《無線光通信技術(shù)-從理論到前沿》課件-第6章

第6章水下無線光通信6.1概述6.2光在海水中的傳播特性6.3光通信鏈路配置6.4水中光學(xué)衰減模型6.5水下無線光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.6水下無線光通信的協(xié)作分集6.7混合聲-光系統(tǒng)6.8發(fā)展方向本章小結(jié)

6.1概述

表6.1展示了不同范圍的各種水聲通信鏈路的典型帶寬。

表6.2所示為不同水下無線技術(shù)之間的比較。

6.2光在海水中的傳播特性

6.2.1聲波、電磁波和光波的比較1.聲波在聲波、電磁波和光波中,聲波以其相對較少的吸收和較長的覆蓋距離,成為了水下無線光通信的主要媒介。

2.電磁波

電磁波在水下環(huán)境中傳播帶寬更高、速度更快,因此在如何提高數(shù)據(jù)速率方面吸引了大量學(xué)者。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)的不同,電磁波使用的范圍為幾十Hz至GHz。

電磁波通信鏈路系統(tǒng)需要在水下和地面鏈路之間建立收發(fā)機(jī),可以實(shí)現(xiàn)在MHz到GHz頻率范圍的通信。如圖6－1(a)所示,這種通信系統(tǒng)被稱為基于浮標(biāo)的射頻通信系統(tǒng),它們并不是真正的水下通信。水面的浮標(biāo)作為中間節(jié)點(diǎn),分別連接著水下收發(fā)機(jī)和其它通信終端,以建立RF輪船、RF－GPS、RF－飛機(jī)等通信鏈路。圖6－1(b)所示的系統(tǒng)被稱為直接射頻通信系統(tǒng),它利用極低頻(ELF)或低頻(LF)進(jìn)行通信。

圖6－1水下射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

圖6－1水下射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

如圖6－2所示,射頻信號在海水高頻段衰減度更高。值得注意的是,海水的吸收系數(shù)與電導(dǎo)率有關(guān):

式中,α是吸收系數(shù),f為工作頻率,μ為磁導(dǎo)率,σ為電導(dǎo)率。為支持遠(yuǎn)距離通信,大部分工作均是在低頻狀態(tài)下進(jìn)行的。

圖62射頻信號在水下的衰減

相反,淡水的吸收系數(shù)本質(zhì)上與頻率無關(guān),為

式中,為介電常數(shù)。因此,在淡水環(huán)境中電磁波通信是很好的選擇,但它需要非常大的天線尺寸(頻率為30kHz時(shí),波長為10km)。此外,為了補(bǔ)償天線的高損耗,需要更大的發(fā)射機(jī)功率。

3.光波

由于電磁波信號天線尺寸巨大,因此需要較大的發(fā)射機(jī)功率。為了實(shí)現(xiàn)水下高數(shù)據(jù)速率通信,可以使用光波信號。由于光學(xué)載流子的高頻特性,水下無線光通信在幾百米的距

離內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)Gb/s級別的數(shù)據(jù)傳輸速率。在水下環(huán)境,由于懸浮粒子引起海水的吸收、散射或太陽的強(qiáng)擾動等因素,光信號面臨著極大的挑戰(zhàn),但目前仍有許多數(shù)據(jù)表明,在水下中等距離仍可以進(jìn)行光通信,且能夠?qū)崿F(xiàn)高容量無線光傳輸。

表6.3匯總了截至2015年各類水下無線光通信的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

6.2.2海水對光波的吸收與散射

造成水下光波信號強(qiáng)度減弱或方向變化的主要原因是光吸收和散射。為了了解吸收系數(shù)和散射系數(shù),圖63給出了一個(gè)厚度為Δr、單位體積為ΔV的海水固有光學(xué)特性的幾何模型。

圖6-3海水固有光學(xué)特性的幾何模型

當(dāng)采用功率為Pi、波長為λ的入射光照射海水時(shí),入射光功率的一小部分Pa被水吸收,另一部分光功率Ps

被散射。剩余的正常傳播的光功率Pt將不受影響。因此,根據(jù)能量守恒定律,它可以表示為

從表中可知,光在渾濁港口水域中的傳播遠(yuǎn)比在清澈海洋中更困難。海水的整體吸收是由于無機(jī)物質(zhì)的固有吸收(如水分子、懸浮粒子和溶解鹽)和有機(jī)吸收(浮游植物(即具有葉綠素的微小植物)、腐爛狀的有色可溶性有機(jī)海洋物質(zhì)或破碎的植物組織中的黃色物質(zhì))構(gòu)成的。因此,海水的總吸收系數(shù)可以進(jìn)一步分解為四個(gè)因子的總和:

