CN110730039A - 一种提升强流流水下无线光通信性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提升强流流水下无线光通信性能的方法，包括在强海洋湍流下，分别计算出平面波和球面波在孔径平均效应下的闪烁指数以及结构常数；采用DPSK调制技术对水下无线光通信系统的输入信号进行调制，并通过Gamma‑Gamma分布的强海洋湍流信道来传输调制后的信号；利用孔径接收技术来接收信号，并通过Whittaker函数得到外差式差分相移键控调制下的水下无线光通信系统的平均误码率解析表达式；利用得到的平均误码率解析表达式，通过MATLAB软件比较分析不同影响因素下的平均误码率。本发明优点：很好的揭示了提高UWOC系统性能的规律，可用于设计性能更优良的UWOC系统，即提升UWOC系统的性能。
Description
技术领域
本发明涉及水下无线光通信技术领域，具体为一种在强海洋湍流信道中，采用DPSK调制和孔径平均接收方式，对UWOC系统(即水下无线光通信系统)的平均误码率性能进行理论和仿真研究，探讨提升UWOC系统性能的方法。
背景技术
水下无线光通信系统(UWOC)是一种利用发光二极管(light emitting diode，LED)和激光二极管(laser diode，LD)作为光源，以海水为传输媒质实现双向通信的新型视距传输通信技术。UWOC系统具有低蓝光/绿光窗口吸收、低延迟、宽带宽、高安全、低成本、易于安装等优点，在商业海洋资源勘探，潜水员、无人水下航行器、潜艇、船舶、水下无线传感器网络之间的通信，以及水下军事应用等方面有着广泛的应用。这些独特的优点使UVOC技术成为比声波和射频波传输更适合于高速率水下传输的替代方案，近年来引起了科研人员的极大兴趣。
尽管UWOC系统有很多优点，但它也会受到一系列干扰的影响，如吸收、散射和湍流效应。其中，由盐度、温度和密度等波动引起的海洋湍流是影响光束传播、引起强度波动(称为信号闪烁)的主要原因，会严重降低UWOC系统的性能。研究人员提出了几种有效的技术，以减轻湍流效应对UWOC系统性能的恶化，例如空间分集传输、信道编码技术、光束整形、调制技术、中继协作技术和孔径接收平均技术。
UWOC系统的调制常采用OOK调制；然而，OOK调制的通信系统性能并不占优势，而DPSK调制可以消除背景噪声，其性能也优于OOK调制。
用来表征海洋湍流特征的模型有适用于弱湍流(闪烁系数小于0.75)的log-normal分布，强湍流(闪烁系数大于1)的负指数分布和K分布以及Gamma-Gamma分布。其中，Gamma-Gamma分布能比较好的符合实验测量分布。
目前的问题在于：在强海洋湍流条件下，还未有报道孔径平均对UWOC系统误码率性能的影响。因此，基于Gamma-Gamma强海洋湍流分布模型，研究采用DPSK调制和孔径接收平均技术的UWOC系统的平均误码率性能实属当前十分重要的研究方向。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种提升强流流水下无线光通信性能的方法，通过该方法来揭示提高UWOC系统性能的规律，为提升UWOC系统的性能提供设计依据。
本发明是这样实现的：一种提升强流流水下无线光通信性能的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1、在强海洋湍流下，分别计算出平面波和球面波在孔径平均效应下的闪烁指数以及结构常数；
步骤S2、采用DPSK调制技术对水下无线光通信系统的输入信号进行调制，并通过Gamma-Gamma分布的强海洋湍流信道来传输调制后的信号；利用孔径接收技术来接收信号，并通过Whittaker函数得到外差式差分相移键控调制下的水下无线光通信系统的平均误码率解析表达式；
步骤S3、利用得到的平均误码率解析表达式，通过MATLAB软件比较分析不同影响因素下的平均误码率。
进一步地，所述步骤S1具体为：
因在强海洋湍流中传播的光波将经历辐照度波动，利用修正的Rytov理论，将闪烁系数表示为式(1)：
在式(1)中，
和分别表示闪烁系数的大、小尺度部分；
若在强海洋湍流信道中采用球面波传输，则闪烁系数
的大、小尺度部分由以下式(2)得到：
在式(2)中，
L表示传输距离；
在式(3)中，k＝2π/λ，λ为波长；结构常数
由以下式(4)得到：
其中：
在式(5)中，
表示光束传输的位置距离发送端的距离；κ表示空间频率幅度；i表示虚数；
功率谱Φn(κ)由以下式(6)得到：
