CN112821959A - 海洋湍流条件下基于pov光的模分调制和复用通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋湍流条件下基于POV光的模分调制和复用通信方法，基于ABCD光学系统，建立类POV光在自由空间中的衍射模型，得到POV光的远场分布表达式；进而得到经海洋湍流扰动的OAM探测概率谱的数学表达式；选定适合于湍流海洋无线光通信的POV光的波参数；择选适合于模拟POV光在多层相位屏中传输的相位功率谱函数和相位屏间隔；计算POV光的瞬时衰减和转移因子；构建基于POV光的模分调制和信道复用通信模型。该方法将POV光应用于受限于海洋湍流的基于模分调制和信道复用技术的UWOC系统，对比基于传统涡旋光的UWOC通信系统具有优越的通信性能。

Description

海洋湍流条件下基于POV光的模分调制和复用通信方法

技术领域

本发明属于水下无线光通信技术领域，具体为一种在海洋湍流作用下，采用光束半径恒定的POV光束，进行模分调制和信道复用通信的方法。

背景技术

水下无线光通信(Underwater Wireless Optical Communication，UWOC)，是以激光为载波，以海水为传输介质实现双向通信的新型视距传输通信技术。由于其频带宽，传输速度高，抗干扰能力强，保密性强以及体积小等优点而具有实现高速大容量通信的潜力。同时，轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)是涡旋光子的一种属性，为光波承载信息提供了一个不同于幅度、相位、频率和载波的新自由度，可以进一步提高UWOC链路中的通信系统容量。然而，当携带OAM的涡旋光经过海洋，它的波前相位将受损于海洋湍流中的折射率变动，从而影响基于OAM的UWOC系统性能。为了克服这一障碍，科研人员从OAM探测概率的角度入手，研究了多种光源对海洋湍流引起的性能衰退的抗性。如部分相干拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian，LG)光、贝塞尔高斯(Bessel-Gaussian，BG)光、厄密特高斯光和洛梅尔高斯光等。这些光束均有一个典型特点：光束半径随着拓扑荷(topological charge，TC)的变化而变化。这一性质将对涡旋光在通信中的应用造成诸多限制，而半径恒定的完美涡旋光(perfect optical vortex，POV)的提出解决了这个难题。

进来年，人们展开了许多针对POV光在自由空间和大气湍流中的研究。其中，Zhu等用POV光作为载波，结合正交频分复用技术，传输了16进制的正交振幅调制信号。后续工作中，他们将单载波扩展为2条链路，实验验证了POV在OAM复用(OAM divisionmultiplexing，OAMDM)通信中的可行性。Li等提出了基于POV光的2维OAM键控调制(OAMshift keying，OAMSK)方案，验证了POV在调制通信中的可行性。关于POV光在海洋湍流中研究较少，Karahroudi等在2018年使用POV光作为载波在水缸中传输开关调制信号，实验验证了POV光在水中传输的可行性。

目前的问题在于：基于POV光的海洋无线通信系统，例如模分的OAMDM和OAMSK，尚未见报道。因此，海洋湍流条件下，基于POV光的模分调制和信道复用的通信研究实属当前十分重要的研究方向。

发明内容

本发明的目的在于建立POV光在湍流影响下的海水中的传播模型，并基于该模型，分析光学参数对OAM探测概率谱的影响，择选适合于POV在海洋湍流中传输的波参数，进而计算POV光的瞬时衰减和转移因子，并代入到受限于海洋湍流的UWOC通信系统中，构建适用于POV光的模分调制和信道复用的通信方法。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

基于POV光的模分调制与复用的海洋无线光通信系统方法，包括下述步骤：

1)基于ABCD光学系统，建立类POV光在自由空间中的衍射模型，得到POV光的远场分布表达式；

2)根据POV光的远场分布表达式，得到经海洋湍流扰动的OAM探测概率谱的数学表达式；根据OAM探测概率谱的计算结果，选定适合于湍流海洋无线光通信的POV光的波参数；

