水下光通信信道特性建模及抗干扰传输协议设计

1 前言

海洋面积占地球面积超 7 成，其丰富资源的探索开发已成为各国重要发展战略，而高效可靠的水下通信技术是支撑海洋工程的关键基础。当前成熟的水下无线通信方式中，水声通信存在传输时延高、带宽小的问题，电磁波通信则受限于传输距离与速率，难以满足短距离高速传输需求。水下无线光通信（Underwater Wireless OpticalCommunication，UWOC）凭借相对更大的带宽、较低的时延和较高的可靠性，成为短距离水下传输的可行方案，但海洋环境的复杂性使其面临严峻挑战：海水介质中粒子的散射与吸收会引发散射光干扰，太阳背景光等不同类型的背景噪声也会显著影响系统传输性能。因此，进行水下光通信信道特性建模及抗干扰传输协议设计研究具有十分重要的现实意义。

2 水下光通信与干扰机制概述

2.1 水下光通信原理

水下光通信传输链路由发射机、水下信道及接收机构成，发射机多采用激光二极管或发光二极管，通过特定波长光束承载信号；水下信道作为核心环节，受海水介质中粒子吸收与散射作用影响，光束能量随传输距离衰减且传播方向发生改变；接收机包含光电探测器及信号处理模块，负责将光信号转换为电信号并解调。关键参数中，波长选择需匹配海水吸收低谷区间以减少衰减；发射功率需平衡传输距离与干扰风险，功率过大会加剧散射干扰；接收视场角与孔径需适配传输场景，视场角过大会引入更多背景光噪声，孔径过小则减少有效信号光子接收。

2.2 主要干扰类型及影响机制

背景光干扰中太阳光光谱覆盖接收机响应谱，高灵敏度接收机会将其作为噪声纳入接收范围，干扰信号提取。散射干扰里后向散射光因双工模式下发射端与接收端同侧，经水中粒子散射改变传播方向，被接收端捕捉后叠加到信号中，降低信噪比，可通过调整参数减弱约 20dB。多用户干扰源于水下组网时，其他发射机的信号光经散射扩散，被邻近接收机接收，引发不同链路信号冲突[1]。

3 水下光通信信道特性建模

3.1 基于蒙特卡洛方法的信道模型构建

基于蒙特卡洛方法的信道模型构建中，光子传输轨迹仿真需完成初始化，在发射机孔径内随机生成光子位置与初始传播方向并赋予初始权重；散射角生成依据场景选用HG 函数或FF 函数，正向传输优先FF 函数以提升小角度散射精度，逆向传播则用HG 函数平衡计算效率；权重更新采用俄罗斯轮盘赌法或系数迭代法，判定光子是否因吸收终止传输。吸收散射参数的模型集成需适配纯海水、远洋海水、沿岸海水、港口海水等不同水质，将对应衰减系数纳入光子传输路程计算。时间色散与多径效应建模通过统计不同光子到达接收机的时间差，分析脉冲响应展宽特性，反映散射导致的码间干扰[2]。

3.2 背景光与散射干扰的信道模型

太阳背景光水下传输模型需分析深度与视场角对噪声功率的作用，深度增加使太阳辐射衰减，视场角缩小可减少背景光纳入，选取适当参数能提升传输深度约 150 米，引入 FADOF 原子滤光器可再提升靠近干扰光源的距离约 100 米。后向散射干扰模型针对双工模式，通过蒙特卡洛方法仿真，结合衰减系数与收发间距计算散射光功率，理论验证可使后向散射光影响减少约 20dB。复合干扰下的信道容量分析需关联信噪比与传输速率，实验显示 20Mbit/s OFDM QPSK 信号经滤波后 Q 因子可提高 9dB，反映信噪比提升对传输速率的正向作用[3]。

3.3 模型验证与参数优化

模型验证需将蒙特卡洛仿真得到的衰减曲线与比尔-朗伯定律推导结果对比，分析不同水质下接收光子数分布与理论预期的偏差，确保吸收散射特性模拟的准确性。关键参数敏感性分析中，接收孔径增大在无背景光时可提升传输距离，背景光干扰下则需适度缩小；视场角减小能降低后向散射噪声，正向传输中需平衡信号接收与干扰抑制；波长选择需匹配水质衰减系数，短距传输适配高衰减系数波长，长距则选低衰减

