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摘 要：本文概述了水下无线通信技术的内涵与特点，结合水下无线通信技术的专利研究现状及动态分析，我们从专利申请量、国内相关专利申请、专利申请人分析、国外申请人分析等角度简要介绍了水下无线通信技术专利的情况。水下无线通信技术在国内外专利申请中已占有一席之地，专利申请量迅速增加。但是目前水下无线通信技术还不能完全满足实际的应用需求。
关键词：水下通信;信号检测;专利
一、水下无线通信技术概况
地球接近三分之二的表面被水覆盖，数千年来，人类从未停止对海洋的探索。从大航海时代硝烟弥漫的竞争到如今全球化不断加深的合作共赢，海洋像血液一样联通着整个地球。从陆权时代到海权时代，一个国家的兴衰荣辱往往和海洋有着千丝万缕的羁绊。当前，随着陆地资源的不断消耗和对海洋权益的保护日益重视，人们在海洋中从事相关生产生活迅速增多，与之相关的信息传输的需求也更加紧迫。当前，水下无线通信（underwater wireless communication，UWC） 技术吸引了更多的关注。水声通信是最广泛采用的技术，其最早的应用历史可以追溯到 19 世纪初。接着，第二次世界大战期间，水声通信在军事应用上快速发展，几乎用于水下无线传感网的每一个部分，最显著的优势为传输距离可以拓展到数十千米。然而，尽管水声通信是 UWC 中最普遍的技术，但是其仍受限于诸多因素：水声通信的典型频率在数十 Hz 到数百 KHz 范围，随着传输距离的增加，通信带宽急剧减小;声波在水中的传输速率较慢，典型值为 1500m/s（水温 20°），因此水声通信会产生严重的通信时延问题，导致其不适应实时大容量数据交换的现实需求;水声通信的收发机结构较为庞大，且相对能耗较大，对于大规模的水下无线传感网应用而言，显然经济型较差。 相对而言，全球范围内对于水下无线通信技术的专利发明是极少的。
二、水下无线通信技术的专利研究现状及动态分析
单光子检测通常被认为是光电检测领域的极限，与其它发展相对较成熟的检测技术相比，单光子可以探测到光子量级（10-19W）水平的光信号，目前在激光测距、卫星成像等领域初露峥嵘。清华大学汤世健等人对 Coastal 和 Harbor 兩种水质进行了研究，建立了信道脉冲响应与时间的双 Gamma 函数（double gamma function，DGF） 关系，但是其仿真研究的最长距离为 40 米[46]。伊朗 Sharif 大学的 Farhad Akhoundi 等人研究了 Pure seawate、Clear ocean和 Coastal ocean 三种较优的水质，通过 MC 仿真，将信道脉冲响应与距离的函数关系建模为双指数函数模型 two-term exponential function，在一定条件下，忽略了信道引起的符号间干扰问题（inter-symbol-interference， ISI）。但是即使在理想条件和较优水质下，其最大仿真距离仍为 70 米。最近，水下信道湍流效应的研究也逐渐增多，但主要是借鉴于成熟的自由光空间中的湍流模型，比如弱湍流条件下的对数高斯 Lognormal模型等。长距离信道的研究是发送信号高效设计、接收信号高效处理的前提，因此，基于吸收、散射和湍流的综合效应的水下长距离信道建模是整个课题的研究基础。
另外，强度调制/直接检测下的信号信道非负特性对 VLC-SPAD 系统的要求。由于 VLC采用强度调制/直接检测（Intensity Modulation with Direct Detection，IM/DD）方式，发送端 LED 电光转换时主要体现单向导电特性，从而导致发送信号幅度值为非负实数;接收端光电转换时具有平方律检测特性，这也使得传输系数是非负值。亦即强度调制使得信号信道均为非负值，这显然和射频通信不同，这就对 UVLC 系统发送端编码方式、调制方式和驱动方式都会带来新的要求，也会影响接收端的信道估计和联合检测算法。（3）多灯芯协作并行叠加高速传输方案。对于目前常采用的 LED 光源而言，单个灯具内往往由多个灯芯共同完成照明、通信等功能，亦即 LED 灯具天然的是一个多输入系统，一般而言，多个灯芯采取的是串行驱动方式。如果将多个灯芯采用并行驱动方式，接收端由单个 SPAD 接收数据，那么每个灯芯发送不同数据可以获得复用和频谱增益。这种多灯芯发送，单个 SPAD 接收的方案需要重新设计发送端信号格式、研究叠加光子计数信号的检测算法等。
