CN114978353B - 基于后向散射强度的水下光通信自适应调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于后向散射强度的水下光通信自适应调制方法，包括：收发端机在建立通信链路之前，发送端发送信号光，利用后向散射强度判断当前水域环境情况，选择当前的最优调制方案；在通信链路建立的握手阶段，发送端与接收端交互各自确定的最优调制方案结果；直至发送端和接收端选择的最优调制方案相同则进行下一步；选用收发端机双方确定的最优调制方案和对应的解调方案进行通信。本发明最大限度降低了在不同水域环境下，调制方式选择所带来的对系统通信效率的影响。使得通信系统在不同水域情况下匹配最优调制方案，从而明显降低系统功耗，提高在不同水域下的通信性能。
Description
技术领域
本发明属于水下光通信领域，涉及光通信自适应调制方法，尤其是一种基于后向散射强度的水下光通信自适应调制方法。
背景技术
随着海洋探测技术的不断发展，人类能够获取的海洋信息与日俱增，这对无线通信设备的传输能力提出了新的要求。与此同时，海水作为一种良导体，屏蔽了几乎所有的无线电波，传统的微波通信不能适应于水下环境，针对水下数据传输亟需探索新的通信机制，水下无线光通信技术由此应运而生。水下无线光通信因其具有传输带宽高、重量轻、功耗低、体积小、机动性强等诸多优点成为水下通信的首要选择方案，其运用范围从深海衍生到近海水域。
水下无线光通信的最大挑战主要来自于海水的基本特征。从浅海沿岸到深海或大洋的复杂水下环境是一个广泛的物理过程，这些复杂的水下环境一直是限制水下光通信的主要因素。因此如何在不同的水下环境，选择对应情况下的最优通信系统方案，从而优化通信效率是当前水下光通信的主要研究方向之一。
在水下光通信系统设计过程中，不同的水域表现出迥异的水体特性，具体表现为海水的吸收、散射特性等。这些水体特性是影响水下光通信系统性能的主要因素，导致了水下光通信系统在不同的水域中采用相同的调制方案也会表现出不同的系统通信性能。
目前水下光通信的自适应方案中主要将水体对光信号的前向散射和吸收效应作为评估信道条件的标准，该种方法通信效率低，且在评估水下信道条件过程中需要收发双方同时工作，从而导致功耗较大的问题。
发明内容
针对上述情况，为了使得通信系统在不同水域情况下匹配最优调制方案，同时为了提高水下无线光通信系统在不同水域环境下的整体鲁棒性，使系统适应不同的信道环境，本发明提供一种基于后向散射强度的水下光通信自适应调制方法。
水下双工通信系统中，端机发射器产生的信号光在传播过程中，会有部分光到达接收平面，同时还存在部分光返回到端机的接收器的情况。这些返回到端机的信号光，是由于水体的后向散射现象所造成的。与此同时在不同的水域当中，后向散射的强度不同。针对上述的不同水体的后向散射特性，本发明提出一种基于后向散射强度的自适应调制技术。
实现本发明目的的技术方案是：
基于后向散射强度的水下光通信自适应调制方法，包括如下步骤：
步骤一，收发端机在建立通信链路之前，发送端发送信号光，并且利用信号光的后向散射强度判断当前的水域环境情况；并选择当前水域环境的最优调制方案；
步骤二，在通信链路建立的握手阶段，发送端将所选择的调制方案结果发送给接收端；
步骤三，接收端接收到关于调制方案选择的信息后，返回给发送端关于接收端自身确定的结果；
步骤四，发送端将接收端的返回结果与自身所选择的调制方案进行对比，如果发送端和接收端选用的最优调制方案不同则返回步骤一，直至发送端和接收端选择的最优调制方案相同则进行步骤五；
步骤五，在收发端机之后的通信阶段，选用收发端机双方确定的最优调制方案和对应的解调方案进行通信。
步骤一中，最优调制方案包括二进制开关键控（On-Off Keying，简称OOK）、多位脉冲位置调制（Multi-Pulse Position Modulation，简称M-PPM）、差分脉冲位置调制（Differential Pulse Position Modulation，简称D-PPM）。
本发明的技术特点和显著效果：
收发双方在进行通信之前，发送方通过发送信号光并测量在当前水域环境下的后向散射平均功率确定当前水域环境下的最优调制方案，同时收发双方将确认的最优调制方案信息进行交互，从而各自确定相应的调制解调方案。
本发明为优化水下光通信自适应方案，降低通信系统功耗提供重要技术参考；本发明最大限度降低了在不同水域环境下，调制方式选择所带来的对系统通信效率的影响，使得通信系统在不同水域情况下匹配最优调制方案，提高了水下无线光通信系统在不同水域环境下的整体鲁棒性，使系统适应不同的信道环境。
附图说明
图1为实施例中不同水域的后向散射强度图；
