水下无线光MIMO链路空间信道建模

水下无线光通信(underwater wireless optical communication,UWOC)因具有高速率、低时延、高灵活性及可拓展性的特点而被广泛应用于水下通信组网的建设。然而,由于海水的吸收和散射效应,UWOC链路的空间特性尚未得到广泛研究,尤其是在多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)场景中。考虑了线性阵列MIMO UWOC链路几何模型,提出使用加权指数函数多项式(weighted exponential function polynomial,WEFP)建模具有任意数量光源的通用MIMO UWOC系统链路接收平面的光子辐照度分布的方法。数值结果表明,提出的WEFP模型与浑浊海水环境下的蒙特卡洛仿真结果高度吻合。     

基于微气泡散射的水下无线光通信复合信道建模

海浪、船舶尾流以及海洋生物游动与呼吸等原因会导致海水中存在大量的气泡,气泡群带来的散射效应对光信号的水下传输具有重要影响,但典型的水下无线光通信信道模型一般不考虑气泡群带来的负面效应。为了进一步完善传统的水下无线光通信信道模型,本文利用Mie散射理论分析海水中的微气泡及微气泡群光散射特性,基于蒙特卡洛法建立包含气泡散射的复合海水信道模型,分析不同海水水质、气泡密度、链路距离等参数条件下接收端的光学特性和信号特性。结果表明:当链路距离为5m时,随着气泡密度的增大,接收端光斑的弥散程度加剧,其面积可增至初始大小的3～5倍,中心能量也显著降低,最多可降至最大值的05;当链路距离为10～40m时,气泡群的存在以及链路距离的增长会导致接收端第一次接收到光子的时间延长约10～200ns,且使脉冲展宽值增大;当链路距离为2～10m时,气泡群密度的增大最多可使归一化接收功率降低至初始值的0004,但随着水质的恶化,其他粒子含量提高,气泡群对接收功率的影响逐渐减小。该研究可以为水下无线光通信系统的设计和理论分析提供参考。     

一种水下无线光通信系统解决方案

水声技术是目前应用范围最为广泛且时间最长的水下无线通信技术。随着需求不断提高,水声通信的短板也逐渐显现出来。如传播延迟长、信号衰减大、多径效应严重、通信带宽有限等特性导致水声通信在水下通信网络设计面临巨大挑战。水下光通信具有带宽受环境影响小、可用载波频率高、传输时延小等优势。水下可见光通信技术是一种新的水下无线通信技术,是以可见光信息为载体,高速脉冲数字编码调制,通过水下信道高速传输信息的通信方法。该技术具有速度高、体积小、成本低、容量大等优点,本文提出一种系统解决方案用来研究水下环境复杂多变的传输信道,为未来稳定、可靠、高速的水下可见光通信技术以及工程化应用提供指导。     

蒙特卡洛法仿真激光在水下信道中的传输特性

针对海洋港湾海水强吸收和高散射的特性,文章利用蒙特卡洛方法仿真研究了激光在浑浊港湾海水中的传输特性。文章在一定的光波长、光能量和发散角下,量化分析了水质参数和传输距离对激光的功率、脉冲响应以及光斑质量的影响。研究结果表明,激光在浑浊港湾海水中传输时,随着衰减长度的增加,光功率的衰减特性保持一致,且光功率的衰减速度不符合比尔定律所描述的线性关系。在相同的水质条件下,光脉冲的宽度和光斑的尺寸随着传输距离的增加而增大,但是当传输距离从20个衰减长度传输至30个衰减长度时,光脉冲宽度基本不变,光脉冲展宽量的变化小于1 ns,此时光斑尺寸持续增大。另外,在相同的衰减长度处,光脉冲和光斑的展宽量随着水质衰减系数的增大而减小。     

水下光通信系统的建模与仿真

主要分析随机海面的光学特性,并在特定的位置和范围内描绘了不同风速等条件下的接收光斑图,然后利用线性波浪理论对海浪谱进行数值模拟建模仿真,得出随机海面对水下通信系统的影响系数,对实际的水下通信系统工程的建立有重大的参考意义.     