三、水下无线通信技术专利分析
为了获得21世纪以来水下无线通信的专利申请情况，本研究以CNABS（国内专利）和DWPI（国外专利）专利数据库为数据来源，利用中英文关键词、申请人、分类号等字段进行检索，经去重去噪，对检索结果整理汇总，以此为基础进行数据分析。
（一）专利申请量分析
第一，全球相关专利申请。通过统计分析DWPI数据库检索结果，绘制了21世纪以来全球水下无线通信相关专利申请量变化趋势图：
由专利申请数量看出，水下无线通信技术研究起步较晚。直到20世纪90年代末，美国一些企业才逐渐意识到水下无线通信的重要性，开始尝试水下无线通信方面的研究，但鲜有实际应用。至21世纪初，水下无线通信技术的研究仍处于初级阶段，专利申请数量相对较少，仅美国、中国、韩国、法国、印度、德国、英国、俄罗斯、日本等国有涉及水下无线通信的专利，且在21世纪前十年，除美国申请量增长较快外，其他国家或组织一直处于少量状态。2010年之后，随着海洋经济发展的要求，越来越多的国家或组织开始意识到精确水下无线通信的重要性，美国、中国、韩国等国家关于水下无线通信的专利申请大幅增加，美国专利申请量遥遥领先，中国近五年的申请量也保持高位增长姿态。随着对身份确认的要求越来越高，预计在未来的几年，水下无线通信专利申请量将保持高速增长状态，水下无线通信技术也将在更多方面影响人们的生活。 （二）国内相关专利申请
通过统计分析CNABS数据库检索结果，发现：
相对于美国而言，水下无线通信技术在我国的发展较为滞后，但其总体趋势与全球较为一致。21世纪初，国内开始出现水下无线通信相关的专利申请，但2008年之前，我国每年的申请量均不足300件，数量较少。2010年之后，申请量明显增加。
（三）专利申请人分析
在CNABS数据库中检索水下无线通信相关专利，对申请人进行总结分类，可知，国内水下无线通信相关专利的申请主要集中在企业，申请量占总数的79.48%，其次是大专院校，占总申请量的10.29%。因为水下无线通信算法是应用性很强的算法，具有很高的商业价值，其发展过程离不开企业和高等院校的大力投入。当前国内的申请人构成，有利于水下无线通信技术的创新与发展，其未来前景十分广阔。
（四）国外申请人分析
為分析国外水下无线通信技术的申请人分布，研究利用DWPI数据库检索结果，获取排名前十（含并列）的申请人。我们发现，国外水下无线通信相关专利申请人主要在美国，排名前十的申请人中，有7家为美国公司，其余韩国公司2家，日本公司1家。美国是最早重视水下无线通信技术的国家之一，许多企业和研究机构对水下无线通信算法进行了长期深入研究。如美国CMU的人机交互研究所、MIT的AI及媒体实验室、Intel公司等，对水下无线通信技术的发展做出了突出贡献。未来随着人机身份认证需求与日俱增，全球有关水下无线通信的技术研究和专利申请将不断增加，水下无线通信的技术会更加成熟。
四、结语
21世纪以来，水下无线通信技术在国内外专利申请中已占有一席之地，专利申请量迅速增加。但是目前水下无线通信技术还不能完全满足实际的应用需求，依然面临着受环境影响大、系统鲁棒性不强、时效与精度的权衡等多方面技术瓶颈，算法精度也有较大的进步空间。
参考文献：
[1]刘豪，杨祎，阴亚芳， 等.基于EKF的水下LD通信精对准控制算法[J].光子学报，2020，49（4）：132-140.
[2]张海磊.水下生产系统远距离BPSK电力线载波通信分析[J].资源节约与环保，2020，（4）：144-145.
