CN107317634A - 智能水下无线光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能水下无线光通信系统，引入了接收机自适应探测信道环境的机制以及反馈发送端更新调制编码格式的思路，克服了传统水下可见光通信系统局限于限定场景限定速率的缺陷，使得接收机更为智能化，可依据接收信号的统计特性判断即时信道条件，从而做出反馈意见报告给发送设备，通过反馈信道使系统具备自适应性能，可保证在变化的环境中稳定工作，这对于实际应用来说具有非常重要的意义。

Description

智能水下无线光通信系统

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种智能水下无线光通信系统。

背景技术

由于海洋环境的复杂性以及海洋勘探技术的不成熟，迄今为止人类对海洋的了解依然相当有限，许多海域仍处于未知状态。因此发展先进的海洋探测技术具有重要的意义，而水下通信技术作为控制水下载具及传感器，实现系统间相互数据传输的关键技术支持，地位尤为重要。鉴于有线通信技术(光纤、铜缆通信)对水下设备的可移动性的约束以及其随传输距离增大而增加的成本，无线通信更适合水下作业。而在无线通信技术范畴中，主要的水下通信技术包括长波无线电和水声通信。与传统水声通信相比，新兴的水下可见光通信具有高带宽高速率、抗干扰、高保密、低功耗低成本等优点，逐渐受到人们的重视。尽管可见光在海水中受到一定的衰减影响，使得其通信距离被限制在百米左右，但作为一种高带宽高传输速率的无线通信手段，满足当前水下资源开发利用与发展的趋势。人们研究发现，光谱中的蓝绿光波段存在一个光学窗口，能够较少的受水介质的影响，适合于水下无线光通信。由于基于蓝绿LED光源的水下可见光通信系统可以承载Mbps量级甚至几百Mbps的数据传输，同时具有寿命长、部署灵活、安全保密等优势，因此有望成为未来水下通信的首选技术。

水体中对可见光传输造成衰减影响的有水分子、叶绿素、溶解有机物、悬浮颗粒物等诸多因素，衰减效应主要分为吸收和散射效应两部分，前者随传输距离增大影响程度加剧，而后者主要由水体散射颗粒浓度决定。衰减效应反映在水下可见光通信系统中表现为接收信噪比的降低，从而导致判决失衡信息丢失或错误。因此普遍认为水下可见光通信是一种中短距离的水下通信模式。目前主流的研究团队对于水下可见光通信系统的研究基本集中在点对点视距链路固定调制编码模式的系统设计和性能分析上，各团队实现的实用型水下可见光通信系统一般仅针对固定条件的场景设计，如固定传输距离、固定水质衰减度、固定发射功率、固定数据速率等。此类设计方法受限于通信环境较大，一旦环境恶化，收发机就无法正常工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能水下无线光通信系统，引入了接收机自适应探测信道环境的机制以及反馈发送端更新调制编码格式的思路，使得收发机智能化，能够根据接收信号的强弱切换发射端传输方案，保证在变化的环境中稳定工作，这对于实际应用来说具有非常重要的意义。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种智能水下无线光通信系统，包括：置于水下且分别进行防水封装的发送设备与接收设备；其中：

所述发送设备包括：相互连接的信息发送部分和反馈收集部分；所述信息发送部分包含依次连接的数据采集模块、用于对发送信号进行调制编码的发送端数字信号处理模块、第一数模转换模块、第一放大均衡模块与LED光源，以及为LED光源提供直流工作电压的直流偏置模块；反馈收集部分包含依次连接的接收反馈信号模块、第一模数转换模块与反馈信号判决模块；

所述接收设备包括：信息接收部分和反馈发送部分；所述信息接收部分包含依次连接的光接收机模块、第二放大均衡模块、滤波器模块、第二模数转换模块、用于对接收的光信号进行解调解码的接收端数字信号处理模块以及数据恢复模块；反馈发送部分包含依次连接的信道环境监测模块、反馈信号生成模块、第二数模转换模块以及所述反馈信号发送模块；所述信息接收部分中的数字信号处理模块还与反馈发送部分的信道环境监测模块相连。

