CN112636821B - 水下无线光通信光信道仿真方法及仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下无线光通信光信道仿真方法及仿真系统，方法包括步骤：选择待模拟的光源类型，产生光脉冲，定义光子的初始位置和当前的方向余弦；并根据不同的水质类型定义不同的水质参数；随机选择光程、散射角和方位角等，更新光子权重，模拟光子在所选水质条件下的信道传输；在接收器端对检测过的光子进行标记和计数。本发明能够解决水下光场数据难以采集测试、水下光通信系统的整体系统设计验证困难的问题，为设计人员提供系统仿真工具，充分考虑水下光通信系统的各种参数，可根据实际项目需求更改参数，满足工程设计要求。

Description

水下无线光通信光信道仿真方法及仿真系统

技术领域

本发明属于水下无线光通信技术领域，具体涉及一种水下无线光通信光信道仿真方法及仿真系统。

背景技术

为了满足快速增长的水下人类活动，对高传输速率，大带宽的水下数据通信链路的需求不断增长。水下无线光通信以其信道容量大、抗干扰能力强、安全性高、器件尺寸小等优势为水下通信带来了新的解决办法。相比于射频和水声通信，水下无线光通信是一种新兴的高带宽、低时延和高传输速率的技术，国内外研究人员都对水下无线光通信产生了很大兴趣，进行了科学、环境和商业等方面的研究。

水下无线通信所面对的问题是在水信下道环境中水对光所造成的吸收损耗，光的散射，以及湍流和气泡等。在设计制备水下光通信系统时，需重点观测水下信道特性，才能设计出符合特定需求的通信设备。但是由于水下环境的复杂和不确定中，实际测试和构建水下系统都是十分困难的。人力成本高：需要较高的技术要求；时间成本高：需要长时间多次测量；资金成本高，海洋探测仪器昂贵，测试条件花费高昂，尤其是深海领域。即使测量到数据，也会随着海洋湍流等因素的变化与实际情况不符合。

发明内容

技术目的：针对上述技术问题，本发明提出了一种水下无线光通信光信道仿真方法及仿真系统，能够解决水下光场数据难以采集测试、水下光通信系统的整体系统设计验证困难的问题，有助于水下光通信系统设计人员更好的设计实际系统，节约了成本，提高了效率。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种水下无线光通信光信道仿真方法，其特征在于，包括步骤：

S1、产生光脉冲：选择待模拟的光源类型，产生光脉冲，定义光子的初始位置和当前的方向余弦；并根据不同的水质类型定义不同的水质参数，水质参数包括水衰减系数c和反照率ω₀，然后选择本次仿真的水质类型；

S2、模拟光子在所选水质条件下的信道传输：

S2.1、选择光子包，根据水质参数计算光子下一步的光程即传输距离l、结合光子当前的方向余弦，计算得到新的光子位置信息；

对光子的方向余弦进行更新，进一步更新光子移动后的位置信息；

光子沿不断更新的位置信息进行传输，在传输路径的起始段设置第一光子检测位，用于对光子的能量进行调整，如果调整后的光子能量小于预期阈值，光子继续传输，否则将此光子的状态记为终止状态；

S2.2、在传输路径的后端设置第二光子检测位，用于对光子的传输状态进行检测，如果光子沿预设方向和范围传输，则进入下一步；否则返回步骤S2.1，重新执行；

S3：接收器模拟光子接收：在接收器端设置第三光子检测位，用于检测光子是否传输到接收器且满足接收器的参数条件，并对检测过的光子进行标记和计数。

优选地，还包括步骤S4、显示水下光通信光子传输的模拟结果：

以图形界面的方式，显示不同模拟条件下，接收器的光子分布情况、系统的脉冲响应图和系统的频率响应图。

优选地，所述步骤S1中，根据与光源类型对应的分布函数，由光发射模拟器产生光脉冲，定义光子的初始位置(x₀，y₀，z₀)和光子当前的方向余弦(μ_x，μ_y，μ_z)，光子当前的方向余弦定义为单位矢量在传播方向上投影在x，y和z轴上的单位余弦。