在式(6)中，χT表示均方温度耗散率；ε表示单位质量液体中的湍流动能耗散率；ν表示动力粘度速率；ω表示温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值；ATS＝9.41×10-3，AS＝1.9×10-4，AT＝1.863×10-2，δ＝8.28κ4/3uε-1/3+12.978κ2u3/2ε-1/2；
若在强海洋湍流信道中采用平面波传输，则将闪烁系数的表达式由式(2)变为以下式(7)：
将结构常数的表达式由式(4)变为以下式(8)：
进一步地，所述步骤S2具体包括：
步骤S21、采用DPSK调制器对水下无线光通信系统的输入信号进行调制，输入信号被DPSK调制器调制后驱动光源进行发光，且使光束以球面波或平面波在Gamma-Gamma分布的强海洋湍流信道中传输；
在传输的光速到达接收端时，通过一孔径直径为D、焦距为FG的薄高斯透镜进行接收，并在薄高斯透镜的焦点处放置一个光电检测器，且通过光电检测器将光信号转换成电信号；通过DPSK解调器将电信号解调成输出信号；
步骤S22、将光波在强海洋湍流中传输时的功率密度函数假设成Gamma-Gamma分布，此时，功率密度函数的表达式如式(9)：
在式(9)中，
表示光束在强海洋湍流中的平均光强，Km(x)表示第二类修正的贝塞尔函数，Γ(x)表示Gamma函数，α和β分别为描述光波闪烁的外尺度和内尺度参量，α、β与闪烁系数之间的关系如式(10a)和式(10b)：
步骤S23、对于采用DPSK调制的水下无线光通信系统，在强海洋湍流信道中传输的平均误码率表示为式(11)：
在式(11)中，ξ0＝ηATb/hf，η表示光电检测器的量子效率，A表示接收器的接收面积，Tb表示符号宽度，h表示普朗克常数，f表示频率；
通过以下恒等式(12)，得到平均误码率解析表达式之一，平均误码率解析表达式之一如式(13)：
在式(12)中，
表示Whittaker函数；
在式(13)中，
表示平均信噪比；
如果α和β均为非整数，则利用Kummer超几何函数将Whittaker函数表示成Whittaker M函数，此时得到平均误码率解析表达式之二，平均误码率解析表达式之二如式(14)：
在式(14)中，M(x)表示WhittakerM函数。
进一步地，所述光源为LED光源或者LD光源。
进一步地，在所述步骤S3中，所述影响因素至少包括调制方式、光束形状、孔径直径尺寸、湍流动能耗散率、温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值、均方温度耗散率以及运动粘度速率。
本发明具有如下优点：本发明方法通过研究调制方式、光束形状、孔径直径大小对系统平均误码率性能的改善作用，以及海洋湍流参数对系统平均误码率性能的影响，有效的综合了多种影响系统性能的因素，很好的揭示了提高UWOC系统性能的规律，可用于设计性能更优良的UWOC系统，即提升UWOC系统的性能。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明种提升强流流水下无线光通信性能的方法的执行流程图。
图2为本发明采用孔径接收的DPSK－UWOC系统的结构示意图。
图3为本发明中采用球面波传输，利用不同孔径直径D接收时，DPSK－UWOC系统的平均误码率(BER)随平均信噪比(SNR)的变化曲线图。
图4为本发明中DPSK调制和OOK调制的UWOC系统采用不同孔径直径D接收的平均误码率(BER)随平均信噪比(SNR)的变化曲线图。
图5为本发明中DPSK调制的UWOC系统采用平面波和球面波传输时，接收端利用不同孔径直径D接收时的平均误码率(BER)随平均信噪比(SNR)的变化曲线图。
图6为本发明中不同孔径直径D下的平均误码率(BER)随湍流动能耗散率ε的变化曲线图。
图7为本发明中不同孔径直径D下的平均误码率(BER)随均方温度耗散率χT的变化曲线图。
图8为本发明中不同孔径直径D下的平均误码率(BER)随动力粘度ν的变化曲线图
图9为本发明中不同孔径直径D下的平均误码率(BER)随温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值ω的变化曲线图。
具体实施方式