所述发送端数字信号处理模块包括：第一时钟管理模块、数据缓存模块、组帧模块、编码模块、调制模块、速率控制模块及数据发送模块；其中：

第一时钟管理模块，用于产生不同时钟域的时钟信号；

数据缓存模块，用于数据在不同时钟域之间传输时缓存以使时序稳定；

组帧模块，用于将到来的数据按照相应规则拆分组成设定的帧结构格式；

编码模块，用于根据反馈收集部分反馈的当前信道环境条件，从而选择相应的编码方式对帧数据进行信道编码；

调制模块，用于根据反馈收集部分反馈的当前信道环境条件，从而选择相应的调制格式，将编码后的数据调制成串行信号；

速率控制模块，用于控制传输数据的速率；

数据发送模块，用于将调制的串行信号输出给第一数模转换模块。

所述相应的编码方式为里德-所罗门RS码、卷积码、RS-卷积级联码与Turbo码中的一种。

所述相应的调制格式为NRZ-OOK、DPIM与PAM中的一种；相应的数据速率为1Mb/s、5Mb/s、25Mb/s和100Mb/s中的一种。

所述反馈收集部分的接收反馈信号模块通过反馈信道接收接收设备反馈的携带信道状态信息的信号；所述反馈信道为光信道或者声信道；接收反馈信号模块为光电探测器或水声接收器；

接收反馈信号模块将携带信道状态信息的信号传输给第一模数转换模块转换为数字信号后，由反馈信号判决模块判断当前信道环境条件。

LED光源波长在400nm-532nm范围内。

所述接收端数字信号处理模块包括：第二时钟管理模块、位同步模块、帧同步模块、速率判决模块、解调模块、解码模块、数据帧组包模块与数据回传模块；其中：

第二时钟管理模块，用于产生不同时钟域的时钟信号；

位同步模块，用于对数据进行下采样，保证每次采样点均在信号脉冲峰值处；

帧同步模块，用于检测每帧数据的同步头，捕获到同步头之后开始采样有效数据；

速率判决模块，用于检测判断当前数据传输速率并选择对应下采样倍数；

解调模块，用于检测当前数据帧采用的调制格式，而后进行相应的解调处理；

解码模块，用于检测解调后的数据采用的编码方式，而后对数据进行相应的校验纠错与解码恢复处理；

数据帧组包模块为发送设备中组帧模块的逆变换，用于将数据帧按照原先的数据包长度重新组合成包格式；

数据回传模块，用于根据采用的与数据恢复模块通信的接口标准将数据包封装为符合标准的格式。

所述信道环境监测模块，用于对接收信号进行相应计算，得到通用的性能指标参数，包括丢帧率FER、误比特率BER、Q因子、信号均方根值RMS与接收信噪比SNR；

反馈信号生成模块，用于根据信道环境监测模块输出的性能指标参数判断所属的信道环境类型，生成对应的反馈信号；

第二数模转换模块，用于对反馈信号进行数模转换；

反馈信号发送模块，用于将数模转换后的反馈信号调制到其他波长的光信号或者声发送器上向外发送。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方案克服了传统水下可见光通信系统局限于限定场景限定速率的缺陷，使得接收机更为智能化，依据接收信号的统计特性判断即时信道条件，从而做出反馈意见报告给发送设备，通过反馈信道使系统具备自适应性能。随着人类对海底资源的探索不断发展，对用于水下的可靠通信技术的需求越来越大，而实际的应用场景和需求可能会发生变化，例如水下自主机器人(AUV)在采集水下信息时可根据信息要素类型选择不同调制速率、格式，也可以根据水域浊度选择不同的信道编码方案以保证信息正确传输。因此本发明提供的水下智能无线光通信系统可以在这些动态场景下有效地应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种智能水下无线光通信系统的组成结构示意图；