圖6－4所示為開放海域和沿海水域的聯(lián)合吸收光譜。圖6－4開放海域和沿海水域的聯(lián)合吸收光譜

表6.5列出了不同類型水域的理想透射波長。

圖6－5隨角度分布變化的VSF曲線

綜上所述,水下環(huán)境因素使光出現(xiàn)吸收和散射現(xiàn)象,它們共同影響著水下光束的傳播。例如,在純凈的海水或清澈的海洋中,吸收是主要的限制因素,而當(dāng)海水接近有機(jī)物和懸浮微粒出現(xiàn)的陸地時(shí),散射占據(jù)了主導(dǎo)地位。因此,將最小吸收窗口的光波長由藍(lán)綠波段變?yōu)辄S綠波段。這意味著對與波長相關(guān)的水下環(huán)境,一種結(jié)合速率自適應(yīng)傳輸?shù)亩嗖ㄩL自適應(yīng)方案,可緩解水下環(huán)境隨機(jī)變化的難題。

6.2.3海洋湍流

1.海洋湍流空間功率譜模型

海洋湍流是指海洋水體中任意點(diǎn)運(yùn)動速度的大小和方向都紊亂變動的水體流動。它能加強(qiáng)溶解質(zhì)的擴(kuò)散,導(dǎo)致動量和熱量的分散轉(zhuǎn)移。海洋湍流中的折射率起伏由溫度和鹽度

變化共同引起,海水中溫度、鹽度隨機(jī)起伏,使得激光在海洋湍流中傳播時(shí)其振幅、相位發(fā)生隨機(jī)波動,產(chǎn)生光束漂移、光強(qiáng)閃爍等現(xiàn)象,致使水下激光通信性能劣化。

1)Nikishov海洋折射率譜

海洋湍流由海洋折射率譜模型描述,其主要由溫度和鹽度隨機(jī)起伏引起,因此期望建立海洋折射率擾動與溫度和鹽度梯度之間對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。在線性近似中,折射率擾動n

可表示為溫度和鹽度起伏的線性函數(shù):

式中,A是熱膨脹系數(shù),B是鹽度收縮系數(shù),T表示折射率的溫度波動,S表示折射率的鹽度波動。

對于局部均勻和各向同性的湍流,折射率起伏的結(jié)構(gòu)函數(shù)可以通過溫度、鹽度和耦合起伏的三個(gè)相關(guān)函數(shù)來獲得。利用折射率波動的結(jié)構(gòu)函數(shù)的光譜展開以及空間功率譜

Φn(κ)與標(biāo)量譜Φ(κ)之間的關(guān)系,Nikishov海洋折射率譜可表示為

2)Yao海洋折射率譜

3)Yi海洋折射率譜

4)新近似海洋折射率譜

圖6－6四種不同譜模型隨log(κη)變化的曲線

2.光束漂移

1)光束漂移模型

近年來,有關(guān)光波在海洋湍流中傳播的研究引起了國內(nèi)外學(xué)者極大的興趣,因?yàn)樗鼘λ鹿鈱W(xué)成像和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。這些系統(tǒng)要求發(fā)送端和接收端之間嚴(yán)格對準(zhǔn)。

然而,由于海洋湍流的干擾,當(dāng)一束光在海洋中傳輸一段距離后,在垂直光傳輸方向的中心位置上將作隨機(jī)變化,從而引入顯著的指向誤差。這種光束的漂移效應(yīng)可用光束位移(整體或某一軸上分量)的統(tǒng)計(jì)方差表示。因此,在弱海洋湍流下,光束漂移方差的表達(dá)式為

＼

當(dāng)光束類型為聚焦光束時(shí)(Θ0=0),光束漂移方差為

(2)當(dāng)湍流外尺度為有限時(shí)(κ0≠0),等式(6.38)可簡化為:

當(dāng)光束類型為準(zhǔn)直光束時(shí)(Θ0=1),光束漂移方差為

當(dāng)光束類型為聚焦光束時(shí)(Θ0=0),光束漂移方差為

2)數(shù)值仿真與分析

圖6－7準(zhǔn)直光束和聚焦光束隨L0的變化趨勢

圖6－7準(zhǔn)直光束和聚焦光束隨L0的變化趨勢

圖6－8光束漂移方差隨ω的變化

圖69考慮了準(zhǔn)直和聚焦光束的無量綱參數(shù)隨三個(gè)主要海洋參數(shù)(logχT、ε、ω)的變化趨勢。圖6－9準(zhǔn)直和聚焦光束的無量綱參數(shù)BW隨相關(guān)參數(shù)的變化圖6－9準(zhǔn)直和聚焦光束的無量綱參數(shù)BW隨相關(guān)參數(shù)的變化

圖6－9準(zhǔn)直和聚焦光束的無量綱參數(shù)BW隨相關(guān)參數(shù)的變化

在圖6－10中,隨著κ0的增加,歸一化光束漂移方差有明顯的下降。圖6－10有限外尺度與無限外尺度光束漂移方差的比值

3.光強(qiáng)閃爍

1)波結(jié)構(gòu)函數(shù)與空間相干半徑的解析公式

光波傳播的理論研究傳統(tǒng)上被歸類為弱波動或強(qiáng)波動的理論范疇。當(dāng)使用任意折射率譜模型研究平面波和球面波在長度為L的路徑上傳播時(shí),可以使用更一般的參數(shù)L/kρ20來定義輻照度擾動的強(qiáng)度,其中k=2π/λ是與波長λ相關(guān)的波數(shù),ρ0是平面波或者球面波的空間相干半徑。參數(shù)的相應(yīng)表達(dá)式由以下不等式組給出:

(1)平面波。

空間相干半徑是由波結(jié)構(gòu)函數(shù)決定的。基于Rytov理論,平面波在海洋湍流中傳輸時(shí)的波結(jié)構(gòu)函數(shù)為

利用第一類零階貝塞爾函數(shù)的級數(shù)表示:

將公式(6.33)和公式(6.46)代入公式(6.45)中,平面波的波結(jié)構(gòu)函數(shù)表示為

空間相干半徑定義為分離距離復(fù)雜度的模量下降到1/e,即Dpl(ρ0,L)=2。此外,為了考慮內(nèi)尺度效應(yīng),只需要知道平面波空間相干半徑在漸近狀態(tài)ρ?η下的形式。因此,平面波的空間相干半徑為

(2)球面波。

在ρ?η情況下,球面波的空間相干半徑為

2)平面波的相位結(jié)構(gòu)函數(shù)

海洋湍流中的平面波相位結(jié)構(gòu)函數(shù)的研究對于將閃爍指數(shù)擴(kuò)展到中至強(qiáng)湍流區(qū)域至關(guān)重要。因此,需要在考慮內(nèi)尺度效應(yīng)的漸近區(qū)域中獲得平面波的相位結(jié)構(gòu)函數(shù)。

3)閃爍指數(shù)模型

(1)弱海洋湍流下的閃爍指數(shù)。

①平面波模型。

基于Rytov理論,歸一化的強(qiáng)度方差(即閃爍指數(shù))σ2I在弱湍流下近似等于正態(tài)強(qiáng)度方差(即σ2I≈σ2lnI)。因此,平面波的閃爍指數(shù)可表示為

②球面波模型。

在弱湍流擾動下,球面波的閃爍指數(shù)可表示為

相似地,將余弦函數(shù)表示為cosx=Re(e-ix),可以得到

其中,

(2)飽和海洋湍流區(qū)域的閃爍指數(shù)。

在弱湍流和強(qiáng)湍流區(qū)域,閃爍指數(shù)模型已經(jīng)建立,得到了平面波和球面波基于近似海洋湍流譜模型的弱湍流區(qū)域的閃爍指數(shù),下述內(nèi)容將基于漸近理論對平面波和球面波在飽和區(qū)域的閃爍指數(shù)進(jìn)行研究。

①平面波模型。

在飽和區(qū)域,通過漸近理論預(yù)測的平面波和球面波的閃爍指數(shù)為

式中,τ是歸一化的距離變量,指數(shù)函數(shù)可看做由平面波的相位結(jié)構(gòu)函數(shù)定義的低通空間濾波器。函數(shù)h(τ,ξ)可定義為

②球面波模型。

在球面波模型中可得

(3)中強(qiáng)湍流中的閃爍指數(shù)。

傳統(tǒng)的Rytov近似在描述光學(xué)閃爍時(shí)僅限于弱波動條件,而忽略了波傳輸過程中的橫向空間相干半徑減小的影響。因此,擴(kuò)展的Rytov方法被提出來用于描述中到強(qiáng)輻照度起伏光波的閃爍指數(shù)。在擴(kuò)展的Rytov方法的基礎(chǔ)上,可采用帶有振幅空間濾波器的有效海洋湍流譜。