请参阅图1至图9所示，本发明一种提升强流流水下无线光通信性能的方法的较佳实施例，首先介绍一下本发明采用孔径接收的DPSK－UWOC系统的结构，请重点参照图2所示，整个DPSK－UWOC系统包括DPSK调制器、驱动器、光源、强海洋湍流信道、Gaussian透镜、光电检测器以及DPSK解调器；其中，所述DPSK调制器与所述驱动器相连接，所述驱动器与所述光源相连接；所述强海洋湍流信道设于所述光源的前端，所述Gaussian透镜设于所述强海洋湍流信道的前端；所述光电检测器设于所述Gaussian透镜的焦点处，所述DPSK解调器与所述光电检测器相连接。
所述方法包括如下步骤：
步骤S1、在强海洋湍流下，分别计算出平面波和球面波在孔径平均效应下的闪烁指数以及结构常数；
步骤S2、采用DPSK调制技术对水下无线光通信系统的输入信号进行调制，并通过Gamma-Gamma分布的强海洋湍流信道来传输调制后的信号；利用孔径接收技术来接收信号，并通过Whittaker函数得到外差式差分相移键控调制下的水下无线光通信系统的平均误码率解析表达式；
步骤S3、利用得到的平均误码率解析表达式，通过MATLAB软件比较分析不同影响因素下的平均误码率。
在本发明中，所述步骤S1具体为：
因在强海洋湍流中传播的光波将经历辐照度波动(称为闪烁)，利用修正的Rytov理论，将闪烁系数表示为式(1)：
在式(1)中，
和分别表示闪烁系数的大、小尺度部分；
若在强海洋湍流信道中采用球面波传输，到达接收端时被一孔径直径为D的透镜(即Gaussian透镜)接收，则闪烁系数
的大、小尺度部分由以下式(2)得到：
在式(2)中，
L表示传输距离；
在式(3)中，k＝2π/λ，λ为波长；结构常数
由以下式(4)得到：
其中：
在式(5)中，
表示光束传输的位置距离发送端的距离，该
的取值范围为[0，L]；κ表示空间频率幅度；i表示虚数；Φn(κ)表示功率谱；
在各向同性均匀湍流的海洋中，功率谱Φn(κ)由以下式(6)得到：
在式(6)中，χT表示均方温度耗散率，χT的取值范围可以从10-4K2/s到10-10K2/s；ε表示单位质量液体中的湍流动能耗散率，ε的数值可从10-1m2/s3变化到10-10m2/s3；ν表示动力粘度速率；ω表示温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值，该ω为无量纲参数，ω＝-5表示海洋湍流完全由温度引起，ω＝0表示海洋湍流完全由盐度引起；ATS＝9.41×10-3，AS＝1.9×10-4，AT＝1.863×10-2，δ＝8.28κ4/3uε-1/3+12.978κ2u3/2ε-1/2；
若在强海洋湍流信道中采用平面波传输，则将闪烁系数的表达式由式(2)变为以下式(7)：
将结构常数的表达式由式(4)变为以下式(8)：
在本发明中，所述步骤S2具体包括：
步骤S21、采用DPSK调制器对水下无线光通信系统的输入信号进行调制，输入信号被DPSK调制器调制后驱动光源进行发光，且使光束以球面波或平面波在Gamma-Gamma分布的强海洋湍流信道中传输；
在传输的光速到达接收端时，通过一孔径直径为D、焦距为FG的薄高斯透镜(即Gaussian透镜)进行接收，并在薄高斯透镜的焦点处放置一个光电检测器(photodetector，PD)，且通过光电检测器将光信号转换成电信号；通过DPSK解调器将电信号解调成输出信号；
步骤S22、将光波在强海洋湍流中传输时的功率密度函数(power densityfunction，PDF)假设成Gamma-Gamma分布，此时，功率密度函数的表达式如式(9)：
在式(9)中，
表示光束在强海洋湍流中的平均光强，Km(x)表示第二类修正的贝塞尔函数，Γ(x)表示Gamma函数，α和β分别为描述光波闪烁的外尺度和内尺度参量，α、β与闪烁系数之间的关系如式(10a)和式(10b)：
步骤S23、对于采用DPSK调制的水下无线光通信系统，在强海洋湍流信道中传输的平均误码率表示为式(11)：
在式(11)中，ξ0＝ηATb/hf，η表示光电检测器的量子效率，A表示接收器的接收面积，Tb表示符号宽度，h表示普朗克常数，f表示频率；
通过以下恒等式(12)，得到平均误码率解析表达式之一，平均误码率解析表达式之一如式(13)：
在式(12)中，表示Whittaker函数；
在式(13)中，
表示平均信噪比；
如果α和β均为非整数，则利用Kummer超几何函数将Whittaker函数表示成Whittaker M函数，此时得到平均误码率解析表达式之二，平均误码率解析表达式之二如式(14)：
在式(14)中，M(x)表示WhittakerM函数。
在本发明中，所述光源为LED光源或者LD光源。