图2为本发明实施例提供的发送设备的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的接收设备的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的发送设备中根据反馈信号选择切换方案的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的一种智能水下无线光通信系统的组成结构示意图。如图1所示，其主要包括：置于水下且分别进行防水封装的发送设备与接收设备两个部分。

一、发送设备。

如图1所示，所述发送设备主要包括：相互连接的信息发送部分和反馈收集部分；所述信息发送部分包含依次连接的数据采集模块、用于对发送信号进行调制编码的发送端数字信号处理模块、第一数模转换模块、第一放大均衡模块与LED光源，以及为LED光源提供直流工作电压的直流偏置模块；反馈收集部分包含依次连接的接收反馈信号模块、第一模数转换模块与反馈信号判决模块。

本发明实施例中，发送设备中的数据采集模块主要负责捕捉收集用户感兴趣的外部信号，可根据应用场景不同选择，例如对于利用水下无人机器人(AUV)探索海底时可以选择摄像头为采集设备；对于利用AUV收集海底布设的传感器存储的探测到的数据时可以选择各种传感器作为采集设备；对于水下蛙人之间交流时可以选择麦克风作为采集设备，信号形式可以为视频信号也可以为语音信号。

本发明实施例中，发送端数字信号处理模块与反馈信号判决模块可以通过FPGA开发平台实现。

发送端数字信号处理模块主要对待传输数字信号进行调制编码形成调制所述光源的电信号，其在FPGA开发平台上预先设计实现几种不同的调制格式、编码方式以及不同数据速率的模块；发送端数字信号处理模块则根据反馈信号判决模块输出的当前水下信道条件(具体过程将在后文介绍)选择合适的调制编码格式、数据速率以及发射波长以匹配当前信道条件，更进一步的自适应选择还可以包括发射功率的优化。

所述调制格式主要包括NRZ-OOK、DPIM、PAM等适用于水下无线光通信的调制方式，数据速率设为1Mb/s、5Mb/s、25Mb/s和100Mb/s四种，对应于不同的信道条件和不同的通信需求；所述编码方式可以选择里德-所罗门RS码、卷积码、RS-卷积级联码以及Turbo码等纠错能力较强的编码器，针对不同的水下信道恶劣程度和噪声程度进行自适应选择。

本发明实施例中，第一数模转换主要负责将数字信号转换为模拟信号。第一放大均衡模块负责放大模拟信号并对其进行一定程度的整形滤波。

所述反馈收集部分的接收反馈信号模块通过反馈信道接收接收设备反馈的携带信道状态信息的信号；所述反馈信道为光信道或者声信道；接收反馈信号模块为光电探测器或水声接收器。

示例性的，若接收反馈信号模块为光电探测器，则前端还设有用于汇聚经调制光信号的透镜，透镜可以采用菲涅尔透镜、复眼透镜等增大视场角及接收面积。光电探测器可以采用雪崩光电二极管(APD)或者光电倍增管(PMT)，两者均具有高灵敏度、高增益、高信噪比的优点，适合作为长距离水下光通信的信号接收器件，其有效波长范围应在可见光波段内，选择时应选取所述光源波长附近敏感度较高的型号。

之后，接收反馈信号模块将携带信道状态信息的信号传输给第一模数转换模块转换为数字信号后，由反馈信号判决模块判断当前信道环境条件。

本发明实施例中，LED光源波长在400nm-532nm范围内，经典的选择包括：470nm的蓝光LED以及532nm的绿光LED，在叶绿素浓度不同的海水中，最优波长存在一定偏差，叶绿素浓度低(深海)时蓝光波段衰减较小，叶绿素浓度高(浅海)时绿光波段衰减较小，因此LED光源的波长选择也可以根据环境的变化进调整；