3)根据归一化闪烁指数和POV光的波参数，择选适合于模拟POV光在多层相位屏中传输的相位功率谱函数和相位屏间隔；根据选定得相位功率谱函数和相位屏间隔，基于反向离散傅里叶变换和蒙特卡洛方法，计算POV光的瞬时衰减和转移因子；

4)根据POV光的瞬时衰减和转移因子，构建基于POV光的模分调制和信道复用通信模型。

上述技术方案中，本发明还有进一步限定的方案：

进一步，所述步骤1)中，给出BG光经过傅里叶棱镜生成的POV光的源平面光场形式，得到POV光的远场分布表达式。

进一步，所述步骤2)中，根据POV光的远场分布表达式，得到经海洋湍流扰动的OAM探测概率谱的数学表达式，通过下述步骤给出：

2a)给出在海洋湍流的影响下，发送TC为m的POV光，接收机接收到的TC为n的POV光的强度；

2b)求解应用于UWOC系统的POV光所受的湍流扰动；

2c)由步骤2a)中得到TC为的n的接收光强和2b)得到UWOC中POV光所受的湍流扰动，得到POV光的OAM探测概率谱；

进一步，所述步骤3)中，择选适合于模拟POV光在多层相位屏中传输的相位功率谱函数和相位屏间隔，以及基于IFFT和蒙特卡洛方法计算POV光的瞬时衰减和转移因子的方法，通过以下步骤实现：

3a)给出准直的POV光经过z米X层的海洋湍流相位屏的闪烁指数；

3b)给出准直的POV光经过z米的海洋湍流的闪烁指数；

3c)给出平面波光经过z米的海洋湍流的闪烁指数；

3d)分别给出准直的POV光经过海洋相位屏和海洋湍流的归一化闪烁指数；

3e)分析POV光经过海洋湍流的归一化闪烁指数，得到POV光在多层相位屏中传输的相位功率谱形式；

3f)分析POV光经过海洋湍流相位屏的归一化闪烁指数，得到相位屏间隔取值；

3g)基于3e)和3f)的选择的相位功率谱密度和相位屏间隔，通过IFFT方法模拟海洋湍流相位屏；

3h)通过蒙特卡洛方法模拟准直的POV在仿真的海洋湍流中传输的过程，求得POV光的瞬时衰减因子和转移因子。

进一步，所述步骤4)中，根据POV光的瞬时衰减因子和转移因子，给出OAMSK-UWOC和OAMDM-UWOC系统的接收信号形式，考虑POV光束的半径独立于TC的特点，构建基于POV光的模分调制和信道复用模型。

本发明具有以下优点：

本发明首先提出了POV光在海洋湍流信道中的OAM探测概率、OAM衰减和串扰因子计算模型，且利用该模型测试POV的光波参数对海洋湍流导致的光束性能下降的敏感程度和抗性，择选适合基于POV光的UWOC的参数。进而，根据POV光的特点，引入了模分调制和信道复用原理，构建了海洋湍流环境下，基于POV光的OAMSK和OAMDM通信系统。

附图说明

图1给出了POV光的光场分布与TC的关系以及与LG光对比示意图；

图2给出了POV光束在海洋湍流中传输以及湍流扰动引起的模式扩散现象的示意图；

图3(a)和图3(b)分别给出了在相同的海洋信道条件下，POV光束半径、波长和TC对OAM探测概率谱中的平均OAM衰减因子的影响；

图4给出了在两个海洋湍流信道中，POV光的TC对OAM探测概率谱中的平均OAM衰减因子和串扰因子的影响；

图5(a)和图5(b)分别给出了基于POV光束采用OAMSK和OAMDM方案的UWOC系统示意图；

图6给出了四进制和八进制调制阶数下，基于POV光和LG光束的OAMSK系统的误码率；

图7给出了复用信道分别为4信道和8信道时，基于POV光和LG光束的OAMDM系统的误码率。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明。本实施例仅表示对本发明的原理性说明，不代表对本发明的任何限制。