在本发明中，在所述步骤S3中，所述影响因素至少包括调制方式、光束形状、孔径直径尺寸、湍流动能耗散率、温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值、均方温度耗散率以及运动粘度速率。基于此，所述步骤S3需要执行的操作包括：利用MATLAB软件将得到的平均误码率解析表达式(包括平均误码率解析表达式之一和平均误码率解析表达式之二)与数值解进行仿真验证，以确保本发明中所推导的平均误码率解析解的正确性；通过MATLAB软件仿真比较OOK调制和DPSK调制下的平均误码率；将不同光束形状、孔径直径尺寸、湍流动能耗散率、温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值、均方温度耗散率以及运动粘度速率代入到平均误码率解析表达式中，并通过MATLAB软件仿真得到这些各个参数对系统性能的影响。
也就是说，在本发明的技术方案中，理论结果是通过MATLAB进行解析计算的。首先，准确描述所推导的强湍流环境下DPSK调制的UWOC系统采用孔径接收时的平均误码率解析解公式；然后，比较数值解和解析解的平均误码率随平均信噪比的变化曲线；其次，在不同的孔径接收直径下对不同调制方式、不同光束形状的误码性能进行对比；最后，分别比较在不同的湍流动能耗散率、均方温度耗散率、动力粘度、温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值的系统误码性能。
请重点参照图3至图9所示，具体理论和仿真结果如下：
图3表示的是采用球面波传输，利用不同孔径直径D接收时，DPSK－UWOC系统的平均误码率(BER)随平均信噪比(SNR)的变化曲线图，在该图3中，“Num.”标志表示的是数值解，“Ana.”标志表示的是对应的解析解。从该图3可以看出：解析解的结果与数值解的结果相吻合，这也印证了本发明中所推导的平均误码率解析解的正确性。同时，通过图3还可以看出，在同样的平均信噪比(SNR)下，孔径直径D最大时所对应的平均误码率(BER)最低。
图4表示的是DPSK调制和OOK调制的UWOC系统采用不同孔径直径D接收的平均误码率(BER)随平均信噪比(SNR)的变化曲线图。从图4可以发现：在同样的孔径直径D和平均信噪比(SNR)下，采用DPSK调制有利于提高UWOC系统的性能。同样值得注意的是：采用孔径接收技术也有利于系统性能的提高。
图5表示的是DPSK调制的UWOC系统采用平面波和球面波传输时，接收端利用不同孔径直径D接收时的平均误码率(BER)随平均信噪比(SNR)的变化曲线图。从图5可以发现：当不采用孔径接收时，DPSK调制的UWOC系统采用球面波传输的平均误码率(BER)性能要好些，但是如果采用孔径接收，即D≠0时，采用平面波传输的平均误码率(BER)性能要更佳。
图6到图9分别表示的是不同孔径直径D下的平均误码率(BER)随湍流动能耗散率ε的变化曲线图、均方温度耗散率χT的变化曲线图、随动力粘度ν的变化曲线图以及温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值ω的变化曲线图。从图6到图9可以看出：当UWOC系统不采用孔径接收时，在同一条件下，采用球面波的接收性能会更好一些。但是，如果UWOC系统采用孔径接收，则采用平面波还是球面波会更好一些还取决于湍流条件，即在同一调制方式、光束形状和接收孔径直径D下，海水的湍流变化会导致系统性能的变化。例如，从图6可以看出：在同一条件下，UWOC系统的平均误码率(BER)随湍流动能耗散率ε先增加后减小。从图7可以看出：均方温度耗散率χT越大，平均误码率(BER)性能越差。从图8可以看出：平均误码率(BER)随随动力粘度ν先缓慢降低而后急剧下降。从图9可以看出：平均误码率(BER)随温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值ω先增加而后急剧下降。综上可知，想要得到较佳的UWOC系统性能，还必须选择合适的湍流环境。
综上所述，本发明具有如下优点：本发明方法通过研究调制方式、光束形状、孔径直径大小对系统平均误码率性能的改善作用，以及海洋湍流参数对系统平均误码率性能的影响，有效的综合了多种影响系统性能的因素，很好的揭示了提高UWOC系统性能的规律，可用于设计性能更优良的UWOC系统，即提升UWOC系统的性能。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (5)
