科创中国

问题背景：

经略海洋是重大国策，在探索认知、监测保护、开发利用海洋的过程中，需要在水下使用多种多样的精密仪器、设备、及运载平台，这些海洋仪器设备相互间存在高速、高可靠通信互联的根本需求。

水下通信互联能力的构建远比陆上困难，与陆上通信网络相比，主要面临三大类技术障碍：

一是水下无线通信的带宽瓶颈难以突破：

由于海水媒介的特殊性，陆上最有效的无线信通手段在水下基本失效，水声通信占主导地位。但水声通信存在声波频率低、速度慢，加之多径、时变、空变等信道因素影响，其可通率、速率、误码率等信通性能极不理想。

水下光通信为克服瓶颈带来希望、近期水下蓝绿激光和可见光通信（Li-Fi）进展显著并得到工程应用，尤其可见光通信具备突出的低能耗、高速率、高集成、易联通、抗干扰等特性，在解决水下近程节点大容量数据实时、高速、宽容接入高速网关方面具有不可替代的综合优势。

二是水下设备接入海上高速网络壁垒高：

光纤接入海底网络代价高昂且受制于人：在海底观测网、海上油气田等平台上，湿插拔光纤连接器是接入海底网络的主要途径，其精密而娇贵、报价动辄数十万，水下插拔作业难度高、代价大，且免维护插拔次数不足百次，核心技果。目前，国外主流设备商、高校、研究所等都在开展水下Li-Fi技术的研究。主要围绕如何提高LED调制带宽，采用高阶调制格式以提高传输速率，水下节点MIMO组网，水下光学器件设计与封装，高灵敏度探测器等方向。在提高传输速率的同时，保证系统的鲁棒性与稳健性。

国内水下Li-Fi技术起步较晚，对水下信道的光学特性研究方面基础较为薄弱。同时，国内对水下Li-Fi所做的研究，现大多还停留在理论分析和信道特性模拟上，很少有专门针对通信距离或编码进行实际的通信测试工作，而且没有系统的结果分析。

关键突破点：

（一）最新科研进展

在高速水下光通信方面：

 经权威测试基于国产硅基绿光LED的水下通信速率达到2.3Gb/s （距离1.2米）。

 自主研制成功可见光通信专用3x3 PIN集成阵列和基于表面等离子的高速LED等核心器件，带宽提升6倍以上。

 基于新型高阶调制编码的Li-Fi 通信速率达到10.7Gb/s，是当前国内外单颗商用灯珠最高纪录。室外100m距离实现1.7Gb/s 的稳定Li-Fi 通信，是目前世界上室外高速可见光通信传输的最远距离。

 国内自主研制的500Mb/s高速样机，传输距离70m，获第15届国际工业博览会创新奖。目前可见光样机已在多个特殊行业场景下开展试点应用，开始步入实用化进程。样机在福建宁德，广东阳江和广西防城港三个核电站试点应用获得成功、效果优良。

 国内编撰出版了光通信领域第一本专著《LED可见光通信技术》。

（二）未来难点与挑战

（1）高集成度、高能效的水下Li-Fi技术：以高性能光源、接收器阵列设计、光路设计为抓手，以高集成度光/电、模/数混合低能耗高速电路设计为途径，采用先进编码、调制技术开展基于可见光的水下宽带无线通信技术，满足水下大容量信息设备宽容性宽带接入光纤网络需求。

（2）基于Li-Fi的水下节点智能组网技术：针对“一对多”、“多对多”等应用场景，研究突破信道干扰抑制技术、信道自适应优化技术、节点间时统与同步组网协议等，解决水下众多节点柔性宽带互联组网的难题。

（3）海水环境因素对Li-Fi信道影响特性：采用模型驱动的分析方法，结合多种试验手段，定量研究海洋中悬浮物、颗粒物对不同波段可见光的遮挡、衰减、散射影响规律，为优化水下Li-Fi信道设计提供科学理论依据。

（4）全海深Li-Fi设备高可靠性封装技术：以增强玻璃、透明陶瓷等前沿科研成果为依托，融合透镜和光路结构的优化设计，攻克能覆盖全海深的Li-Fi设备光学封装工艺。

（5）基于Li-Fi的跨介质高速网关技术：结合现有通信规范，针对水声、光纤、微波、无线电波等跨介质接入对象，研究制定具有普适性的协议及相应硬件模块，破除水下设备跨介质通信带宽短板。

战略意义：

我国Li-Fi、无线通信的技术优势将在水下得到延伸，可率先形成水下Li-Fi无线通信标准与技术体系，进而巩固和扩大现有技术优势。

能使我国率先突破水下无线通信带宽瓶颈、摆脱对湿插拔光纤连接器的依赖，使水下宽带组网能力实现“弯道超车”达到国际领先水平；不仅可为国家节省大量外汇、也能有力支撑我国海洋信息获取与传输能力的跃升。

将引领水下仪器设备通信接口技术的革命，信息设备的实时性、同步性、运行和运维的便捷性等将得到群体性的、跨越式的提升。

将为水下装备的升级换代提供契机，该技术的采用可更好地保障海洋装备的密闭性和通信抗干扰能力，使海洋装备的安全性和运行可靠性获得本质跃升。

能为水下潜标等预置信息设备的数据采集提供高效、便捷而可靠的手段，显著降低海洋观测成本、提高科研工作效率。