本发明的海洋湍流环境下基于POV光的模分调制和复用通信方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1，基于ABCD光学系统，建立类POV光在自由空间中的衍射模型，得到POV光的远场分布表达式。

1a)给出BG光生成的POV光束的源平面光场分布：

其中，BG光束经过傅里叶棱镜生成的POV光的形式为：

其中，I_m(·)为m阶的修正贝塞尔函数，m为发送拓扑荷数，z为传输距离，ρ为极径，θ为极角，i为虚数单位，ω_g为控制BG光的高斯光束半径，R为POV光束半径，T为POV光圈厚度。

POV光的半径/厚度比μ可以表示为：

μ＝2R/T (2)

公式(1)仅仅给出了POV光在源平面的光场分布，以下推导求得POV在观察屏幕的分布：

1b)得到POV光的远场分布表达式：

根据柯林斯衍射积分，POV光在远场分布可表示为：

其中，A，B和D为ABCD系统的传输矩阵的无量纲参数，k为POV光的波数,ρ₁为极径，θ₁为极角。通过两个积分公式：

和

其中，ρ₁为极径，θ₁为极角，J_m(·)为m阶的贝塞尔函数，J_v(·)为v阶的贝塞尔函数，a代表积分公式中实数部分大于0的参数，b和c代表积分公式中的实参数。

远场POV光可表示为

POV_m(ρ,θ,z)∝F_m(ρ,z)exp(imθ) (6)

和

式中，F_m(ρ,z)是POV光束的径向函数，A、B和D代表ABCD光学系统中的无量纲参数，有

步骤2，根据POV光的远场分布表达式，得到经海洋湍流扰动的OAM探测概率谱的数学表达式；根据OAM探测概率谱的计算结果，选定适合于湍流海洋无线光通信的POV光的波参数。

其中，OAM探测概率谱的数学表达式，通过下述方法得到：

2a)在海洋湍流的影响下，发送TC为m的POV光，接收机接收到的TC为n的POV光的强度为：

式中，n代表OAM探测概率谱的接收拓扑荷，<·>_T代表湍流信道上的集平均，ρ₁和ρ₂是极坐标系，分别代表(ρ,θ₁)和(ρ,θ₂)，<exp[ψ^*(ρ₁,z)+ψ(ρ₂,z)]>_T代表POV光受到的总复相位扰动，

是POV光在真空中的互相干函数，可以定义为：

2b)求解应用于UWOC系统的POV光所受的湍流扰动，<exp[ψ^*(ρ₁,z)+ψ(ρ₂,z)]>_T可以定义为：

式中，

和

分别代表了横向和轴向的辐照度波动，

是复相干度。

和

的取值具体如下：

其中，E₁和E₂是海洋湍流的统计量，可表示为：

和

式中，

为海洋湍流的折射率空间功率谱密度，J₀(·)为0阶的贝塞尔函数，

和Λ是POV光在接收平面的无量纲参数，可表示为：

式中，Λ₀和θ₀是准直的POV光在源平面的无量纲参数，在本发明中的范例中，Λ₀的变化范围在0.0201到0.1209之间。

2c)由步骤2a)中得到TC为的n的接收光强和2b)得到UWOC中POV光所受的湍流扰动，可得到POV光的OAM探测概率密度。

代入2b)的公式到2a)，可以得到平均衰减因子<η_m,m>_T和平均串扰因子<η_n,m>_T，它们构成了OAM探测概率谱，可表示为：

其中，Δθ代表接收平面上两点之间的相位差，Δθ＝θ₁-θ₂。

选定适合于湍流海洋无线光通信的POV光的波参数，由以下步骤得到：

2d)由步骤2c)得到的探测概率谱，分析当m＝n时使探测概率谱取值最大的波参数取值，波参数包括POV光束半径R、光圈厚度T、半径/厚度比μ、发送拓扑荷数m和波长λ。