1.一种提升强流流水下无线光通信性能的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤S1、在强海洋湍流下，分别计算出平面波和球面波在孔径平均效应下的闪烁指数以及结构常数；
步骤S2、采用DPSK调制技术对水下无线光通信系统的输入信号进行调制，并通过Gamma-Gamma分布的强海洋湍流信道来传输调制后的信号；利用孔径接收技术来接收信号，并通过Whittaker函数得到外差式差分相移键控调制下的水下无线光通信系统的平均误码率解析表达式；
步骤S3、利用得到的平均误码率解析表达式，通过MATLAB软件比较分析不同影响因素下的平均误码率。
2.根据权利要求1所述的一种提升强流流水下无线光通信性能的方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：
因在强海洋湍流中传播的光波将经历辐照度波动，利用修正的Rytov理论，将闪烁系数表示为式(1)：
在式(1)中，
和
分别表示闪烁系数的大、小尺度部分；
若在强海洋湍流信道中采用球面波传输，则闪烁系数
的大、小尺度部分由以下式(2)得到：
在式(2)中，
L表示传输距离；
在式(3)中，k＝2π/λ，λ为波长；结构常数
由以下式(4)得到：
其中：
在式(5)中，
表示光束传输的位置距离发送端的距离；κ表示空间频率幅度；i表示虚数；
功率谱Φn(κ)由以下式(6)得到：
在式(6)中，χT表示均方温度耗散率；ε表示单位质量液体中的湍流动能耗散率；ν表示动力粘度速率；ω表示温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值；ATS＝9.41×10-3，AS＝1.9×10-4，AT＝1.863×10-2，δ＝8.28κ4/3uε-1/3+12.978κ2u3/2ε-1/2；
若在强海洋湍流信道中采用平面波传输，则将闪烁系数的表达式由式(2)变为以下式(7)：
将结构常数的表达式由式(4)变为以下式(8)：
3.根据权利要求1所述的一种提升强流流水下无线光通信性能的方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括：
步骤S21、采用DPSK调制器对水下无线光通信系统的输入信号进行调制，输入信号被DPSK调制器调制后驱动光源进行发光，且使光束以球面波或平面波在Gamma-Gamma分布的强海洋湍流信道中传输；
在传输的光速到达接收端时，通过一孔径直径为D、焦距为FG的薄高斯透镜进行接收，并在薄高斯透镜的焦点处放置一个光电检测器，且通过光电检测器将光信号转换成电信号；通过DPSK解调器将电信号解调成输出信号；
步骤S22、将光波在强海洋湍流中传输时的功率密度函数假设成Gamma-Gamma分布，此时，功率密度函数的表达式如式(9)：
在式(9)中，
表示光束在强海洋湍流中的平均光强，Km(x)表示第二类修正的贝塞尔函数，Γ(x)表示Gamma函数，α和β分别为描述光波闪烁的外尺度和内尺度参量，α、β与闪烁系数之间的关系如式(10a)和式(10b)：
步骤S23、对于采用DPSK调制的水下无线光通信系统，在强海洋湍流信道中传输的平均误码率表示为式(11)：
在式(11)中，ξ0＝ηATb/hf，η表示光电检测器的量子效率，A表示接收器的接收面积，Tb表示符号宽度，h表示普朗克常数，f表示频率；
通过以下恒等式(12)，得到平均误码率解析表达式之一，平均误码率解析表达式之一如式(13)：
在式(12)中，
表示Whittaker函数；
在式(13)中，表示平均信噪比；
如果α和β均为非整数，则利用Kummer超几何函数将Whittaker函数表示成Whittaker M函数，此时得到平均误码率解析表达式之二，平均误码率解析表达式之二如式(14)：
在式(14)中，M(x)表示Whittaker M函数。
4.根据权利要求3所述的一种提升强流流水下无线光通信性能的方法，其特征在于：所述光源为LED光源或者LD光源。
5.根据权利要求1所述的一种提升强流流水下无线光通信性能的方法，其特征在于：在所述步骤S3中，所述影响因素至少包括调制方式、光束形状、孔径直径尺寸、湍流动能耗散率、温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值、均方温度耗散率以及运动粘度速率。
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