二、接收设备。

如图1所示，所述接收设备主要包括：信息接收部分和反馈发送部分；所述信息接收部分包含依次连接的光接收机模块、第二放大均衡模块、滤波器模块、第二模数转换模块、用于对接收的光信号进行解调解码的接收端数字信号处理模块以及数据恢复模块；反馈发送部分包含依次连接的信道环境监测模块、反馈信号生成模块、第二数模转换模块以及所述反馈信号发送模块；所述信息接收部分中的数字信号处理模块还与反馈发送部分的信道环境监测模块相连。

本发明实施例中，光接收机模块主要负责接收由发送设备发出的经过调制的光信号并对其进行光电转换为电信号。光电探测器可以选用APD或高灵敏度的PMT。第二放大均衡模块与发送设备中第一放大均衡模块功能相似，对经光电转换的电信号进行放大整形，补偿信道低频衰减特性引起的信号失真现象。滤波器模块用于滤除带外的噪声，使信号限制在宽带内。第二模数转换模块将整形后的模拟信号转换为数字信号输出至接收端数字信号处理模块，接收端数字信号处理模块一方面，对输入的信号进行一系列处理后(将在后文进行介绍)，输出给数据恢复模块进行数据恢复；另一方面还将输入的信号传输给信道环境监测模块。

信道环境监测模块负责对接收信号进行相应计算，得到通用的性能指标参数，通用的性能指标参数包括丢帧率FER、误比特率BER、Q因子、信号均方根值RMS与接收信噪比SNR。之后，由反馈信号生成模块根据信道环境监测模块输出的性能指标参数判断所属的信道环境类型，生成对应的反馈信号，再由第二数模转换模块对反馈信号进行数模转换；最后，由反馈信号发送模块，将数模转换后的反馈信号调制到其他波长的光信号或者声发送器上向外发送。

另外，本发明实施例所述发送设备和接收设备在实际应用环境中均置于防水密封装置中，防水封装时需预留出光源窗口与探测器窗口。

为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明中发送端数字信号处理模块、接收端数字信号处理模块做进一步的介绍。

如图2所示，为发送设备结构示意图；其中虚线框示出了发送端数字信号处理模块的内部结构。如图2所示，所述发送端数字信号处理模块主要包括：第一时钟管理模块、数据缓存模块、组帧模块、编码模块(即FEC编码选择器与相应编码器)、调制模块(调制选择器与相应调制器)、速率控制模块(速率选择器与相应速率)及数据发送模块；其中：

第一时钟管理模块，用于产生不同时钟域的时钟信号；

数据缓存模块，用于数据在不同时钟域之间传输时缓存以使时序稳定；

组帧模块，用于将到来的数据按照相应规则拆分组成设定的帧结构格式；

编码模块，用于根据反馈收集部分反馈的当前信道环境条件，从而选择相应的编码方式对帧数据进行信道编码；如图2所示，编码方式可以为RS码、卷积码或者RS-卷积级联码。

调制模块，用于根据反馈收集部分反馈的当前信道环境条件，从而选择相应的调制格式与数据速率，将编码后的数据调制成串行信号；如图2所示，调制格式可以为NRZ-OOK、DPIM或者PAM；

速率控制模块，用于控制传输数据的速率；如图2所示，数据速率可以为1Mb/s(超低速)、5Mb/s(低速)、25Mb/s(中速)或者100Mb/s(高速)。

数据发送模块，用于将调制的串行信号输出给第一数模转换模块。

如图3所示，为接收设备结构示意图；其中虚线框示出了接收端数字信号处理模块的内部结构。如图3所示，所述接收端数字信号处理模块主要包括：第二时钟管理模块、位同步模块、帧同步模块、速率判决模块(即速率判决器即相应的下采样器)、解调模块(即解调判决器及相应的解调器)、解码模块(即FEC译码判决器及相应的译码器)、数据帧组包模块(即组包模块)与数据回传模块；其中：

