移動(dòng)通信論文

1、移動(dòng)通信結(jié)課論文 題 目：水下激光通信 學(xué) 院：計(jì)算機(jī) 專業(yè)班級(jí)：通信 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)老師：水下激光通信摘要：隨著光通信的迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。光通信在水下有兩種方式，即水下光纖通信和水下激光通信。相對(duì)于其它方式的通信技術(shù)而言，水下光纖通信具有很多優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。而水下激光通信則更是近些年來(lái)各國(guó)科學(xué)家熱衷的方向，因?yàn)樗录す馔ㄐ啪哂屑す馔ㄐ诺娜萘看?，保密性好，傳輸速度快等?yōu)點(diǎn)，但是又由于其在水下傳輸時(shí)受到了水下諸多條件的影響，水下激光通信現(xiàn)在還只是在試驗(yàn)階段，并未走出實(shí)驗(yàn)室而進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，因此本文對(duì)水下激光通信進(jìn)行了較為詳細(xì)的討論。關(guān)鍵詞： 光通信 激光

2、光纖 1.研究水下激光通信的重要性 海洋占地球表面積的70%以上，海洋中不但蘊(yùn)藏著豐富的資源，而且對(duì)全球氣候變化、人類經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)發(fā)展都有著重大影響。譬如，全球溫室效應(yīng)、地球上的生命起源、新資源、新能源、新生物基因、人類生存環(huán)境和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展等。盡管人類從遠(yuǎn)古時(shí)期就開(kāi)始了對(duì)海洋的探索活動(dòng)，但是迄今為止，人類對(duì)大部分海域的了解都非常有限，許多海域仍然處于未知狀態(tài)。因此，發(fā)展先進(jìn)的海洋探測(cè)高技術(shù)對(duì)人類了解、利用和開(kāi)發(fā)海洋具有重要的意義。 近十年來(lái)，新興的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為獲取連續(xù)、系統(tǒng)、高時(shí)空分辨率、大時(shí)空尺度的海洋要素觀測(cè)資料提供一種全新的技術(shù)手段。水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)低成本、低功

3、耗、多功能的集成化微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，具有數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信和信息處理的能力，將多個(gè)此類傳感器節(jié)點(diǎn)布置在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，可形成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),它們通過(guò)特定的協(xié)議，高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的進(jìn)行自組織，并通過(guò)各傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、感知和采集各種海洋要素的信息，利用無(wú)線通信技術(shù)將觀測(cè)信息實(shí)時(shí)傳輸。因此，通過(guò)在感興趣的海域布設(shè)大量廉價(jià)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)可以獲取海洋環(huán)境時(shí)空變化觀測(cè)資料，實(shí)現(xiàn)大范圍的觀測(cè)區(qū)域高覆蓋面的監(jiān)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)化、立體化、長(zhǎng)時(shí)序、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)化、大空間尺度的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐。 在海洋軍事活動(dòng)中，為保障信息傳輸過(guò)程中不受干擾和不被截聽(tīng)，利用AUV（

4、Autonomous Underwater Vehicle）進(jìn)行指揮艦與潛艇，潛艇與潛艇之間的通信聯(lián)絡(luò)；在港口安全保障過(guò)程中，在AUV上搭載聲學(xué)或光學(xué)監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行港口及水下設(shè)備的檢測(cè)和目標(biāo)的跟蹤，并及時(shí)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)將信息傳輸?shù)叫畔⒅行摹?總之，對(duì)于水下的通信技術(shù)的要求已經(jīng)是越來(lái)越高，我們需要找到一種高效的水下通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)固定端點(diǎn)的信息傳輸和多個(gè)移動(dòng)端點(diǎn)的信息傳輸。而水下激光通信顯然就是我們需要的這種技術(shù)。2.水下激光通信的發(fā)展背景發(fā)展背景：在水中傳播的各種波中，以縱波(聲波)的衰減最小，因而聲納技術(shù)和水聲信息傳輸技術(shù)被廣泛采用和關(guān)注。對(duì)電磁波這種橫波而言，由于海水是良導(dǎo)體，趨膚效

5、應(yīng)將嚴(yán)重影響電磁波在海水中的傳輸，以致在陸地上廣為應(yīng)用的無(wú)線電波在水下幾乎無(wú)法應(yīng)用。電磁波在有電阻的導(dǎo)體中的穿透深度與其波長(zhǎng)直接相關(guān)，短波穿透深度小，而長(zhǎng)波的穿透深度要大一些，因此，長(zhǎng)期以來(lái)，超大功率的長(zhǎng)波通信成為了對(duì)潛通信的主要形式。不過(guò)，即使是超長(zhǎng)波通信系統(tǒng)，穿透海水的深度也極其有限(最深僅達(dá)80m)，而且超低頻系統(tǒng)耗資大，數(shù)據(jù)率極低，易遭受敵方直接攻擊或核爆炸電磁脈沖的破壞，難以得到好的效果目前，水下無(wú)線通信廣泛使用的是聲學(xué)通信技術(shù)，水聲通信技術(shù)具有通信距離遠(yuǎn)、通信可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，聲學(xué)通信技術(shù)在淺海和深海的水下無(wú)線通信領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，水下聲學(xué)通信也有諸多的局限性。水生通信的