當(dāng)考慮內(nèi)尺度效應(yīng)時(shí),可使用有效海洋湍流譜。因此,根據(jù)擴(kuò)展Rytov理論,總閃爍指數(shù)可以表示為

②球面波。

圖6－11閃爍指數(shù)隨鏈路長度變化的趨勢

6.2.4指向與對準(zhǔn)

采用光束傳播函數(shù)(BeamSpreadFunction,BSF)對UOWC系統(tǒng)中的鏈路失調(diào)進(jìn)行建模,其表達(dá)式為

圖6－12所示說明了在UOWC系統(tǒng)中采用智能發(fā)射機(jī)和智能接收機(jī)實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)和跟蹤需求的各種場景。圖6－12用于UOWC的智能發(fā)射機(jī)與智能接收機(jī)

通常MRR具有兩種結(jié)構(gòu):

①角立方體結(jié)構(gòu),即通過把光學(xué)調(diào)制技術(shù)集成在角立方體結(jié)構(gòu)上,將調(diào)制后的光反饋到光源處;

②焦平面結(jié)構(gòu),即將調(diào)制器放置于采集光線的聚焦平面上,如圖613所示。

圖6－13MRR結(jié)構(gòu)

6.2.5背景噪聲

在設(shè)計(jì)UOWC鏈路時(shí)必須考慮背景噪聲的影響。噪聲大小與光束的工作波長和鏈路的地理位置等密切相關(guān)。一般來說,由于人為噪聲的影響,深海處的噪音要比海港處(如海

洋工地)小。水下環(huán)境中的噪聲源大多數(shù)可被視為連續(xù)譜且服從高斯分布。

水下環(huán)境背景噪聲的主要來源有:

①漫反射背景噪聲;

②來自太陽或其它恒星(點(diǎn))物體的背景噪聲;

③接收機(jī)收集到的散射光。

圖6－14接收機(jī)的點(diǎn)源和擴(kuò)展源的幾何形狀

6.2.6多徑干涉和色散

與聲通信一樣,光信號在UOWC信道中遇到散射物體或水下生物經(jīng)過多次反射后到達(dá)光檢測器時(shí),會產(chǎn)生多徑干涉效應(yīng),從而導(dǎo)致波形在時(shí)間上的色散(時(shí)間擴(kuò)展),進(jìn)而產(chǎn)生碼間串?dāng)_,最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸速率的降低。然而,由于水中光速很大,所以對比于聲通信,在UOWC中多徑干涉效應(yīng)的影響并不顯著。多徑干涉效應(yīng)的大小取決于系統(tǒng)規(guī)格和傳播環(huán)境。在淺水環(huán)境中,從淺水表面或底部反射出的光波在檢測器上會產(chǎn)生多個(gè)信號。而在深海環(huán)境中,這些被水表面或海洋底部反射回的光波可以被忽略不計(jì)。

6.2.7障礙物

由于水下信息傳輸?shù)墓馐鵀檎馐?所以當(dāng)傳輸光束被某一物體(如魚群或海洋動物)遮蔽時(shí)會導(dǎo)致接收信號的暫時(shí)丟失。此時(shí)就需要研究人員適當(dāng)采用糾錯(cuò)技術(shù)、信號處理技

術(shù)和冗余措施等,以確保當(dāng)數(shù)據(jù)丟失時(shí)發(fā)射機(jī)能夠重新傳輸信號。目前在水下環(huán)境中廣泛使用的糾錯(cuò)技術(shù)是自動重傳請求(ARQ)和前向糾錯(cuò)(ForwardErrorCorrection,FEC)技術(shù)。ARQ技術(shù)允許在數(shù)據(jù)超時(shí)傳輸之后重新進(jìn)行傳輸。但是,該技術(shù)不能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的吞吐量,尤其在高誤碼率情況下會導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量迅速下降。

6.3光通信鏈路配置

6.3.1直接視線傳輸鏈路直接視線傳輸(LOS)鏈路是水下發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間最簡單、障礙物最少的點(diǎn)對點(diǎn)鏈路。該鏈路在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均為靜態(tài)(如海底的兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn))的情況下很容易實(shí)現(xiàn)。而在AUV等移動平臺之間進(jìn)行通信時(shí),則要求配備非常復(fù)雜的對準(zhǔn)和跟蹤設(shè)備,才能使發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均對準(zhǔn)。在