第二时钟管理模块，用于产生不同时钟域的时钟信号；

位同步模块，用于对数据进行下采样，保证每次采样点均在信号脉冲峰值处；

帧同步模块，用于检测每帧数据的同步头，捕获到同步头之后开始采样有效数据；

速率判决模块，用于检测判断当前数据传输速率并选择对应下采样倍数；

解调模块，用于检测当前数据帧采用的调制格式，而后进行相应的解调处理；

解码模块，用于检测解调后的数据采用的编码方式，而后对数据进行相应的校验纠错与解码恢复处理；

数据帧组包模块为发送设备中组帧模块的逆变换，用于将数据帧按照原先的数据包长度重新组合成包格式；

数据回传模块，用于根据采用的与数据恢复模块通信的接口标准将数据包封装为符合标准的格式。

接收端数字信号处理模块进行一系列处理后，将处理结果输出至数据恢复模块。数据恢复模块为整套系统的终端，负责将前端采集到的信息按对应格式恢复，具体形式可以根据采集的数据格式进行选择，例如对于前端采集到的视频信号，可利用播放器、监控窗口等将视频显示；对于前端采集到的各种检测信号，可直接存储为文件形式；对于前端采集到的语音信号，可通过耳机、扬声器等播放。

如图4所示为本发明实施例提供的发送设备中根据反馈信号选择切换方案的示意图。光源波长选择的原则是叶绿素浓度低(深海)时选用蓝光波段发送有效数据，绿光波段发送反馈数据；叶绿素浓度高(浅海)时选用绿光波段发送有效数据，蓝光波段发送反馈数据。调制速率选择的原则是通信距离越远、水质环境越差，速率越低；通信距离越近、水质环境越好，速率越高，此外速率的选择还应考虑实际传输的数据类型。调制格式选择的原则是长距离低速通信选择用DPIM调制方式，短距离高速通信选择用高阶PAM方式，一般情况选择用NRZ-OOK调制。而信道编码方案的选择原则是水质环境较好、通信距离短的情况下选择RS码，速率要求较低的情况下可以选择卷积码，水质环境较差、通信距离长的情况则选择级联码或者Turbo码等。反馈信号的数据速率可设为1-5Mb/s之间，作为低速通信链路，不容易受信道环境影响。示例性的，短距离可以为0～10m；中等距离可以为10～30m；长距离可以为大于30m。

本发明上述方案主要具有如下优点：克服了传统水下可见光通信系统局限于限定场景限定速率的缺陷，使得接收机更为智能化，依据接收信号的统计特性判断即时信道条件，从而做出反馈意见报告给发送设备，通过反馈信道使系统具备自适应性能。随着人类对海底资源的探索不断发展，对用于水下的可靠通信技术的需求越来越大，而实际的应用场景和需求可能会发生变化，例如水下自主机器人(AUV)在采集水下信息时可根据信息要素类型选择不同调制速率、格式，也可以根据水域浊度选择不同的信道编码方案以保证信息正确传输。因此本发明提供的水下智能无线光通信系统可以在这些动态场景下有效地应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种智能水下无线光通信系统，其特征在于，包括：置于水下且分别进行防水封装的发送设备与接收设备；其中：

所述发送设备包括：相互连接的信息发送部分和反馈收集部分；所述信息发送部分包含依次连接的数据采集模块、用于对发送信号进行调制编码的发送端数字信号处理模块、第一数模转换模块、第一放大均衡模块与LED光源，以及为LED光源提供直流工作电压的直流偏置模块；反馈收集部分包含依次连接的接收反馈信号模块、第一模数转换模块与反馈信号判决模块；

所述接收设备包括：信息接收部分和反馈发送部分；所述信息接收部分包含依次连接的光接收机模块、第二放大均衡模块、滤波器模块、第二模数转换模块、用于对接收的光信号进行解调解码的接收端数字信号处理模块以及数据恢复模块；反馈发送部分包含依次连接的信道环境监测模块、反馈信号生成模块、第二数模转换模块以及所述反馈信号发送模块；所述信息接收部分中的数字信号处理模块还与反馈发送部分的信道环境监测模块相连。