步骤3：根据归一化闪烁指数和POV光的波参数，择选适合于模拟POV光在多层相位屏中传输的相位功率谱函数和相位屏间隔；根据选定得相位功率谱函数和相位屏间隔，基于反向离散傅里叶变换和蒙特卡洛方法，计算POV光的瞬时衰减和转移因子。

其中，适合于模拟POV光在多层相位屏中传输的相位功率谱函数和相位屏间隔通过以下方式择选：

首先，根据归一化闪烁指数：

3a)准直的POV光经过z米X层的海洋湍流相位屏，其闪烁指数为：

其中，ρ代表极坐标系，Re(·)代表取实部函数，E_2,PS和E_3,PS是海洋湍流相位屏的统计量，可以表达为：

和

式中，

表示两张相位屏的相对间距，X代表相位屏个数，当相位屏等间隔放置时，

d_t代表相位屏厚度，Xd_t应远小于1。

3b)准直的POV光经过z米的海洋湍流，其闪烁指数为：

3c)平面波光经过z米的海洋湍流，其闪烁指数为：

3d)准直的POV光经过海洋相位屏和海洋湍流的归一化闪烁指数分别为：

和

然后，择选适合于模拟POV光在多层相位屏中传输的相位功率谱函数和相位屏间隔：

3e)根据POV光经过海洋湍流的归一化闪烁指数，得出在选择的波参数条件下，POV光在海洋湍流中传输的归一化闪烁指数取值接近于1；

则，POV光在多层相位屏中传输的相位功率谱，可以使用平面波的形式：

式中，Δd代表相位屏间隔。

3f)根据POV光经过海洋湍流相位屏的归一化闪烁指数，得出在选择的波参数条件下，当相位屏张数X位于[1,10]的范围区间内，湍流相位屏的归一化闪烁指数都接近海洋湍流的归一化闪烁指数。考虑到UWOC系统的传输距离一般不超过100m，本发明的相位屏间隔取值为10m。

进而，算POV光的瞬时衰减和转移因子，通过下述方法进行：

3g)根据步骤3e)和3f)选择的相位功率谱密度和相位屏间隔，通过反向离散傅里叶变换方法模拟海洋湍流相位屏为：

式中，D是相位屏大小，N是傅里叶点数，IFFT是反向离散傅里叶变换函数，H(·)是厄密特复高斯函数，(m″,n″)和(m′,n′)代表傅里叶变换前后的坐标。

3h)通过蒙特卡洛方法模拟准直的POV在仿真的海洋湍流中传输的过程，求得POV光的瞬时衰减因子和转移因子：

式中，η_m,m代表瞬时衰减因子，η_n,m代表瞬时转移因子，

代表瞬时接收有效功率，

代表瞬时接收转移功率，P_T代表发射功率。

步骤四：构建基于POV光的模分调制和信道复用通信模型。

根据步骤3h)POV光的瞬时衰减因子和转移因子，分别得到基于POV光的模分调制OAMSK-UWOC系统的接收信号和POV光的信道复用的OAMDM-UWOC系统的接收信号。

基于POV光的模分调制OAMSK-UWOC系统的接收信号如下：

式中，

为有效信号，

为干扰信号，m_i为发射拓扑荷，m_j为干扰拓扑荷，m_i和m_j在集合

中，M_OAMSK是OAMSK系统的调制阶数，

为拓扑荷m_i的瞬时衰减因子，

为转移到拓扑荷m_j的瞬时转移因子，ξ为光电转换效率；

基于POV光的信道复用的OAMDM-UWOC系统的接收信号如下：

式中，s_i(t)为信道ch_i的发送信号，s_j(t)为信道ch_j的发送信号，ch_i和ch_j在区间[1,M_OAMDM]内取值，M_OAMDM是OAMDM系统的信道复用个数。