LOS鏈路中接收信號的功率PR為

式中,PT是發(fā)射機(jī)平均光功率,ηT

和ηR分別是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的光效率,λ為光波波長,d是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)平面之間的垂直距離,θ是接收機(jī)平面法線和收發(fā)機(jī)連線之間的夾角,AR是接收機(jī)的孔徑面積,θd是激光束的發(fā)散角。通常來講,θd?π/20。

LOS鏈路配置如圖6－15所示圖6－15LOS鏈路配置

6.3.2非視線傳輸鏈路

由于LOS鏈路要求配備復(fù)雜的對準(zhǔn)和跟蹤系統(tǒng),而且波束還可能受水下的海洋生物、氣泡和懸浮粒子阻擋的影響,因此在某些實(shí)際通信場景中往往無法實(shí)現(xiàn)LOS通信。針對這

一問題,可采用NLOS水下通信鏈路,利用傳播光信號在?？战缑娴姆瓷溥^程來實(shí)現(xiàn)光鏈路。該類型的鏈路也被稱為反射鏈路。其它實(shí)現(xiàn)NLOS鏈路的方法是通過傳播或擴(kuò)散來自LED或激光器的光,以增加接收機(jī)的FOV,這種類型的鏈路也稱為漫射鏈路。反射和漫射的場景如圖6－16所示。

圖6-16NLOS鏈路配置

6.3.3反射鏈路

反射鏈路可用于功能有限的雙工通信中,此時(shí)接收機(jī)的功率較低,無法實(shí)現(xiàn)完整的收/發(fā)操作。在反射鏈路中,光源比接收機(jī)具有更高的功率和更強(qiáng)的負(fù)載能力,因此,它被用作向遠(yuǎn)程接收機(jī)發(fā)送調(diào)制光信號的詢問器。接收機(jī)端裝有一個(gè)小型光學(xué)反射器,該反射器在感應(yīng)到來自光源的入射詢問光束后再將其反射回光源。此時(shí)接收機(jī)功率為

水下反射器工作于兩種情況:①光子有限;②對比度有限。光子有限的場景發(fā)生在清澈的海水或湖泊中。在這種情況下,由于在水下環(huán)境,光子將被吸收在檢測器上,從而限制了通信鏈路的范圍和容量。因此,在這種情況下,對準(zhǔn)和跟蹤技術(shù)是至關(guān)重要的,這是因?yàn)榉瓷湫盘査休d信息量的大小取決于入射到反射器上詢問器光子的單位面積密度。對比度有限的場景則發(fā)生在渾濁的港口水域,此時(shí)散射對鏈路范圍和容量有著重要影響。這對于水下激光成像相關(guān)的應(yīng)用來說是一個(gè)關(guān)鍵問題,因?yàn)楹笙蛏⑸浞至康脑黾訒?dǎo)致光子的減少,進(jìn)而降低圖像的對比度。但采用偏振隔離技術(shù)可以顯著減少后向散射分量。反射鏈路配置如圖6－17所示。

圖6－17反射鏈路配置

6.4水中光學(xué)衰減模型

水中光學(xué)衰減模型可分為兩種:視線傳輸鏈路和非視線傳輸鏈路。這兩種鏈路類型的光傳播會經(jīng)歷相同的衰減效應(yīng),但是在非視線傳輸信道中,UOWC建模的關(guān)鍵部分來自于水面的反射。

6.4.1水中視線傳輸鏈路的光學(xué)衰減模型

視線傳輸鏈路的建模通過使用比爾朗伯特定律,計(jì)算出不同類型水中的通信范圍和角度。該方法是通過假設(shè)散射光子丟失,但實(shí)際上當(dāng)光束經(jīng)歷多次散射后,接收器仍會捕獲到部分散射光子。所以在這種情況下,比爾朗伯特定律會嚴(yán)重降低對接收功率的估算,特別是在散射占主導(dǎo)地位的區(qū)域。此外,由于輻射傳遞方程考慮了多次散射和光偏振的影響,所以大多數(shù)情況下該技術(shù)可使用在UWOC中模擬水中光學(xué)衰減的模型。與此同時(shí),輻射傳遞方程可用于描述光信號通過水下湍流環(huán)境時(shí)的能量守恒定律。