水下无线光通信动态阈值判决技术研究与性能分析

针对海洋湍流信道环境下固定阈值判决方案导致水下无线光通信系统性能恶化的问题,提出了一种动态阈值判决方案。该方案基于水下湍流信道慢衰落的特性,在发送端将数据以帧为单位进行发送,接收端则根据接收帧前导码的幅度每帧更新一次判决阈值。采用蒙特卡洛法和Gamma-Gamma信道模型对水下无线光通信系统进行仿真,仿真结果表明：在弱湍流信道环境下,当系统误码率为10^-6时,动态阈值判决方案比固定阈值判决方案的误码性能提升5.4 dB;在中、强湍流信道环境下,动态阈值判决方案能够有效抑制误码率门限现象的产生。     

并行光—电交换机光学阵列系统

目前,计算技术突飞猛进地发展,与其密切相关的信息高速公路浪潮风行全世界.计算技术和高速通信网络设备发展的水平在很大程度上取决于制作并行的高效率交换装置的可能性.在一定程度上这种装置的发展前景同光电工艺有关.对这种工艺的兴趣主要决定于光学通信通道的高透过能力、光学系统本来的并行性、交叉光束没有相互作用和     

水下无线光通信的安全性研究

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...     

水下无线光自动对准系统的设计与实现

水下无线光通信(UOWC)具有保密性好、容量大、传输速度快等优点,可应用于水下信息传输、资源勘查等领域,通信链路的快速建立和持续稳定是水下无线光通信实际应用的基本条件。在平台扰动和海水信道杂质干扰的条件下,如何实现远距离的快速对准是水下无线光通信必须解决的问题。针对水下无线光通信过程中系统发射端和接收端之间的链路由于干扰问题引起底层平台不断移动而无法对准的问题,搭建了一个基于激光二极管(LD)的水下无线光自动对准系统,该系统具有自动对准控制的特点,即系统在底层平台移动的情况下,依然可以实现链路的对准。     

MIMO水下无线光通信系统性能解析研究

为了消除海洋湍流引起的信号衰落和衰减,在基 于BPSK调制的水下无线光通信(underwater wireless optical communication,UWOC)系统中引入了MIMO(multi-input multi-outpu t)技术。在 假设海洋湍流模型为log-normal分布基础上,得出了球面波光束在弱海洋湍流传输的闪烁 指数计算公 式。借助于Gauss-Hermite正交积分近似公式,推导了UWOC系统分别采用SISO(single-in put single-output)、SIMO(single-input multi-output)、MIMO三种技术,且接收端 采用等增益合并法时, 系统误码率(bit error rate,BER)的解析公式。应用此解析公式,数值仿真观察了系统 误码率在不同 的信噪比下受三种海洋参数(即均方温度耗散率,单位质量液体中的湍流动能耗散率,温度 和盐度波 动的相对强度)以及系统通信距离的影响。仿真结果表明,UWOC系统采用MIMO技术,在较小 的 均方温度耗散率、较小的温度和盐度波动的相对强度、较大的湍流动能耗散率的海洋中,以 及通过较 短的通信链路都可以得到更优的误码率性能。     

水下无线光通信系统一般测试方法

水下无线光通信(UWOC)是一种新兴的高速水下通信技术,因其拥有传输带宽高、抗电磁干扰能力强、功耗低和体积小等优点,在学术界和工业界逐渐引起广泛关注。尽管光作为信息载体在水下传输时存在较大衰减,但其传输距离仍然可达百米级别,足以满足传感器数据传输的距离要求。然而,目前UWOC技术仍处于早期发展阶段,大部分UWOC系统的实验仅在实验室水箱开展,且性能测试方法各不相同,缺乏统一的性能测试模型和方法。为更客观地评估UWOC系统的性能,文章尝试提出UWOC系统的一般测试方法,建立测试模型,并总结系统评价指标,以促进UWOC技术的发展。     