考虑POV光半径独立于拓扑荷的特点，建海洋湍流环境下模分调制OAMSK和信道复用OAMDM的通信模型，分别如图5(a)和图5(b)所示。

然后，根据OAMSK和OAMDM通信系统的接收信号形式和通信方案框图，仿真得到两个系统的误码率性能，验证提出的通信系统性能。

本发明的正确性和优点可通过以下理论结果对比进一步说明：

本发明方法中，通过MATLAB进行解析计算并使用蒙特卡罗仿真进行仿真验证。

首先，准确描述所推导的公式；然后，在不同光学参数设置下对OAM探测概率密度进行了计算；再者，根据POV光的统计特性和信道距离计算了X层相位屏和海洋湍流下的闪烁指数，并与平面波的闪烁指数对比进行归一化，分析得到IFFT算法模拟相位屏的方法和参数设置，经过蒙特卡洛仿真计算了瞬时衰减因子和串扰因子；最后，引入了基于POV光的模分调制和信道复用方案，并通过计算误码率检验了系统性能。

理论和仿真结果

图1给出了POV光的光场分布与TC的关系示意图，并以LG光作为对比。上行代表POV光，下行代表LG光，可以看出，在LG光的半径随TC的变化而改变时，POV光的半径保持不变。图2给出了POV光束在海洋湍流中传输以及湍流扰动引起的模式扩散现象的示意图。图3(a)和图3(b)分别给出了在相同的海洋信道条件下，POV光束半径、波长和TC对OAM探测概率谱中的平均OAM衰减因子的影响。从图3(a)可以看出在同样的半径/厚度比下，OAM衰减因子随着半径增大而降低，这意味着半径增大会降低传输性能。此外，半径/厚度不等于2时，这一参数对OAM探测概率几乎没有影响；当它等于2时，OAM衰减因子有一个显著的降低。但值得注意的是，半径/厚度等于2意味着半径等于厚度，此时POV光的半径将随着TC的变化而改变，也因此丧失了POV光的优势，因此这一参数取值不应被采用。从图3(b)可以看出POV光的波长对OAM探测概率几乎没有影响。图4给出了在两个海洋湍流信道中，POV光的TC对OAM探测概率谱中的平均OAM衰减因子和串扰因子的影响。串扰发生在TC取值m和TC取值m-Δm之间，可以看出POV携带的本征OAM拓扑荷对OAM探测概率的影响很小，但Δm对其影响较为明显。图4上图中，模式间距大的比小的投射得到的功率低。图4下图中增强了湍流强度，模式间距大的串扰因子始终低于衰减因子，但模式间距小的串扰因子几乎和衰减因子相等，这意味着接收有效光功率将等于接收干扰光功率，严重影响POV光在该信道中的传输性能。图5(a)和图5(b)给出了模分调和信道复用OAMDM的通信模型，其中，SLM代表空间光调制器，PD代表光电二极管，FL代表傅里叶棱镜，QPSK代表正交相移键控，L1到L4代表光通路。

图6给出了基于POV光和LG光束的OAMSK系统的误码率，调制阶数分别为四进制和八进制。可以看出基于POV光束的OAMSK-UWOC系统始终性能优于LG光束。图7给出了基于POV光和LG光束的OAMDM系统的误码率，复用信道分别为4信道和8信道。可以看出OAMDM系统与OAMSK系统类似，基于POV光束的OAMSK-UWOC系统始终性能优于LG光束，证明了POV作为载波在海洋湍流影响下的UWOC系统中使用的优越性。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种海洋湍流条件下基于POV光的模分调制和复用通信方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)基于ABCD光学系统，建立类POV光在自由空间中的衍射模型，得到POV光的远场分布表达式；