[3]邓春丽，宋锐，李晓锋， 等.基于CMOS摄像头的水下MIMO短距离可见光通信[J].光通信技术，2020，44（3）：1-5.
关键词：水下通信;信号检测;专利
一、水下无线通信技术概况
地球接近三分之二的表面被水覆盖，数千年来，人类从未停止对海洋的探索。从大航海时代硝烟弥漫的竞争到如今全球化不断加深的合作共赢，海洋像血液一样联通着整个地球。从陆权时代到海权时代，一个国家的兴衰荣辱往往和海洋有着千丝万缕的羁绊。当前，随着陆地资源的不断消耗和对海洋权益的保护日益重视，人们在海洋中从事相关生产生活迅速增多，与之相关的信息传输的需求也更加紧迫。当前，水下无线通信（underwater wireless communication，UWC） 技术吸引了更多的关注。水声通信是最广泛采用的技术，其最早的应用历史可以追溯到 19 世纪初。接着，第二次世界大战期间，水声通信在军事应用上快速发展，几乎用于水下无线传感网的每一个部分，最显著的优势为传输距离可以拓展到数十千米。然而，尽管水声通信是 UWC 中最普遍的技术，但是其仍受限于诸多因素：水声通信的典型频率在数十 Hz 到数百 KHz 范围，随着传输距离的增加，通信带宽急剧减小;声波在水中的传输速率较慢，典型值为 1500m/s（水温 20°），因此水声通信会产生严重的通信时延问题，导致其不适应实时大容量数据交换的现实需求;水声通信的收发机结构较为庞大，且相对能耗较大，对于大规模的水下无线传感网应用而言，显然经济型较差。 相对而言，全球范围内对于水下无线通信技术的专利发明是极少的。
二、水下无线通信技术的专利研究现状及动态分析
单光子检测通常被认为是光电检测领域的极限，与其它发展相对较成熟的检测技术相比，单光子可以探测到光子量级（10-19W）水平的光信号，目前在激光测距、卫星成像等领域初露峥嵘。清华大学汤世健等人对 Coastal 和 Harbor 兩种水质进行了研究，建立了信道脉冲响应与时间的双 Gamma 函数（double gamma function，DGF） 关系，但是其仿真研究的最长距离为 40 米[46]。伊朗 Sharif 大学的 Farhad Akhoundi 等人研究了 Pure seawate、Clear ocean和 Coastal ocean 三种较优的水质，通过 MC 仿真，将信道脉冲响应与距离的函数关系建模为双指数函数模型 two-term exponential function，在一定条件下，忽略了信道引起的符号间干扰问题（inter-symbol-interference， ISI）。但是即使在理想条件和较优水质下，其最大仿真距离仍为 70 米。最近，水下信道湍流效应的研究也逐渐增多，但主要是借鉴于成熟的自由光空间中的湍流模型，比如弱湍流条件下的对数高斯 Lognormal模型等。长距离信道的研究是发送信号高效设计、接收信号高效处理的前提，因此，基于吸收、散射和湍流的综合效应的水下长距离信道建模是整个课题的研究基础。
另外，强度调制/直接检测下的信号信道非负特性对 VLC-SPAD 系统的要求。由于 VLC采用强度调制/直接检测（Intensity Modulation with Direct Detection，IM/DD）方式，发送端 LED 电光转换时主要体现单向导电特性，从而导致发送信号幅度值为非负实数;接收端光电转换时具有平方律检测特性，这也使得传输系数是非负值。亦即强度调制使得信号信道均为非负值，这显然和射频通信不同，这就对 UVLC 系统发送端编码方式、调制方式和驱动方式都会带来新的要求，也会影响接收端的信道估计和联合检测算法。（3）多灯芯协作并行叠加高速传输方案。对于目前常采用的 LED 光源而言，单个灯具内往往由多个灯芯共同完成照明、通信等功能，亦即 LED 灯具天然的是一个多输入系统，一般而言，多个灯芯采取的是串行驱动方式。如果将多个灯芯采用并行驱动方式，接收端由单个 SPAD 接收数据，那么每个灯芯发送不同数据可以获得复用和频谱增益。这种多灯芯发送，单个 SPAD 接收的方案需要重新设计发送端信号格式、研究叠加光子计数信号的检测算法等。