水下复合信道对GMSK无线光通信系统性能的影响

The absorption and scattering of light in seawater channel cause signal attenuation, and the turbulence of seawater causes signal amplitude fluctuation, both of which will reduce the bit error rate (BER) performance of underwater wireless optical communication (UWOC) system. The effects of the two channel characteristics on the signal performance were considered comprehensively, and a method was proposed to equate the transmission distance and turbulence probability density function to the system signal-to-noise ratio (SNR) and turbulence noise, and then the signal attenuation and turbulence noise were combined into the signal waveform to establish the underwater composite channel signal transmission model. According to the experimental system parameters, the signal transmission waveforms of Gaussian minimum frequency shift keying (GMSK) modulation under composite channel were simulated, and the one-bit difference demodulation algorithm was used to compare the demodulated waveforms with the original waveform, and the influence relationships of composite channel on the system BER performance was analyzed. The simulation experiment results show that, compared with on-off keying modulation (OOK), pulse position modulation (PPM), GMSK system can obtain the SNR gain of 3.3 dB, 4.8 dB respectively only in the attenuation channel with seawater attenuation coefficient of 0.151 m?1. Under the composite channel, GMSK modulation performance is superior to OOK modulation and PPM modulation. When the water attenuation coefficient is 0.151 m?1, and turbulence intensity variance is smaller than 0.16, GMSK modulation system has no error rate limit, the system BER is decided by signal attenuation and turbulence noise and Gaussian noise together, GMSK modulation achieves SNR gain of 4.35 dB compared with PPM modulation. Furthermore, turbulence intensity variance is greater than 0.16, system BER arrives limit, which value is determined by the turbulence intensity, and the limit value of BER increases nonlinearly with the increase of turbulence intensity.     

水下无线光通信关键技术与未来展望

随着“海洋强国”战略的推进,水下无线通信的需求愈加迫切。传统水声通信无法满足日益增长的水下数据高速传输需求,水下无线光通信凭借其高速率、高保密和低成本等优势,成为水下无线通信的研究热点。从水下无线光通信的传播特性和应用场景出发,概述了水下无线光通信的理论信道模型、编码调制技术和最新实验进展,并结合深海环境和6G愿景,展望了水下无线光通信多输入多输出技术、弱光信号检测技术和水下通感一体化技术的发展方向及相应挑战。     

蒙特卡洛仿真的水下激光通信信道特性

针对海洋激光通信信道复杂多变的问题,利用理论分析和蒙特卡洛模拟方法详细研究了水下光通信链路的信道特性。采用波长为532 nm的蓝绿激光,分析了典型海水中的信道脉冲响应,研究了接收光强与海水类型、衰减长度、发散角、波束宽度、接收视角及孔径等重要参数的关系,并通过蒙特卡洛仿真实验进行验证。理论分析与仿真结果表明:清澈海域中,传输距离40 m时,可认为无码间干扰信道,接收端不需要复杂的信号处理算法;但在海港浑浊海域,时延扩展随着接收视角和发散角的增大而增大,从而降低信道的传输效率。当衰减长度小于等于漫射长度时,接收光强随接收孔径的增大而减小;但当衰减长度大于漫射长度时,接收光强随着接收视角的增大呈现先增后恒的趋势。因此,研究结果将对建立准确的水下无线光通信信道模型具有重要的参考价值。     

水下无线光通信传感器网络路由算法的研究

水下环境的多变性导致水下无线光通信传感器网络中个别节点无法满足视距传输的要求.为了恢复节点间的有效通信,基于中继协作传输方式,将混合指数广义伽马模型中的误码率作为中继选择指标提出了一种中继路由算法.为了确保所选中继节点在低能耗条件下能解决传感器网络中的链路故障问题,在中继选择时考虑了节点成功通信的功率阈值.仿真结果表明...     

高速水下无线光通信系统研究进展

水下无线光通信(UWOC)系统可以实现最高Gbit/s量级的信号传输速率,对于现代水下应用具有重要意义。文章简述了UWOC系统的发展过程,对不同种类的UWOC系统进行了比较,对高速UWOC系统的研究现状进行了综述,从高速UWOC系统的光源、接收机以及信号处理3个部分进行了总结与讨论。希望文章可以为未来高速UWOC系统的研究与发展带来帮助。     

水下无线光通信接收光功率的计算研究

在水下无线光通信中,以往计算接收光功率的方法大多没有考虑水体散射对光束发散角和光功率分布的影响。采用汉克尔变换的光束传输函数研究了在水下三维空间的光功率分布,在此分布基础上考虑接收机尺寸、空间位置、接收平面角度等因素产生的几何损耗,求得接收光功率,并进行了实验,结果表明本方法比以往方法更接近实验数据。     

计算机仿真无线Rice衰落信道的实现方法

应用第一类零阶修正的贝塞尔函数I0(x)一个近似式,推导Rice随机变量的概率分布函数(CDF)的近似闭式.采用蒙特卡洛法用计算机仿真生成Rice分布的随机变量序列.Rice分布的PDF仿真结果与理论值比较表明:两者是基本一致的.文中还介绍了采用此法来生成Nakagami-m 分布的随机变量序列,并给出仿真结果.该方法可以直接用于仿真Rice或Nakagami-m衰落信道环境下的无通信系统的传输特性研究.