例如Park和Alouin基于離散坐標(biāo)法對輻射傳遞方程進(jìn)行了數(shù)值估算,同時(shí)為了計(jì)算出UWOC系統(tǒng)的接收功率,采用了無矩陣高斯塞德爾迭代法。對于UOWC模型,另一個(gè)常用的方法是采用蒙特卡羅模擬的數(shù)值方法,它具有靈活性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)、提供準(zhǔn)確解等特點(diǎn)。然而,蒙特卡羅模擬也存在以下的缺點(diǎn):①不能處理波動現(xiàn)象;②模擬效率低;③存在隨機(jī)統(tǒng)計(jì)的誤差。所以,視線傳輸鏈路建模需要依實(shí)際情況選擇相應(yīng)的方

由于光束在水下信道傳播時(shí)具有隨機(jī)性,因此研究者對UOWC提出了隨機(jī)模型。研者通過HG函數(shù)對UOWC鏈路的非散射和單次散射分量進(jìn)行計(jì)算,并利用隨機(jī)信道模型來估算光子的空間和時(shí)間分布。隨后,研究者的研究范圍進(jìn)一步拓展到長距離通信,其中考慮了光子傳播時(shí)會經(jīng)歷的三個(gè)部分,即非散射、單次散射和多次散射,這是由于UOWC中各種不同的懸浮粒子造成的,他們基于此設(shè)計(jì)了一種隨機(jī)信道模型,該模型能夠很好地與蒙特卡羅模擬方法相結(jié)合,并適用于渾濁的水域環(huán)境中,如沿海和港口,該方法也可用于估算UOWC中的路徑損耗、散射特性和衰減特性。

6.4.2水中非視線傳輸鏈路的光學(xué)衰減模型

非視線傳輸鏈路的信道模型相較于傳統(tǒng)的視線傳輸鏈路更為復(fù)雜,因?yàn)榉且暰€傳輸鏈路包含了衰減效應(yīng)(類似于視線傳輸鏈路)以及水空氣界面所產(chǎn)生的背向反射效應(yīng)。非視線傳輸鏈路的信道模型除了受發(fā)射光源的波長和設(shè)備屬性影響外,非視線傳輸鏈路的路徑損耗還與系統(tǒng)的幾何形狀有關(guān),其中包括發(fā)射器的光束寬度、通信距離、接收器的視場角、指向仰角以及水下信道的光學(xué)特性。因此,大多數(shù)非視線鏈路的信道模型都是基于蒙特卡羅模擬方法進(jìn)行的。

6.5水下無線光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

UOWC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖6－18所示。

圖618典型的水下光通信系統(tǒng)框圖

6.5.1發(fā)射機(jī)

光學(xué)組件技術(shù)目前已非常成熟,并且在光纖和FSO通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。在UOWC所需要的波段中,該技術(shù)也相對成熟,具有一定優(yōu)勢。根據(jù)相關(guān)通信指標(biāo)以及水下系統(tǒng)存

在功率和通信容量受限的問題,可以選擇LED或LD進(jìn)行一定的改善,這主要取決于光譜中藍(lán)綠光部分所占的比重。

基于LD系統(tǒng)具有通信距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸速率高和延遲低的優(yōu)點(diǎn)。例如:在飛機(jī)和潛艇之間進(jìn)行的第一個(gè)雙工激光通信,其輸出的相干光束質(zhì)量較高,但是由于水下散射和湍

流的影響,輸出光束的質(zhì)量會急劇下降。因此,使用基于激光的UOWC系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在清水條件下100m的鏈路傳輸距離,而在渾濁條件下僅30~50m的鏈路傳輸距離。此外,為了滿足深海通信的應(yīng)用要求,LD因其具備高功率、高效率和長壽命的特點(diǎn)而被采用;與調(diào)制帶寬幾乎小于200MHz的LED相比,LD具有很大的調(diào)制帶寬(>1GHz),能夠支持高傳輸速率。表6.6中比較了在藍(lán)綠光譜中操作的各種激光器。

藍(lán)綠光LED陣列在UOWC中已經(jīng)被廣泛使用。LED支持高達(dá)Mb/s的可變數(shù)據(jù)傳輸速率,并具有高光電效率的特性。但LED存在光譜帶寬太寬的問題,其帶寬達(dá)25~100nm,因此它需要配合寬帶通濾波器使用,但該方式又會導(dǎo)致太陽背景噪聲進(jìn)入系統(tǒng)。因此,LED僅適用于短距離通信,例如用于連接水下傳感器和潛水員。對于諸如AUV到衛(wèi)星連接的長距

