無線光通信（2）——系統模型和基于子空間的延時估計
基于CDMA的多用戶水下無線光通信（3）——解相關多用戶檢測
??我們實驗室做的還是以點對點通信為主，有的光通信技術（比如光子計數信號檢測、偏振調制等）在射頻通信中用不到，還有就是把射頻通信的技術遷移過來（比如我干的事），總的來說技術不算先進。在實驗室做UOWC，培養(yǎng)我們文獻調研、英文閱讀寫作、推公式、寫代碼的能力還好，但是要把創(chuàng)新掛到嘴邊，我感覺有些牽強。想找通信算法方面的工作不容易（還是有厲害的同學能找到算法類工作的），想找到好工作還是需要付出一些額外的時間和精力學習準備的。這個實驗室也已經潤了好幾個老師了，最初招我進組的老師也在我來之前潤英國了😭，大老板還在為了實驗室的運行盡職盡責。
??現在的水下通信還是以電纜和水聲通信為主，UOWC還沒看到有商用的例子。2023年10月份，導師給了我一個去三亞的機會，帶著我們實驗室做的UOWC實時系統去參加展覽。我們的那套系統用LED發(fā)信號，雪崩光電二極管做接收機，信號處理在Zynq芯片上進行，能夠錄像，傳視頻，再在另一臺電腦上播放。展覽上，我們旁邊就是一家做海底電纜的公司，來參觀的人都要去他們那里看一看，聊一聊，來看我們的系統的人比較少。有一個做水下機器人的展商來看我們的東西，我說我們這個能無線遙控機器人，他卻說用有線控制的話，機器人丟了還能順著線纜找回來。我們一直在演示視頻傳輸，倒是吸引不少小朋友來玩。說不定UOWC以后會大顯神威，論文中的說辭將不再空洞，無線電從發(fā)明到普及不也經歷了很長時間嗎？