优选地，所述步骤S2.1中，确定光子下一步的传输距离l的公式如下：

其中，c为衰减系数，R为在[0，1]之间均匀分布的随机数；

所述步骤S2.2中，选择Fouriner-Forand体积散射函数作为模拟水质的函数，根据散射体积函数计算得到散射角度θ：

其中，R为[0，1]上的随机数，θ′为被选择的散射角，

为体积散射函数；

根据传输距离l和光子当前的方向余弦(μ_x，μ_y，μ_z)确定光子步长(x_step，y_step，z_step)，即(lμ_x，lμ_y，lμ_z)。

优选地，所述步骤S2.1中，对光子的方向余弦进行更新的计算公式如下：

其中，θ′表示新的散射角度、φ′表示新的方向角，(μ′_x，μ′_y，μ′_z)表示新的方向余弦，φ′表示新的方向角，方向角为[0，2π]上均匀分布的随机数；

根据传输距离l和新的方向余弦(μ′_x，μ′_y，μ′_z)确定新的光子位置(x′，y′，z′)。

优选地，所述步骤S2.1中，对光子的能量进行调整的计算公式如下：

w_n+1＝w_nω₀ (4)

其中，w_n为当前的光子权重，w_n+1为新的光子权重，ω₀为反照率。

优选地，所述步骤S3中，检测光子是否满足能够到达接收器并为接收器所接收的条件，光子的坐标记为(x，y，z)，包括步骤：

S3.1、当光子包中z坐标大于光接收器的位置时，光子传输到接收器；根据光子包中的(x，y)坐标值判断是否位于接收器孔径内，若在接收孔径内，将光子标记值记为1，表示已接收；若不在接收器内，将光子标记值记为-1，表示未接收；

S3.2、判断光子的极角是否在接收器的视场角内；

S3.2、计算接收光子能量的均值和方差：

将接收器中的总光子能量取平均值，获得每个接收器的平均光子能量，且将未接收的光子能量求其平均值，用来得到归一化的强度值；平均权重由以下公式计算：

其中，

为接收器中的平均光子功率，w_i为第i个接收光子的能量大小，N_tot为总传输光子数，N_rx为接收到的光子数；此时未被接收的光子能量视为0；

通过路径权重对每个元素进行加权，了解接收器的统计特性，使用下面的公式进行计算：

使用以下方程组迭代计算样本和总体的方差：

其中x_n表示新的样本，

表示样本的均值。

优选地，所述步骤S1中光源类型包括点扩散光束、高斯光束和改进的Lambertian光束。

本发明还公开了一种水下无线光通信光信道仿真系统，用于实施所述方法，其特征在于，包括：

光发射模拟器，内置一种以上类型的光源，用于产生光脉冲，定义光子的初始位置和当前的方向余弦；

水光场情况模拟处理器，用于根据不同的水质类型定义不同的水质参数，水质参数包括水衰减系数c和反照率ω₀；选择每次仿真的水质类型；用于模拟光子在所选水质条件下的信道传输；

光接收模拟器，用于模拟光子接收，并统计光子的接收情况；

水下无线光通信系统模拟App，包括图形用户界面，用于配置测试参数、执行测试和显示测试结果。

优选地，所述水下无线光通信系统模拟App，包括在显示屏上显示的仿真条件输入列表框、仿真结果显示窗口和开始按钮，其中，仿真条件输入列表框包括仿真光子个数输入框、通信距离输入框、接收器的视场角输入框、接收器的孔径大小输入框和水质类型选择框；

仿真结果显示窗口用于当用户在仿真条件输入列表框中输入参数并点击开始按钮后，显示仿真结果图，包括接收器的光子分布情况图、系统的脉冲响应图和系统的频率响应图。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明具有如下技术效果：

本发明提出的一种水下无线光通信光信道仿真方法及仿真系统，能够解决水下光场数据难以采集测试、水下光通信系统的整体系统设计验证困难的问题，能够更好的为水下无线光通信系统设计人员提供系统仿真工具，充分考虑水下光通信系统的各种参数，可根据实际项目需求更改参数，满足工程设计要求，且操作简单易上手。

附图说明

图1为本发明水下无线光通信中光脉冲在信道中传输的仿真方法的流程图；

图2为仿真模拟发射的高斯光源；

图3为光子及方向余弦在坐标系中的示意图；

图4为确定光子下一步的光程的示意图；

图5为目前常用的散射函数的比较的示意图；

图6为接收器的孔径大小和视场关系的示意图；

图7为水下通信光脉冲仿真APP的界面示例图；

图8为使用图7所示APP仿真后显示的结果图；

图9为清澈海水-接收功率与距离折线图一；

图10为清澈海水-接收功率与距离折线图二；

图11为清澈海水-接收功率与距离折线图三。

具体实施方式

如图1所示，本发明的目的在于为水下无线光通信系统设计人员提供系统仿真工具。重点研究水下水下自由空间光通信系统的设计和开发，并给出各种系统的实验，理论和模拟性能结果。具体来说，讨论并验证用于通信的水下光场的数值模拟。其次，对各种通信场景进行了仿真分析。第三，讨论了构建水下光通信系统的设计考虑，并开发了理论上的链路预算以帮助设计。