2)根据POV光的远场分布表达式，得到经海洋湍流扰动的OAM探测概率谱的数学表达式；选定适合于湍流海洋无线光通信的POV光的波参数；

3)根据归一化闪烁指数和POV光的波参数，择选适合于模拟POV光在多层相位屏中传输的相位功率谱函数和相位屏间隔；基于反向离散傅里叶变换和蒙特卡洛方法，计算POV光的瞬时衰减和转移因子；

4)根据POV光的瞬时衰减和转移因子，构建基于POV光的模分调制和信道复用通信模型。

2.根据权利要求1所述的海洋湍流条件下基于POV光的模分调制和复用通信方法，其特征在于，所述步骤1)中，建立类POV光在自由空间中的衍射模型如下：

贝塞尔高斯光经过傅里叶棱镜生成的POV光的源平面光场形式为：

其中，I_m(·)为m阶的修正贝塞尔函数，m为发送拓扑荷数，z为传输距离，ρ为极径，θ为极角，i为虚数单位，ω_g为控制BG光的高斯光束半径，R为POV光束半径，T为POV光圈厚度；

得到POV光的远场分布表达式：

POV_m(ρ,θ,z)∝F_m(ρ,z)exp(imθ) (6)其中，

式中，F_m(ρ,z)是POV光束的径向函数，J_m(·)是m阶的贝塞尔函数，ρ为接收平面上的极径，k是POV光的波数，A、B和D代表ABCD光学系统中的无量纲参数。

3.根据权利要求1所述的海洋湍流条件下基于POV光的模分调制和复用通信方法，其特征在于，所述步骤2)具体步骤如下：

2a)给出在海洋湍流的影响下，发送TC为m的POV光，接收机接收到的拓扑荷为n的POV光的强度；

2b)求解应用于UWOC系统的POV光所受的湍流扰动；

2c)由步骤2a)中得到拓扑荷为n的接收光强和步骤2b)得到UWOC中POV光所受的湍流扰动，得到POV光的OAM探测概率谱；

2d)选定适合于湍流海洋无线光通信的POV光的波参数。

4.根据权利要求3所述的海洋湍流条件下基于POV光的模分调制和复用通信方法，其特征在于，步骤2a)中，接收机接收到的TC为n的POV光的强度为：

式中，n为OAM探测概率谱的接收拓扑荷，i为虚数单位，< >_T为湍流信道上的集平均，ρ₁和ρ₂是极坐标系，分别为(ρ,θ₁)和(ρ,θ₂)，<exp[ψ^*(ρ₁,z)+ψ(ρ₂,z)]>_T为POV光受到的总复相位扰动，

为POV光在真空中的互相干函数。

5.根据权利要求4所述的海洋湍流条件下基于POV光的模分调制和复用通信方法，其特征在于，步骤2b)中，POV光所受的湍流扰动通过下式计算：

式中，

和

分别为横向和轴向的辐照度波动，

是复相干度。

6.根据权利要求4所述的海洋湍流条件下基于POV光的模分调制和复用通信方法，其特征在于，所述步骤2c)中，POV光的OAM探测概率谱的数学表达式如下：

式中，F_m(ρ,z)是POV光束的径向函数，m为发送拓扑荷数，Δθ为接收平面上两点之间的相位差，E₁和E₂为海洋湍流的两个统计量，可表示为：

和

式中，k是POV光的波数，z为传输距离，

为海洋湍流的折射率空间功率谱密度，J₀(·)为0阶的贝塞尔函数，

和Λ为POV光在接收平面的无量纲参数，可表示为：

式中，Λ₀和θ₀为准直的POV光在源平面的无量纲参数，R为POV光束半径。

7.根据权利要求3所述的海洋湍流条件下基于POV光的模分调制和复用通信方法，其特征在于，所述步骤2d)中，根据2c)得到的波参数，选定适合于湍流海洋无线光通信的POV光的波参数，包括POV光束半径R、光圈厚度T、半径/厚度比μ、发送拓扑荷数m和波长λ。