離應(yīng)用,LD則是更好的選擇。表6.7給出了UOWC中的各種藍(lán)綠LED的比較。

6.5.2接收機(jī)

UOWC中的接收機(jī)應(yīng)當(dāng)具有寬FOV、高增益且能提供較高的SNR。處于藍(lán)綠光譜的光電傳感器有光電倍增管、半導(dǎo)體光電傳感器和受生物激發(fā)的量子光電傳感器。光電倍增

管是一種對光非常靈敏的真空管。它具有增益高、噪聲小、頻率響應(yīng)高、采集面積大等特點(diǎn)。然而,光電倍增管因其體積大、功耗大、易碎等缺點(diǎn)而不適用于UOWC。此外,如果

暴露在過量光線下,光電倍增管會受損。為了在實(shí)驗(yàn)室中建立通信鏈路,可同時(shí)使用光電倍增管與接收機(jī)端的可變增益放大器。

受生物激發(fā)的量子光電傳感器利用水下進(jìn)行光合作用的生物進(jìn)行研發(fā)。水下生物能夠吸收和處理來自太陽和其它深海熱泉的微弱光線。與此同時(shí),生物有機(jī)體能夠捕捉太陽輻

射能,并利用量子相干將能量傳輸至反應(yīng)中心,在那里開始光合作用的生化反應(yīng)。與基于半經(jīng)典電荷輸運(yùn)理論、工作于藍(lán)綠光區(qū)的半導(dǎo)體器件(如PMT、PIN和APD)不同,量子光電傳感器是UOWC高效的備選器件。目前許多有關(guān)研究正在進(jìn)行中,希望能發(fā)明出在水下工作良好的生物激發(fā)量子器件。

6.5.3調(diào)制器

調(diào)制技術(shù)的選擇是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。調(diào)制可以直接進(jìn)行或使用外部調(diào)制器。直接調(diào)制是最簡單的方法,它是指驅(qū)動光源的電流被直接調(diào)制。通過泵浦源直接調(diào)制激光器,

但在水下無線光通信系統(tǒng)中存在數(shù)據(jù)傳輸速率有限和鏈路范圍的“啁啾”現(xiàn)象。在光泵浦固體激光器的情況下,系統(tǒng)中的非線性特征會產(chǎn)生弛豫振蕩,阻礙激光器進(jìn)行直接調(diào)制。由于面對將半導(dǎo)體激光器發(fā)射波長延長到綠光方向的長期挑戰(zhàn),直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器的潛力尚未得到充分開發(fā)。

在水下無線光通信系統(tǒng)中,調(diào)制大致可分為兩類:強(qiáng)度調(diào)制(直接調(diào)制和外調(diào)制)和相干調(diào)制。最廣泛使用的調(diào)制方法就是強(qiáng)度調(diào)制,也就是源數(shù)據(jù)根據(jù)光載波的強(qiáng)度被調(diào)制,這可以通過直接使用要傳輸?shù)男盘柣蛘呤褂猛獠空{(diào)制器從而改變光源的驅(qū)動電流的方法來實(shí)現(xiàn)。直接檢測接收機(jī)檢測到調(diào)強(qiáng)信號的方法稱為調(diào)強(qiáng)/直接檢測(IM/DD)或非相干檢測。

調(diào)制技術(shù)的選擇取決于所應(yīng)用的場景和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

6.5.4信道編碼

為了降低水下衰減的影響,UOWC系統(tǒng)采用了FEC信道編碼方案,例如Turbo碼、低密度奇偶校驗(yàn)(LowDensityParityCheck,LDPC)碼、里德所羅門(ReedSolomon,RS)碼、卷積碼等。

表6.8為調(diào)制技術(shù)和編碼方案的綜合列表。

6.6水下無線光通信的協(xié)作分集

UOWC可提供低延遲的高容量鏈路,但由于水下信道的各種影響因素,很難實(shí)現(xiàn)長距離傳輸。因此,為了充分發(fā)揮光載波在水下環(huán)境中的優(yōu)勢,有必要擴(kuò)大其覆蓋范圍。為了實(shí)現(xiàn)長距離傳輸,人們利用UOWC系統(tǒng)中的空間和多徑分集對各種技術(shù)進(jìn)行研究(如MIMO、OFDM、空間調(diào)制技術(shù)等)。協(xié)作分集(或中繼輔助分集)是另一種解決UOWC長距離傳輸問題的方法,該技術(shù)可擴(kuò)大光通信范圍。這種分集技術(shù)主要在地面無線電系統(tǒng)中采用,但最近在FSO系統(tǒng)中也得到了應(yīng)用。

