Page 36 - 网络电信2021年10月刊下

水下无线光通信的安全性研究

邓欢 徐敬
浙江大学海洋学院光通信实验室

摘要 : 水下无线光通信 (Underwater Wireless Optical Communication，UWOC) 作为水下
无线网络的重要补充，因其高带宽、低延迟等特点，近年来引起了众多研究学者的关注，研究方
向普遍侧重于提高 UWOC 系统的传输距离和通信速率，但目前关于 UWOC 安全方面的研究较少，
无法为其提供全面和有效的安全保护。针对 UWOC 系统面临的安全威胁问题，从光斑扩散、非
视距 ( Non Line of Sight，NLOS) 散射和主动攻击 3 个方面进行了分析。为了推动 UWOC 的安
全性研究，介绍了同样是以光为载波的光纤通信、自由空间通信 (Free Space Communication，
FSO) 和室内可见光通信 (Visible Light Communication，VLC) 中常见的 3 个物理层安全技术，
即身份认证、数据保密性以及密钥的生成和分发。基于 UWOC 和水下环境的特点，分析了上述方
法在 UWOC 中应用的实际问题，为未来 UWOC 的安全性研究提供参考方向。
关键词 : 水下无线光通信 ; 信息泄露 ; 主动攻击 ; 信息传递安全

随着人类在水下的活动不断扩展，例如环境监测、水下 极限，验证了单个LD在5m信道下净数据速率可达18．09Gbit/s。
勘探、科学数据收集等，迫切需要一种安全、可靠和高速的水 文献［9］采用奈奎斯特单载波频域均衡和噪声预测方法，实现
下无线通信技术 ［1］ 。水下射频通信在海水中衰减严重，传输 了56m内3．31Gbit/s的UWOC系统。文献［10］以500Mbit/s的数据
距离有限 ［2］ ，应用最广泛的水声通信虽然可以达到千米级别 速率实现了100m的非归零开关键控(Non-Return to Zero On-Off
的传输距离，但带宽较低 ［3］ 。而水下无线光通信(Underwater Keying，NRZ-OOK)信号传输距离。
Wireless Optical Communication，UWOC)因其数据速率高、传 国内外学者对UWOC进行了大量研究，极大地提高了通信速
输距离可达数百米、时延低等特点，可以作为一种重要的补充
技术，以增强基于水声通信和射频通信的水下无线网络的容量 图 1 UWOC 系统的窃听风险
和连接性 ［4］ 。
在过去的几年中，基于波长为400～600nm的激光二极管
(Laser Diode，LD) 和发光二极管(Light-Emitting Diode，
LED)的UWOC系统发展迅速，主要集中在数据速率的提高和传输
距离的增长。文献［5］演示了一个5m距离下14．8Gbit/s的超
高速UWOC系统。文献［6］提出并演示了一个基于两级注入锁定
405nm LD发射机和正交频分复用(Orthogonal Frequency Division
Multiplexing，OFDM)信号的UWOC系统，8m内可实现高达9．
6Gbit/s的传输。文献［7］采用OFDM 技术实现了以5．5Gbit/s的
速率在21m水中和5 m空气中的跨介质传输。文献［8］通过概率整
形(Probabilistic Shaping，PS)技术逼近水下信道Shannon容量

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