本发明所采用的技术方案是：

一种水下无线光通信光信道仿真的工具，包括光发射模拟器，不同类型水光场情况模拟处理器，光接收模拟器，水下无线光通信系统模拟App。

具体按照以下步骤实施：

步骤1、利用光发射模拟器产生光脉冲和光子的初始信息：

步骤1.1、产生光脉冲，根据需求产生不同的光脉冲，本发明内置了三种类型光源，包括点扩散光束，高斯光束，改进的Lambertian光束。使用者也可根据自己的光源需求进行修改，例如，要模拟发射光脉冲为高斯光束，只需通过选择初始光子位置匹配高斯分布来实现，图2为仿真模拟的高斯光源：

p(r)＝exp(-r²)/(2σ²)

其中，p(r)是光子距光束中心的距离r的概率，σ是光束的标准偏差(或光束宽度)。在这种情况下，光束沿光束半径均匀分布，并定义光子的坐标x，y：

x₀＝rcos(φ)

y₀＝rcos(φ)

其中，φ是位于区间[0，2π]的随机数。类似于LED的漫射点源，可以使用制造商的数据表或测量值类似地进行定义。∈

步骤1.2、定义光子包的初始信息：

如图3所示，每个光子包括光子的坐标(x，y，z)、单位矢量在传播方向上投影在x，y和z轴上的方向余弦(μ_x，μ_y，μ_z)，方向余弦确定光子的传输方向，根据方向余弦重新更新计算光子位置；

步骤1.3、环境定义：

根据不同类型水质定义了不同的水衰减系数c，反照率：ω＝b/c，使用者只需要根据需求在面板中选择水质情况即可。

步骤2、光子传输：

步骤2.1、光子选择光程：

发射模拟器产生的光子在水信道中传输，首先需要确定光子下一步的光程，如图4所示，即传输距离l：

其中，c为衰减系数，R为在[0，1]之间均匀分布的随机数。

步骤2.2、调整光子包能量：光子在经历每次散射后，能量会造成损失，如图4所示能量更迭为：

w_n+1＝w_nω₀

其中，w_n+1为新的光子权重，w_n为之前的光子权重，ω₀为反照率。

步骤2.3、确定散射角度：

在水下环境中，光子并非严格按照直线传播，光子会和水分子、气泡、浮游动植物、可溶性物质等发生碰撞，从而导致光子散射，使光子沿着不同的方向传播。在选择合适的距离移动后，为光子选择一个新的方向角，步骤2.3通过散射体积函数确立散射角度，改变光子包的传播方向，达到模拟水下信道光散射的效果。

体积散射函数选择Fouriner-Forand体积散射函数(FF函数)，很多文献中表明FF函数与实际水测量值很好地吻合。FF模型是基于Van de Hulst的反常衍射近似作为解析相位函数。尽管它仍然是一个相对简单的两个参数的方程FF相函数假设天然水中的颗粒分布遵循双曲线分布，实践验证是合适的。但其缺点是数学表达式复杂，反函数没有解析形式。图5为目前常用的散射函数的比较，其中包括Henyey-Greenstein体积散射函数、Fouriner-Forand体积散射函数等。

通过以下方程从VSF(Volume Scattering Function体积散射函数)中选择散射角：

其中，R为[0，1]上的随机数，θ′为被选择的散射角，

为体积散射函数。这个方程取决于VSF的累积分布函数。

步骤2.4、更新光子包位置信息：

经过步骤2.1随机选择传输距离和步骤2.3选择散射角后，本发明就可以确定新的光子位置，则光子的新位置坐标为：

x′＝lμ_x

y′＝lμ_y

z′＝lμ_z

其中，l是随机选择的传播方向，μ_x，μ_y，μ_z是的方向余弦，方向余弦给出光子当前的运动方向，是根据散射角θ和方向角φ给出，由以下方程计算得到，

其中，μ′_x，μ′_y，μ′_z为新的方向余弦，θ′为经过体积散射函数计算后得到的新的散射角，φ′为新的方向角，它为[0，2π]上均匀分布的随机数。

步骤3、光接收模拟器：

光接收模拟器包括光接收器的位置，视场和孔径大小。如图4所示。用户可以根据自己接收器的实际情况自行改变参数，实现项目的需求。

步骤3.1、光子的接收：

光子传输到接收器时，即光子沿z轴传输后，到达接收器时，光子包中z坐标大于光接收器的位置，首先根据光子包中的(x，y)坐标值判断是否位于接收器孔径内，本发明允许仿真任意大小的接收孔径。若在接收孔径内，将光子标记值记为1(表示已接收)；若不在接收器内，将光子标记值记为-1(表示未接收)。