2.根据权利要求1所述的一种智能水下无线光通信系统，其特征在于，所述发送端数字信号处理模块包括：第一时钟管理模块、数据缓存模块、组帧模块、编码模块、调制模块、速率控制模块及数据发送模块；其中：

第一时钟管理模块，用于产生不同时钟域的时钟信号；

数据缓存模块，用于数据在不同时钟域之间传输时缓存以使时序稳定；

组帧模块，用于将到来的数据按照相应规则拆分组成设定的帧结构格式；

编码模块，用于根据反馈收集部分反馈的当前信道环境条件，从而选择相应的编码方式对帧数据进行信道编码；

调制模块，用于根据反馈收集部分反馈的当前信道环境条件，从而选择相应的调制格式，将编码后的数据调制成串行信号；

速率控制模块，用于控制传输数据的速率；

数据发送模块，用于将调制的串行信号输出给第一数模转换模块。

3.根据权利要求2所述的一种智能水下无线光通信系统，其特征在于，所述相应的编码方式为里德-所罗门RS码、卷积码、RS-卷积级联码与Turbo码中的一种。

4.根据权利要求2所述的一种智能水下无线光通信系统，其特征在于，所述相应的调制格式为NRZ-OOK、DPIM与PAM中的一种；相应的数据速率为1Mb/s、5Mb/s、25Mb/s和100Mb/s中的一种。

5.根据权利要求2所述的一种智能水下无线光通信系统，其特征在于，所述反馈收集部分的接收反馈信号模块通过反馈信道接收接收设备反馈的携带信道状态信息的信号；所述反馈信道为光信道或者声信道；接收反馈信号模块为光电探测器或水声接收器；

接收反馈信号模块将携带信道状态信息的信号传输给第一模数转换模块转换为数字信号后，由反馈信号判决模块判断当前信道环境条件。

6.根据权利要求1所述的一种智能水下无线光通信系统，其特征在于，LED光源波长在400nm-532nm范围内。

7.根据权利要求1所述的一种智能水下无线光通信系统，其特征在于，所述接收端数字信号处理模块包括：第二时钟管理模块、位同步模块、帧同步模块、速率判决模块、解调模块、解码模块、数据帧组包模块与数据回传模块；其中：

第二时钟管理模块，用于产生不同时钟域的时钟信号；

位同步模块，用于对数据进行下采样，保证每次采样点均在信号脉冲峰值处；

帧同步模块，用于检测每帧数据的同步头，捕获到同步头之后开始采样有效数据；

速率判决模块，用于检测判断当前数据传输速率并选择对应下采样倍数；

解调模块，用于检测当前数据帧采用的调制格式，而后进行相应的解调处理；

解码模块，用于检测解调后的数据采用的编码方式，而后对数据进行相应的校验纠错与解码恢复处理；

数据帧组包模块为发送设备中组帧模块的逆变换，用于将数据帧按照原先的数据包长度重新组合成包格式；

数据回传模块，用于根据采用的与数据恢复模块通信的接口标准将数据包封装为符合标准的格式。

8.根据权利要求1所述的一种智能水下无线光通信系统，其特征在于，

所述信道环境监测模块，用于对接收信号进行相应计算，得到通用的性能指标参数，包括丢帧率FER、误比特率BER、Q因子、信号均方根值RMS与接收信噪比SNR；

反馈信号生成模块，用于根据信道环境监测模块输出的性能指标参数判断所属的信道环境类型，生成对应的反馈信号；

第二数模转换模块，用于对反馈信号进行数模转换；

反馈信号发送模块，用于将数模转换后的反馈信号调制到其他波长的光信号或者声发送器上向外发送。