三、水下无线通信技术专利分析
为了获得21世纪以来水下无线通信的专利申请情况，本研究以CNABS（国内专利）和DWPI（国外专利）专利数据库为数据来源，利用中英文关键词、申请人、分类号等字段进行检索，经去重去噪，对检索结果整理汇总，以此为基础进行数据分析。
（一）专利申请量分析
第一，全球相关专利申请。通过统计分析DWPI数据库检索结果，绘制了21世纪以来全球水下无线通信相关专利申请量变化趋势图：
由专利申请数量看出，水下无线通信技术研究起步较晚。直到20世纪90年代末，美国一些企业才逐渐意识到水下无线通信的重要性，开始尝试水下无线通信方面的研究，但鲜有实际应用。至21世纪初，水下无线通信技术的研究仍处于初级阶段，专利申请数量相对较少，仅美国、中国、韩国、法国、印度、德国、英国、俄罗斯、日本等国有涉及水下无线通信的专利，且在21世纪前十年，除美国申请量增长较快外，其他国家或组织一直处于少量状态。2010年之后，随着海洋经济发展的要求，越来越多的国家或组织开始意识到精确水下无线通信的重要性，美国、中国、韩国等国家关于水下无线通信的专利申请大幅增加，美国专利申请量遥遥领先，中国近五年的申请量也保持高位增长姿态。随着对身份确认的要求越来越高，预计在未来的几年，水下无线通信专利申请量将保持高速增长状态，水下无线通信技术也将在更多方面影响人们的生活。 （二）国内相关专利申请
通过统计分析CNABS数据库检索结果，发现：
相对于美国而言，水下无线通信技术在我国的发展较为滞后，但其总体趋势与全球较为一致。21世纪初，国内开始出现水下无线通信相关的专利申请，但2008年之前，我国每年的申请量均不足300件，数量较少。2010年之后，申请量明显增加。
（三）专利申请人分析
在CNABS数据库中检索水下无线通信相关专利，对申请人进行总结分类，可知，国内水下无线通信相关专利的申请主要集中在企业，申请量占总数的79.48%，其次是大专院校，占总申请量的10.29%。因为水下无线通信算法是应用性很强的算法，具有很高的商业价值，其发展过程离不开企业和高等院校的大力投入。当前国内的申请人构成，有利于水下无线通信技术的创新与发展，其未来前景十分广阔。
（四）国外申请人分析
為分析国外水下无线通信技术的申请人分布，研究利用DWPI数据库检索结果，获取排名前十（含并列）的申请人。我们发现，国外水下无线通信相关专利申请人主要在美国，排名前十的申请人中，有7家为美国公司，其余韩国公司2家，日本公司1家。美国是最早重视水下无线通信技术的国家之一，许多企业和研究机构对水下无线通信算法进行了长期深入研究。如美国CMU的人机交互研究所、MIT的AI及媒体实验室、Intel公司等，对水下无线通信技术的发展做出了突出贡献。未来随着人机身份认证需求与日俱增，全球有关水下无线通信的技术研究和专利申请将不断增加，水下无线通信的技术会更加成熟。
四、结语
21世纪以来，水下无线通信技术在国内外专利申请中已占有一席之地，专利申请量迅速增加。但是目前水下无线通信技术还不能完全满足实际的应用需求，依然面临着受环境影响大、系统鲁棒性不强、时效与精度的权衡等多方面技术瓶颈，算法精度也有较大的进步空间。
参考文献：
[1]刘豪，杨祎，阴亚芳， 等.基于EKF的水下LD通信精对准控制算法[J].光子学报，2020，49（4）：132-140.
[2]张海磊.水下生产系统远距离BPSK电力线载波通信分析[J].资源节约与环保，2020，（4）：144-145.
[3]邓春丽，宋锐，李晓锋， 等.基于CMOS摄像头的水下MIMO短距离可见光通信[J].光通信技术，2020，44（3）：1-5.