第二步判断光子的极角是否在接收器的视场角内。视场角的大小可以是定义为1°～180°之间，可以实现从小范围到大范围的仿真。如图6所示接收器的孔径大小和视场关系的示意图。

步骤3.2、光子包的统计值计算：

在接收到光子后，本发明要进行数据的处理，为了加快计算速率，减少模拟的内存需求，采用在线的方法计算接收光子能量的均值和方差，这是与仿真同步进行的。这就避免了为了确定统计信息而保存大量的数据的问题，使得仿真速率提高。

均值计算：将接收器中的总光子能量取平均值，获得每个接收器的平均光子能量，并且将未接收的光子能量求其平均值，用来得到归一化的强度值。则，平均权重由以下公式计算：

式中，

为接收器中的平均光子功率，w_i为第i个接收光子的能量大小，N_tot为总传输光子数，N_rx为接收到的光子数。此时，未被接收的光子能量视为0。i从1开始一直循环到最后一个接收到的光子，每一个接收到的光子都要进行以上条件的筛选。

加权均值计算：为了了解接收器的某些统计特性(例如到达角度)时，需要通过路径权重对每个元素进行加权。这时本发明想要在线计算加权平均值。本发明使用下面的公式进行计算：

方差的计算：使用在线的方法计算方差，减少了处理数据的次数。不需要一次获得平均值，一次计算均值的变化。获得一个新的样本x_n，样本的均值表示为

使用以下方程组迭代计算样本和总体的方差：

步骤4、水下通信光脉冲仿真APP创建和使用：

为了满足水下无线光通信设计人员对仿真软件的需求，方便他们操作体验，更好的便捷的完成设计验证，而不是读懂仿真代码后修改参数进行验证，设计制作了一款水下无线光通信光脉冲仿真APP，使用图形化界面，简单明了，便于操作。图形化界面如图7所示：

设计人员可以根据项目需求，在APP中输入仿真光子个数、通信距离、接收器的视场角、孔径大小的参数。可以选择水质情况，APP中内置了三种水质情况，分别为：清澈海水

c＝0.15m^-1；沿海水

c＝0.4m^-1；海港水

c＝1.1m^-1。设计人员只需要选择不同的参数即可获得仿真结果。APP中还包括边界的选定，可以选择是否存在边界。点选后程序会运行包括边界的计算结果。

设定完初始参数后，点击开始程序就进行运算，结果展示为三幅图，如图7-8所示，包括：接收器的光子分布情况，系统的脉冲响应和系统的频率响应。程序结束时，10⁵个光子全部结束传输，即所有光子都要到达接收器，在接收器端有一个判断的过程，判断光子是否满足条件，满足则把光子权重加到总接收功率上。

步骤5、结果展示：

本发明通过绘制在不同情况下的接收功率与距离的折线图，用来验证数据的正确性。

图9-11：清澈海水-接收功率与距离折线图。图中不同折线表示不同接收器视场角，模拟了4°、8°、15°、45°、90°、180°的接收器视场角。

从图9-11中可以看出，仿真产生的接收损耗总体大于Beer’s Law，这是由于光束扩展增加了几何损耗。链路工作距离大，且模拟的光束发散角是1.5mrad，因此在长距离传输中的光斑尺寸会非常大。长距离的大尺寸光束既有好处也有坏处：好处是功率分布在较大的区域上，指向性损失减小；但会造成功率损失。传输较大距离时，需要指向性精度很高才能保证发射波束在接收器平面的位置精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种水下无线光通信光信道仿真方法，其特征在于，包括步骤：

S1、产生光脉冲：选择待模拟的光源类型，产生光脉冲，定义光子的初始位置和当前的方向余弦；并根据不同的水质类型定义不同的水质参数，水质参数包括水衰减系数c和反照率ω₀，然后选择本次仿真的水质类型；

根据与光源类型对应的分布函数，由光发射模拟器产生光脉冲，定义光子的初始位置(x₀，y₀，z₀)和光子当前的方向余弦(μ_x,μ_y,μ_z)，光子当前的方向余弦定义为单位矢量在传播方向上投影在x，y和z轴上的单位余弦；