6、局限性3：（1）水聲信道傳輸延時(shí)長(zhǎng)、傳輸速率低。水中聲波的傳播速度約為1500m/s,比 光速低了太多，其數(shù)據(jù)傳輸速率隨著距離增大而降低。（2）可用帶寬有限。水下聲學(xué)通信中的傳輸帶寬是時(shí)變的，一般水下鏈路的容量比陸地上的無(wú)線鏈路的容量低很多，如果再考慮多址接入、信道衰落、噪聲和干擾等不利因素的影響，實(shí)際可獲得的鏈路容量比理想的無(wú)線傳輸速率還要低許多。（3）功耗高、體積大。由于其波長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)，所以其耗能大，對(duì)于水下來(lái)說(shuō)其能源補(bǔ)給很是困難。（4）通信質(zhì)量易受環(huán)境影響。水下聲信號(hào)的傳輸質(zhì)量與水溫、鹽度、壓力等環(huán)境因素的變化密切相關(guān)，在惡劣海洋環(huán)境下極易導(dǎo)致通信的失敗。（5）安全性差等。水下聲信號(hào)容易

7、被監(jiān)聽(tīng)，在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)和一些重要機(jī)密信息傳輸中會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。3.水下激光通信的組成水下激光通信主要由三大部分組成：發(fā)射系統(tǒng)、水下信道和接收系統(tǒng)。水下無(wú)線光學(xué)通信的機(jī)理是將待傳送的信息經(jīng)過(guò)編碼器編碼后，加載到調(diào)制器上轉(zhuǎn)變成隨著信號(hào)變化的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)光源，即將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，然后通過(guò)透鏡將光束以平行光束的形式在信道中傳輸4；接收端由透鏡將傳輸過(guò)來(lái)的平行光束以點(diǎn)光源的形式聚集到光檢測(cè)器上，由光檢測(cè)器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，最后由解碼器解調(diào)出原來(lái)的信息。水下激光通信系統(tǒng)的組成：其中系統(tǒng)的水下通信信道部分可以用圖3-2表示，其中部分光線受水體中的顆粒影響發(fā)生散射和吸收，導(dǎo)致光傳輸功率

8、的損失。大的接收孔徑尺寸可以有效地增加所接收的光功率，但是接收孔徑尺寸也不能無(wú)限的加大。4.水下激光通信的優(yōu)勢(shì)光學(xué)通信技術(shù)可以克服水下聲學(xué)通信的帶寬窄、受環(huán)境影響大、可適用的載波頻率低、傳輸?shù)臅r(shí)延大等缺陷。因?yàn)?，?）是由于光波頻率高，其信息承載能力強(qiáng)，可以組建大容量無(wú)線通信鏈路。（2）是光波在水介質(zhì)的傳輸速率可達(dá)千兆，使得水下大信息容量數(shù)據(jù)的快速傳輸成為可能；（3）是光學(xué)通信具有抗電磁干擾能力強(qiáng)，不受海水溫度和鹽度影響等特點(diǎn)；（4）是波束具有較好的方向性，如想攔截，就需要用另一部接收機(jī)在視距內(nèi)對(duì)準(zhǔn)發(fā)射機(jī)，造成通信鏈路中斷，用戶會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)通信鏈路中斷事故。（5）是隨著半導(dǎo)體光源關(guān)鍵技術(shù)不斷突破

9、，體積小，價(jià)格低、效率高的可見(jiàn)光譜光電器件充足。并且由于光波波長(zhǎng)短，收發(fā)天線尺寸小，可以大幅度減少重量。5.水下激光通信存在的問(wèn)題海水是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物組合系統(tǒng)，它含有溶解物質(zhì)、懸浮體和很多各種各樣的活性有機(jī)體。由于海水中的物質(zhì)和懸浮體的不均勻性，導(dǎo)致光波在水下傳播過(guò)程中因吸收和散射作用而產(chǎn)生衰減。光波的水下傳輸特性是制約水下光學(xué)無(wú)線通信質(zhì)量的重要因素之一，它對(duì)整個(gè)水下光學(xué)無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定產(chǎn)生著重要影響。由于不同的海域、不同的水深、不同季節(jié)的海水衰減特性各有不同，但是一套高效可行的海水信道分析方法是實(shí)現(xiàn)水下光學(xué)通信鏈路的關(guān)鍵技術(shù)尚有待建立。海水的光學(xué)特性與它的組分有關(guān)，可簡(jiǎn)