系数波长。

4 水下光通信抗干扰传输协议设计

4.1 协议架构

分层协议框架中物理层集成法拉第激光器与 FADOF 原子滤光器组合，通过窄带滤波抑制背景光与散射光干扰，匹配不同水质衰减系数优化波长选择；数据链路层依据蒙特卡洛仿真得到的信道状态，动态调整接收孔径与视场角，结合时隙分配避免多用户信号冲突，参考后向散射抑制参数设置收发间距；应用层适配海洋工程数据传输需求，封装物理层与链路层抗干扰参数。抗干扰机制嵌入策略将物理层实时滤波与链路层资源调度联动，滤波模块反馈干扰强度，链路层据此调整传输功率与调制方式，形成从信号滤波到资源分配的协同抗干扰链路，提升复杂环境下传输稳定性。

4.2 物理层

物理层自适应调制与编码依据信道衰减系数、背景光干扰强度动态切换调制方式，低干扰场景采用 20Mbit/s OFDM-QPSK 以提升传输效率，强干扰时切换为 OOK 调制以降低误码率，通过实时监测接收信号 Q 因子调整编码冗余度。智能滤波协议以FADOF 原子滤光器为核心，其 0.01nm 窄带特性滤除信号光波长外干扰，结合光纤调制器实现 50MHz 带宽自适应调整，根据干扰光带宽动态匹配滤波参数，减少带内噪声叠加，实验显示该组合可使Q 因子提升 9dB^[4] 。

4.3 数据链路层

数据链路层基于干扰感知的多址接入协议采用TDMA/FDMA 混合机制，通过感知各链路背景光强度与后向散射干扰水平，为不同节点分配独立时隙或波长信道，TDMA通过时隙划分避免同时间段信号叠加，FDMA 结合信号光波长特性分离不同链路传输频段，减少多用户信号冲突。动态功率控制依据接收端反馈的干扰光功率与信道衰减系数，调整发射机输出功率，在满足接收信噪比前提下降低对其他链路干扰；时隙分配参考链路长度与传输时延，为短距高衰减链路分配短时隙以减少占用，长距低衰减链路适配长时隙，平衡传输效率与干扰抑制。

4.4 协作抗干扰

协作抗干扰机制中，中继节点选择策略依据信道衰减系数、接收光子数分布及信噪比评估潜在节点传输质量，优先选取衰减系数小、后向散射影响弱的节点部署，通过蒙特卡洛仿真预判中继链路的信号损耗与干扰水平，保障中继传输稳定性。干扰抑制的协作传输协议要求中继节点集成 FADOF 滤光器，对接收信号进行窄带滤波以抵消背景光与散射干扰，同时参考双工模式下后向散射抑制参数，调整中继节点与发射端、接收端的间距及视场角，减少中继过程中干扰信号的二次叠加，通过链路协同优化提升整体抗干扰能力[5]。

5 结语

综上所述，通过建立太阳背景光、后向散射光干扰下的水下光传输信道仿真模型，并采取蒙特卡洛方法分析不同水质、链路长度、接收视场角等参数对传输性能的影响，进行了抗干扰传输协议设计。未来可进一步结合水质动态变化优化信道模型，完善抗干扰传输协议的组网适配性，提升复杂海洋环境下的实用性。

参考文献：

[1]王佳乐, 郑凯文, 廉杰. 水下无线光通信与测距一体化系统设计与实现（特邀）

[J]. 光通信研究, 2025, (04): 39-45.

[2]陈姝, 祁攀, 管朝鹏, 等. 基于高灵敏度探测器的水下光通信系统[J]. 应用光学,

2025, 46 (04): 929-936.

[3]黄诺, 刘伟杰, 徐正元. 水下无线光通信关键技术与应用展望综述（特邀）[J].

光学学报, 2025, 45 (13): 332-348.

[4]杨尚君, 赵晏民, 邹曙光, 等. 自适应光学在水下无线光通信系统应用研究进展

[J]. 电波科学学报, 1-15.

[5]杨真. 水下光通信抗干扰与接收处理技术研究[D]. 北京邮电大学, 2020.