图2为实施例中基于后向散射强度的自适应调制方法通信双方端机工作流程图；
图3为实施例中基于后向散射强度的自适应调制方法通信系统框图；图3中实线箭头表示端机A信号流向，虚线箭头表示端机B信号流向；
图4为实施例中端机A的调制方案选择单元A功能方框连接示意图；
图5为实施例中端机B的调制方案选择单元B功能方框连接示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步的阐述，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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
水体的后向散射特性是水下环境基本特征之一。在不同的水域当中，后向散射功率存在着明显的差异，如图1所示，图1中，turbid指浑浊港口海水，costal指沿海海岸水，clear指清澈海水，港口海水的后向散射平均功率＞沿海海岸水的后向散射平均功率＞清澈海水的后向散射平均功率，因此本发明基于此特性，提出一种基于后向散射强度的水下光通信自适应调制技术。
实施例：
如图3图4所示，端机A包括主控制器A及通过光源驱动模块A与其连接的光源A、光电探测模块A通过模数转换模块A与主控制器A连接，主控制器A内设有信号源A和调制方案选择单元A；端机B包括主控制器B及通过模数转换模块B与其连接的光电探测模块B、光源B通过光源驱动模块B与主控制器B连接，主控制器B内设有信号源B和调制方案选择单元B；
端机A的调制方案选择单元A包括分析后向散射强度模块及与连接的调制方案对比模块、数据链路建立模块A；调制方案对比模块与调制方案一到调制方案K模块连接，解调方案一到解调方案K模块对应于相应的调制方案模块。
端机B的调制方案选择单元B包括调制选择模块及与其连接的数据链路建立模块B、解调方案一到解调方案K模块，调制方案一到调制方案K模块对应于相应的解调方案模块。
主控制器A和主控制器B选用现场可编程门阵列（Field Programmable GateArray，简称FPGA）作为主控芯片，本实施例选用EP4C系列芯片。
通过FPGA代码实现主控制器A和主控制器B内的各个模块功能，其目的是实现后向散射强度与不同调制方案的对应选择关系。
端机A的各个模块功能：
分析后向散射强度模块，其输出高电平驱动光源发送平均功率为M的信号光，输入是模数转换后的平均功率为N的信号，通过输入输出平均功率的比值，确定当前水下信道环境是港口海水海域、沿海海岸水海域还是清澈海水海域。
调制方案对比模块，其输入为分析后向散射强度模块确定的当前海水海域情况，并计算不同调制方式在当前水域情况下的比特误码率（Bit Error Ratio，简称BER），选取误码率最小的调制方式为最优调制方案，输出为选择的最优调制方案对应的调制、解调方案。
数据链路建立模块A，其输入为调制方案对比模块选择的最优调制方案结果，输出为以二进制开关键控（OOK）方式调制的数据链路建立请求帧。
端机B的各个模块功能：
调制选择模块：其输入为端机A的数据链路建立请求帧，调制选择模块通过二进制开关键控（OOK）解调方式，解调出端机A选择的最优调制方案信息，将解调结果作为自身的最优调制方案选择结果，并输出控制选择不同的解调、调制方案。
数据链路建立模块B：其输入为端机B选择的最优调制方案选择结果，输出为以二进制开关键控（OOK）方式调制的数据链路建立确认帧。
如图2-图5所示，一种基于后向散射强度的水下光通信自适应调制方法，包括如下步骤：
步骤1），端机A通过光源A发送信号光，通过探测自身发送信号光的后向散射平均功率，判断通信系统所处的水域环境，并选择当前水域环境的最优调制方案；最优调制方案的确定标准是计算不同调制方式在当前水域环境下的误码率，选取误码率最小的调制方式作为最优调制方案；
步骤1）包括以下步骤：
1-1）端机A的主控制器A输出高电平信号驱动光源驱动模块A，使得端机A的光源A发送平均功率为M的信号光，该信号光用于评估当前水下环境；
1-2）端机A利用光电探测模块A，探测当前通信系统所处水下环境中的后向散射平均功率为N，在分析后向散射强度模块中，计算当前水下环境的后向散射强度为，并且将计算得到的后向散射强度，与不同水域下的后向散射强度阈值对比，确定当前水下信道环境是港口海域、沿海海域还是清澈海水海域，例如发送平均功率M为50mw，接收到的后向散射平均功率N为9mw，此时的计算结果为0.18，判断当前水下环境为港口海水海域，计算不同调制方式在当前水下环境中的BER（误码率），误码率最小的调制方案确定为用于当前水下环境的最优调制方案，例如可采用二进制开关键控（OOK）、多位脉冲位置调制（M-PPM）、差分脉冲位置调制（D-PPM）等调制方案；