10、要地分為三個(gè)方面，水介質(zhì)，溶解物質(zhì)和懸浮物。溶解物質(zhì)和懸浮體的成分種類繁多，主要包括無(wú)機(jī)鹽，溶解的有機(jī)化合物，活性海洋浮游動(dòng)植物，細(xì)菌，碎屑和礦物質(zhì)顆粒等，光束在海水中的傳輸遠(yuǎn)比在大氣中的傳輸所受影響復(fù)雜得多，很難用單一的數(shù)學(xué)模型對(duì)各種海域的水質(zhì)影響進(jìn)行模擬。根據(jù)前人對(duì)海水光特性的研究，光波在水下傳輸所受到的影響可以歸納為以下三個(gè)方面（1）光損耗：忽略海水?dāng)_動(dòng)和熱暈效應(yīng)，光在海水中的衰減主要來(lái)自吸收和散射影響，通常以海水分子吸收系數(shù)、海水浮游植物吸收系數(shù)、海水懸浮粒子的吸收系數(shù)、海水分子散射系數(shù)和懸浮微粒散射系數(shù)等方式體現(xiàn)。（2）光束擴(kuò)散：經(jīng)光源發(fā)出的光束在傳輸過(guò)程中會(huì)在垂直方向上產(chǎn)生橫向擴(kuò)展

11、，其擴(kuò)散直徑與水質(zhì)、波長(zhǎng)、傳輸距離和水下發(fā)散角等因素有關(guān)。（3）多徑散射：光在海水中傳播時(shí)，會(huì)遇到許多粒子發(fā)生散射而重新定向，所以非散射部分的直射光將變得越來(lái)越少。海水中傳輸?shù)墓獗簧⑸淞Ｗ由⑸涠x光軸，經(jīng)過(guò)二、三、四等多次散射后，部分光子又能重新進(jìn)入光軸，形成多次散射。多次散射效應(yīng)是隨著粒子的濃度和輻照體積的大小而變化的，由于多次散射的復(fù)雜性，很難通過(guò)分析方法得到擴(kuò)散與水質(zhì)參數(shù)及水下深度間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并且受到實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的限制，不可能對(duì)每一種水質(zhì)、每一個(gè)水下深度都進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而且有些特性還很難甚至無(wú)法用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量。以上問(wèn)題最直接后果就是激光通信誤碼率較高誤碼率達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)導(dǎo)

12、致通信失敗。為了保證通信成功，通常采用兩個(gè)方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，一是增加信噪比，即增大發(fā)射功率、降低接收設(shè)備本身的噪聲、選擇好的調(diào)制制度和解調(diào)方法、加強(qiáng)天線的方向性等措施；另一個(gè)采用信道編碼，即增加差錯(cuò)控制功能來(lái)解決這些問(wèn)題。而第一種方法提高信息傳輸可靠性的代價(jià)較大，費(fèi)用高，只能將傳輸差錯(cuò)減小到一定程度。而隨著編碼理論和高速數(shù)字處理硬件技術(shù)的發(fā)展，編碼處理硬件成本越來(lái)越低，使得糾錯(cuò)技術(shù)在實(shí)際的數(shù)字通信中逐漸得到廣泛的應(yīng)用。心得體會(huì) 由于選該課程時(shí)，我已步入大四并打算考研，沒(méi)有給予該課程足夠的時(shí)間。因此，我并沒(méi)有很好的掌握該學(xué)的知識(shí)，這在寫(xiě)結(jié)課論文時(shí)充分體現(xiàn)出來(lái)了。 在撰寫(xiě)論文時(shí)遇到了很多問(wèn)題，還好經(jīng)過(guò)上網(wǎng)查閱資料以及同學(xué)的幫助，再加上充分利用大學(xué)四年所學(xué)與之相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，閱讀與該報(bào)告相關(guān)的參考文獻(xiàn)，我終于完成了本次論文。 這次論文與以往不同的是，我們小組每個(gè)成員都是根據(jù)一個(gè)專題寫(xiě)的，很容易寫(xiě)的內(nèi)容就會(huì)有交集。當(dāng)然，我們通過(guò)互相討論，對(duì)水下激光通信有了更全面、更深入的了解，可以彼次補(bǔ)充知識(shí)的空缺。 總之，在本次活動(dòng)中，通過(guò)小組的共同努力，在小組討論過(guò)程中