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。     

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。     

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...     

水下无线光通信系统研究进展

水下无线光通信作为一种新兴的高速水下无线通信技术,在海洋生态环境监测、资源勘测以及军事作战等方面的作用不可小觑,并已成为全世界竞相争夺的关键性技术。对目前常用的3种水下无线通信方式进行比较,介绍了水下无线光通信的信道特性,并阐述水下无线光通信系统中光源、调制、信道编码以及探测等关键技术的研究进展。总结了水下无线光通信技术的发展趋势,为未来水下无线光通信系统的深入研究和实用化提供了参考。     

水下无线光通信系统初探

本文描述了水下无线光通信的概念及系统架构,在与地上无线光通信比较的基础上,重点讨论用于水下无线光通信的滤光器及水下光通路的建模。     

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。     

水下无线光通信物理层安全技术前沿进展

随着水下无线光通信技术研究的深入,其相关的安全性问题获得了日益增长的关注。通过借鉴陆上无线光技术的研究经验,越来越多的研究人员积极将物理层安全技术引入到水下无线光通信领域,取得了一系列特色突出的研究成果。为了全景式呈现水下无线光通信物理层安全技术前沿进展,文中分别从全水下无线光通信,空-水无线光通信,陆-水无线光通信等分类场景的物理层安全技术进行了综述性讨论。最后,文中给出了推进水下无线光通信物理层安全技术进一步发展所要应对的主要挑战及潜在方案。     

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。     

PMT阵列在水下MIMO无线光通信中的应用

水下无线光通信具有的高带宽、低时延等特点,已成为水下通信的可行选择。系统发送端光源由6只绿光发光二极管(LED)构成阵列,接收端由3只光电倍增管(PMT)构成阵列,形成了6×3的多输入多输出(MIMO)传输方式。在室内10 m水槽水下信道下,实现了1 Mbps的信息传输速率。通过MATLAB软件对接收平面光功率分布仿真,最大值为?35.8 dBm。此外,测试了PMT阳极输出电压波形,并推导出阴极电流波形。理论计算得出信噪比为19.4 dB,理论误码率约为1.1×10?5。所选PMT模块理论上最小接收功率可低至1.5×10?9 W,体现出极高的探测灵敏度。最后,通过蒙特卡洛(Monte Carlo)数字仿真说明,在信噪比25 dB可达到约35 bit·s-1·Hz-1的信道容量。     

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...     

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.     

一种用于头盔式水下无线光通信的卷积码研究

为了提高头盔式水下无线光通信系统的可靠性,设计了一种新的（3,1,1）卷积码。介绍了水下光通信模型及其对编码的要求,计算了未编码系统在水下高斯白噪声信道下的误比特率。给出了此卷积码的具体的编译码方法,推导了编码后系统误比特率计算公式。在不同系统参数、水质和传输距离的情况下,对未编码系统和编码系统分别进行了仿真。仿真结果表明:编码能够改善系统的误码性能;系统参数越大,编码改善系统性能的能力越强;水体衰减系数或传输距离越大,编码改善系统性能的能力越弱。     

水下无线光通信中MIMO技术研究现状

水下无线光通信(UWOC)具有大容量和高速率等优势,然而受水下复杂环境和光学器件带宽的影响,实际通信范围和传输速率受到制约。多输入多输出(MIMO)技术将空间单流数据转换为多流数据并行传输,可以扩展UWOC的通信距离,缓解水下吸收、散射效应和湍流引起的通信性能下降,因而受到广泛关注。基于此,文章围绕UWOC中的MIMO技术,分析和总结了MIMO-UWOC的信道模型、研究现状、实验装置与原型以及发展趋势与展望。     

一种2ASK的水下光通信系统研究

为解决水下声通信的通信速率低,无线电波通信的通信距离短等问题,设计并实现了一种2ASK的水下光通信系统。该水下光通信系统使用2ASK二分键控调制方式进行调制,从而实现一定距离上的高速信号传输。在模型测试中,系统使用小功率蓝光LED进行信号传输,并在接收端处接收到发送信号,从而验证了使用2ASK进行水下光通信的可行性,并通过测试其误码率、信噪比等通信系统的关键参数,为使用BPSK,OFDM等技术的水下光通信系统提供重要参考。     

基于DQN的UUV辅助水下无线光通信轨迹规划系统

无人水下航行器(unmanned underwater vehicle,UUV)作为重要潜基通信平台可以辅助水下无线光通信(underwater wireless optical communication,UWOC)。然而,在实际应用中,水体波动特性、不同水质环境、多用户接入等给UUV辅助UWOC系统带来很大挑战,因而适当的路径规划策略可以应对上述挑战并最大限度地提升系统整体和每一个用户的性能。将深度强化学习(deep reinforcement learning,DRL)用于无人载具路径规划中,提出了一种UUV辅助UWOC系统的轨迹规划方案。通过DRL中深度Q网络(deep Q-network,DQN)方法让UUV自动决策航行方向,从而提升系统和用户的链路通信容量。同时,研究了不同水质对容量提升效果的影响。仿真实验表明,DQN输出策略可以在一定程度上提升系统整体和各个用户的链路通信容量,并且UUV在清澈海水中的容量提升效果优于纯净海水但低于沿岸水。     

双光源水下无线光通信系统的研究与实现

随着海洋探测研究的不断深入,水下无线通信技术已成为制约其发展的关键。针对水下高速、远距离无线通信的需求,设计了一种面向海洋商用的水下双向链路通信系统。系统在发射端采用激光LD及LED双发射源,提出了双发射光源的系统设计方案,并通过设计相应的驱动电路验证了方案的可行性;在接收端利用5 mm大面积APD及高灵敏度PMT双接收探测器接收光信号,适用于远距离、高速通信;系统的信息处理部分由FPGA完成,通过网络通讯方式与PC端进行信息交互;最后完成整个系统设计并进行了商用工程化。开展的水下模拟实验表明,系统在通信距离5 m、误码率10?7时,通信速率可达60 Mbps;在远距离通信60 m、误码率10?7时,通信速率达10 Mbps。     

无线光通信浅析

无线光通信(Free Space Optic)采用激光作为信息载体,结合了光纤通信和无线射频通信的优点,既有高带宽的优点,又不受地域的限制,同时还有极强的保密性和低功耗,所以有广泛的应用前景。区别于光纤通信,无线光通信在空间信道中传输数据,波长段通常在(400 nm~1.6μm)。文章从无线光通信的发展历史、真空中的传播特性、实际在大气中的传播特性以及几种发射装置几个角度简单介绍无线光通信。     

水下无线光通信中的FDPIM性能研究

为了改善脉冲位置调制需要符号同步和数字脉冲间隔调制、双头脉冲间隔调制、多幅度脉冲间隔调制符号长度不固定所引起的接收发机结构复杂和调制器速率不固定等问题,提出将定长数字脉冲间隔调制应用于水下无线光通信系统。分析了带宽需求、传输容量,并与其它调制方式进行了比较;在给出水下无线光通信信道模型的基础上,推导了该信道中定长数字脉冲间隔调制方式的误包率表达式。结果表明,定长数字脉冲间隔调制适用于水下无线光通信系统。     

无线光通信技术研究

无线光通信技术是一种宽带无线接入技术,是光通信技术和无线通信技术相结合的产物。本文介绍了两种无线光通信技术(FSO和VLC)的优势及不足,然后介绍了VLC在室内的一个典型应用,最后展望了这两项无线光通信技术未来的研究方向及发展趋势。