8.根据权利要求1所述的海洋湍流条件下基于POV光的模分调制和复用通信方法，其特征在于，所述步骤3)中，择选适合于模拟POV光在多层相位屏中传输的相位功率谱函数和相位屏间隔，通过下述方法进行：

3a)准直的POV光经过z米X层的海洋湍流相位屏，其闪烁指数为：

其中，ρ为极坐标系，Re(·)为取实部函数，E_2,PS和E_3,PS为海洋湍流相位屏的统计量；

3b)准直的POV光经过z米的海洋湍流，其闪烁指数为：

其中，k是POV光的波数，z为传输距离，I₀为0阶修正的贝塞尔函数，

为海洋湍流的折射率空间功率谱密度，

和Λ为POV光在接收平面的无量纲参数；

3c)平面波光经过z米的海洋湍流，其闪烁指数为：

3d)准直的POV光经过海洋相位屏和海洋湍流的归一化闪烁指数分别为：

和

然后，择选适合于模拟POV光在多层相位屏中传输的相位功率谱函数和相位屏间隔：

3e)根据POV光经过海洋湍流的归一化闪烁指数，得出在选择的波参数条件下，POV光在海洋湍流中传输的归一化闪烁指数；

则，POV光在多层相位屏中传输的相位功率谱

可以使用平面波的形式：

式中，Δd代表相位屏间隔；

3f)根据POV光经过海洋湍流相位屏的归一化闪烁指数，得出在选择的波参数条件下，当相位屏张数X位于[1,10]的范围区间内，湍流相位屏的归一化闪烁指数都接近海洋湍流的归一化闪烁指数相位屏间隔。

9.根据权利要求8所述的海洋湍流条件下基于POV光的模分调制和复用通信方法，其特征在于，所述步骤3)中，计算POV光的瞬时衰减和转移因子，通过下述方法进行：

3g)根据步骤3e)和3f)选择的相位功率谱密度和相位屏间隔，通过反向离散傅里叶变换方法模拟海洋湍流相位屏为：

式中，D为相位屏大小，N是傅里叶点数，IFFT为反向离散傅里叶变换函数，H(·)为厄密特复高斯函数，(m″,n″)和(m′,n′)分别为傅里叶变换前后的坐标，i为虚数单位；

3h)通过蒙特卡洛方法模拟准直的POV在仿真的海洋湍流中传输的过程，求得POV光的瞬时衰减因子和转移因子：

式中，η_m,m为瞬时衰减因子，η_n,m为瞬时转移因子，

为瞬时接收有效功率，

为瞬时接收转移功率，P_T为发射功率。

10.根据权利要求6所述的海洋湍流条件下基于POV光的模分调制和复用通信方法，其特征在于，所述步骤4)，通过下述步骤进行：

根据步骤3h)POV光的瞬时衰减因子和转移因子，分别得到基于POV光的模分调制OAMSK-UWOC系统的接收信号和POV光的信道复用的OAMDM-UWOC系统的接收信号；

基于POV光的模分调制OAMSK-UWOC系统的接收信号如下：

式中，

为有效信号，

为干扰信号，m_i为发射拓扑荷，m_j为干扰拓扑荷，m_i和m_j在集合

中，M_OAMSK是OAMSK系统的调制阶数，

为拓扑荷m_i的瞬时衰减因子，

为转移到拓扑荷m_j的瞬时转移因子，ξ为光电转换效率，P_T为发送功率；

基于POV光的信道复用的OAMDM-UWOC系统的接收信号如下：

式中，s_i(t)为信道ch_i的发送信号，s_j(t)为信道ch_j的发送信号，ch_i和ch_j在区间[1,M_OAMDM]内取值，M_OAMDM是OAMDM系统的信道复用个数；

考虑POV光半径独立于拓扑荷的特点，构建海洋湍流环境下模分调制OAMSK和信道复用OAMDM的通信模型。

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