他們在水下環(huán)境中對協(xié)作分集進(jìn)行擴(kuò)展,其中每個(gè)源節(jié)點(diǎn)使用OCC-OCDMA技術(shù)通過中繼將自己的數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程定位的光基收發(fā)信機(jī)站(OpticalBaseTransceiverStation,OBTS),如圖6－19所示,他們還研究了中繼輔助OCDMA的BER性能,發(fā)現(xiàn)在90m點(diǎn)對點(diǎn)干凈海洋鏈路中,即使是雙跳傳輸,也比直接傳輸高出32dB。

圖619基于中繼輔助OCDMA的UOWC

在移動式水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中,多跳傳輸是一種非常有利的傳輸方式,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)間迅速變化。在這種情況下,采用多跳傳輸和地理路由協(xié)議可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外,使用存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的延時(shí)容忍網(wǎng)絡(luò)可改善水下鏈路被破壞時(shí)的通信質(zhì)量,特別是針對由于湍流或任何障礙(如船舶)而導(dǎo)致端到端連接失敗的情況。在水下無線通信系統(tǒng)中,使用放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-and-Forward,AF)協(xié)議可在協(xié)作分集中觀察到5dB的性能改善。雖然水下光通信在這個(gè)方向上開展的工作不多,但在提高遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)集群的鏈路覆蓋范圍和地理連接上將是一項(xiàng)很有前景的技術(shù)。

6.7混合聲光系統(tǒng)

水下無線光通信系統(tǒng)雖然具有高比特率、低功耗、低延遲等優(yōu)點(diǎn),但其傳輸范圍有限。此外,水聲通信具有傳輸比特率低、功耗大、延遲高、傳輸距離長等特點(diǎn)。聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器可以在中等鏈路距離上工作,通信速率為100~5000b/s,或者在較短距離上以較高的通信速率工作。因此,為了充分利用這兩種技術(shù),需要一種混合系統(tǒng)。該混合系統(tǒng)將補(bǔ)充現(xiàn)有的聲學(xué)通信系統(tǒng),在光通信范圍內(nèi)工作時(shí)提供高數(shù)據(jù)傳輸速率和低延時(shí),而在光通信范圍外工作時(shí)提供長距離通信和高魯棒性。

如圖6－20所示,混合聲光系統(tǒng)在吞吐量和能量效率方面具有顯著的優(yōu)勢。從圖6－20(a)可以看到,當(dāng)提供的負(fù)載增加時(shí),聲波信道模型的吞吐量會趨于飽和。雖然混合模型的性能優(yōu)于其它兩種模型,但在光信道模型中,其吞吐量也急劇提

高。圖6－20(b)清楚地顯示出聲波信道模型的功耗隨數(shù)據(jù)速率提高而提高的情況。而在這一方面,混合模型和光信道模型產(chǎn)生的結(jié)果類似。因此,混合聲光系統(tǒng)提供了一定的自由度,根據(jù)負(fù)荷和水的類型,在最短的傳輸時(shí)間內(nèi)選擇最佳的傳輸方式?；旌下暪庀到y(tǒng)的光信號可用于水下AUV或潛水員到基站的高數(shù)據(jù)速率上行鏈路傳輸,而聲學(xué)信號用于大FOV低數(shù)據(jù)速率下行鏈路傳輸?；旌夏Ｐ偷淖畲髷?shù)據(jù)速率比傳統(tǒng)聲學(xué)鏈路的大150倍。

圖6－20聲學(xué)、光學(xué)和混合系統(tǒng)的吞吐量與能源效率比較

圖6－20聲學(xué)、光學(xué)和混合系統(tǒng)的吞吐量與能源效率比較

6.8發(fā)展方向

作為一種聲學(xué)鏈路的補(bǔ)充技術(shù),UOWC能夠在一定的距離內(nèi)提供高數(shù)據(jù)速率,且延遲小。因此該技術(shù)不僅有助于降低功率損耗,還可以為持久的水下監(jiān)測以及相關(guān)監(jiān)測應(yīng)用提供保障。此外,研究人員發(fā)現(xiàn)UOWC可以廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)收集(例如水溫、PH值等)、石油/天然氣監(jiān)測和安保等方面。

隨著對該領(lǐng)域研究的不斷深入以及其自身的發(fā)展