在图1中，归一化接收功率即对应后向散射强度，在横坐标确定情况下，即光源与光电探测器距离确定情况下，可以确定不同水域的后向散射强度，阈值设置只要在不同水域对应的后向散射强度之间即可；
步骤2），端机A向端机B发送数据链路建立请求帧，数据链路建立请求帧中包含端机A对水下信道环境评估后选用的最优调制方案信息；
端机A的主控制器A驱动数据链路建立模块A发送数据链路建立请求帧，该请求帧中包含端机A对水下信道环境评估后选用的最优调制方案信息，该请求帧采用OOK调制方式加载在端机A的光源A上；
步骤3），端机B接收到数据链路建立请求帧后，解调出最优调制方案信息并向端机A发送数据链路建立确认帧，该帧中包含端机B选用的最优调制方案信息；
步骤3）包括以下步骤：
3-1）端机B利用光电探测模块B接收来自端机A的数据链路建立请求帧，采用OOK解调方式解调出端机A关于最优调制的选择结果，并将结果输入给调制选择模块，该模块用于端机B选择最优调制、解调方案，此处端机B选择的最优方案与解调出的端机A的最优调制的选择结果一致；
3-2）端机B的主控制器B驱动数据链路建立模块B发送数据链路建立确认帧，该帧中包含端机B解调出来的端机A发送过来的最优调制方案信息，该确认帧采用OOK的调制方式加载在端机B的光源B上；
步骤4），端机A解调接收到的数据链路建立确认帧，将端机B选择的最优调制方案信息与端机A本身选择的最优调制方案对比，如果端机A和端机B选用的最优调制方案不同则返回步骤1），直至端机A和端机B选择的最优调制方案相同则进行步骤5）；
步骤5），端机A与端机B在后续数据传输过程中，以步骤3）和步骤4）确定的最优调制方案和对应的解调方案进行通信。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.基于后向散射强度的水下光通信自适应调制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1），端机A通过光源A发送信号光，通过探测自身发送信号光的后向散射平均功率，判断通信系统所处的水域环境，并选择当前水域环境的最优调制方案；最优调制方案的确定标准是计算不同调制方式在当前水域环境下的误码率，选取误码率最小的调制方式作为最优调制方案；
步骤1）包括以下步骤：
1-1）端机A的主控制器A输出高电平信号驱动光源驱动模块A，使得端机A的光源A发送平均功率为M的信号光，该信号光用于评估当前水下环境；
1-2）端机A利用光电探测模块A，探测当前通信系统所处水下环境中的后向散射平均功率为N，在分析后向散射强度模块中，计算当前水下环境的后向散射强度，并且将计算得到的后向散射强度，与不同水域下的后向散射强度阈值对比，确定当前水下信道环境是港口海域、沿海海域还是清澈海水海域，计算不同调制方式在当前水下环境中的误码率，误码率最小的调制方案确定为用于当前水下环境的最优调制方案；
步骤2），端机A向端机B发送数据链路建立请求帧，数据链路建立请求帧中包含端机A对水下信道环境评估后选用的最优调制方案信息；
步骤3），端机B接收到数据链路建立请求帧后，解调出最优调制方案信息并向端机A发送数据链路建立确认帧，该帧中包含端机B选用的最优调制方案信息；
步骤4），端机A解调接收到的数据链路建立确认帧，将端机B选择的最优调制方案信息与端机A本身选择的最优调制方案对比，如果端机A和端机B选用的最优调制方案不同则返回步骤1），直至端机A和端机B选择的最优调制方案相同则进行步骤5）；
步骤5），端机A与端机B在后续数据传输过程中，以步骤3）和步骤4）确定的最优调制方案和对应的解调方案进行通信。
2.根据权利要求1所述的基于后向散射强度的水下光通信自适应调制方法，其特征在于，步骤2）中，端机A的主控制器A驱动数据链路建立模块A发送数据链路建立请求帧，该请求帧中包含端机A对水下信道环境评估后选用的最优调制方案信息，该请求帧采用OOK调制方式加载在端机A的光源A上。
3.根据权利要求1所述的基于后向散射强度的水下光通信自适应调制方法，其特征在于，步骤3）包括以下步骤：
3-1）端机B利用光电探测模块B接收来自端机A的数据链路建立请求帧，采用OOK解调方式解调出端机A关于最优调制的选择结果，并将结果输入给调制选择模块，该模块用于端机B选择最优调制、解调方案，此处端机B选择的最优方案与解调出的端机A的最优调制的选择结果一致；
3-2）端机B的主控制器B驱动数据链路建立模块B发送数据链路建立确认帧，该帧中包含端机B解调出来的端机A发送过来的最优调制方案信息，该确认帧采用OOK的调制方式加载在端机B的光源B上。
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