S2、模拟光子在所选水质条件下的信道传输：

S2.1、选择光子包，根据水质参数计算光子下一步的光程即传输距离l、结合光子当前的方向余弦，计算得到光子步长；确定光子下一步的传输距离l的公式如下：

其中，c为衰减系数，R为在[0,1]之间均匀分布的随机数；

根据传输距离l和光子当前的方向余弦(μ_x,μ_y,μ_z)确定光子步长(x_step,y_step,z_step)，即(lμ_x，lμ_y，lμ_z)；

对光子的方向余弦进行更新，更新光子移动后的位置信息；对光子的方向余弦进行更新的计算公式如下：

其中，θ′表示新的散射角度、φ′表示新的方向角，(μ′_x，μ′_y，μ′_z)表示新的方向余弦，φ′表示新的方向角，方向角为[0,2π]上均匀分布的随机数；

根据传输距离l和新的方向余弦(μ′_x，μ′_y，μ′_z)确定新的光子位置(x′，y′，z′)；

光子沿不断更新的位置信息进行传输，在传输路径的起始段设置第一光子检测位，用于对光子的能量进行调整，如果调整后的光子能量小于预期阈值，光子继续传输，否则将此光子的状态记为终止状态；对光子的能量进行调整的计算公式如下：

w_n+1＝w_nω₀ (4)

其中，w_n为当前的光子权重，w_n+1为新的光子权重，ω₀为反照率；

S2.2、在传输路径的后端设置第二光子检测位，用于对光子的传输状态进行检测，如果光子沿预设方向和范围传输，则进入下一步；否则返回步骤S2.1，重新执行；

S3：接收器模拟光子接收：在接收器端设置第三光子检测位，用于检测光子是否传输到接收器且满足接收器的参数条件，并对检测过的光子进行标记和计数；光子的坐标记为(x,y，z)，包括步骤：

S3.1、当光子包中z坐标大于光接收器的位置时，光子传输到接收器；根据光子包中的(x,y)坐标值判断是否位于接收器孔径内，若在接收孔径内，将光子标记值记为1，表示已接收；若不在接收器内，将光子标记值记为-1，表示未接收；

S3.2、判断光子的极角是否在接收器的视场角内

计算接收光子能量的均值和方差。

2.根据权利要求1所述的水下无线光通信光信道仿真方法，其特征在于，还包括步骤S4、显示水下光通信光子传输的模拟结果：

以图形界面的方式，显示不同模拟条件下，接收器的光子分布情况、系统的脉冲响应图和系统的频率响应图。

3.根据权利要求1所述的水下无线光通信光信道仿真方法，其特征在于，所述步骤S2.1中，选择Fouriner-Forand体积散射函数作为模拟水质的函数，根据散射体积函数计算得到散射角度θ：

其中，R为[0,1]上的随机数，θ′为被选择的散射角，

为体积散射函数。

4.根据权利要求1所述的水下无线光通信光信道仿真方法，其特征在于，所述步骤S3.2中，将接收器中的总光子能量取平均值，获得每个接收器的平均光子能量，且将未接收的光子能量求其平均值，用来得到归一化的强度值；平均权重由以下公式计算：

其中，

为接收器中的平均光子功率，w_i为第i个接收光子的能量大小，N_tot为总传输光子数，N_rx为接收到的光子数；此时未被接收的光子能量视为0；

通过路径权重对每个元素进行加权，了解接收器的统计特性，使用下面的公式进行计算：

使用以下方程组迭代计算样本和总体的方差：

其中x_n表示新的样本，

表示样本的均值。

5.根据权利要求1所述的水下无线光通信光信道仿真方法，其特征在于，所述步骤S1中光源类型包括点扩散光束、高斯光束和改进的Lambertian光束。

6.一种水下无线光通信光信道仿真系统，用于实施权利要求1-5任一所述方法，其特征在于，包括：

光发射模拟器，内置一种以上类型的光源，用于产生光脉冲，定义光子的初始位置和当前的方向余弦；

水光场情况模拟处理器，用于根据不同的水质类型定义不同的水质参数，水质参数包括水衰减系数c和反照率ω₀；选择每次仿真的水质类型；用于模拟光子在所选水质条件下的信道传输；

光接收模拟器，用于模拟光子接收，并统计光子的接收情况；

水下无线光通信系统模拟App，包括图形用户界面，用于配置测试参数、执行测试和显示测试结果。

7.根据权利要求6所述的水下无线光通信光信道仿真系统，其特征在于：所述水下无线光通信系统模拟App，包括在显示屏上显示的仿真条件输入列表框、仿真结果显示窗口和开始按钮，其中，仿真条件输入列表框包括仿真光子个数输入框、通信距离输入框、接收器的视场角输入框、接收器的孔径大小输入框和水质类型选择框；

仿真结果显示窗口用于当用户在仿真条件输入列表框中输入参数并点击开始按钮后，显示仿真结果图，包括接收器的光子分布情况图、系统的脉冲响应图和系统的频率响应图。

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