强海洋湍流水下光通信系统误码率研究

水下无线光通信（underwater wireless optical communication,UWOC）系统具有宽带宽、低衰减、低延时时间、高安全、高速率等优点,可满足水下数据、图像、传感器网络、视频通信的高速需求,受到了广泛研究。然而,除了水下的吸收、散射效应外,湍流效应也会使光信号衰减和衰落,限制了UWOC系统的通信质量和传输距离。探讨了外差式差分移相键控（differential phase shift keying,DPSK）调制对误码率（bit error rate,BER）的提升能力。假定强海洋湍流信道为Gamma-Gamma分布,利用改进的Rytov方法,得出了UWOC系统采用平面波和球面波传输时的闪烁系数表达式。借助于Whittaker M函数推导了DPSK调制的UWOC系统采用这两种光波传输时BER的解析式,并利用数值结果验证了解析结果的正确性。应用解析公式,仿真分析了DPSK调制的UWOC系统采用两种光波在三种重要的海洋湍流因素和通信距离下的BER,并对比分析了DPSK调制与OOK调制的BER。仿真结果表明,UWOC系统采用DPSK调制和球面波传输,在较小的均方温度耗散率、较小的温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值、较大的湍流动能耗散率的海洋中及通过较短的通信距离传输可以得到更优的BER。      

Gamma Gamma强海洋湍流和瞄准误差下水下无线光通信系统的性能研究

采用外差式差分相移键控(Differential phase-shift keying,DPSK)调制的水下无线光通信(Underwater wireless optical communication,UWOC)系统经过Gamma Gamma强海洋湍流信道传输,当接收端与发送端之间存在瞄准误差并采用孔径接收方式时,分析了湍流效应和瞄准误差对接收光强的抖动影响,推导了UWOC系统的平均误码率(Bit error rate,BER)和中断概率(Outage probability,OP)的解析表达式。数值模拟研究了不同的瞄准误差、束宽、接收孔径和海洋湍流参数对平均BER和OP性能的影响。结果表明,在相同的束宽和信道环境下,瞄准误差越大,系统性能越差;光束束宽与孔径半径之比越大,接收孔径直径越大,系统性能越好;另外,选择较小的温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值ω和均方温度耗散率χT,以及较大的湍流动能耗散率ε和动力粘度u的海洋湍流环境也有利于获得较好的系统性能。     

孔径接收下各向异性海洋湍流UWOC系统误码分析

为了研究孔径接收对各向异性海洋湍流条件下水下无线光通信(UWOC)系统误比特率的影响, 系统采用高斯光束传输, 接收端通过孔径接收, 在脉冲位置调制方式下通过各向异性海洋湍流信道。引入各向异性海洋湍流结构常数, 通过对闪烁的形成原理和各向异性海洋湍流条件下闪烁系数的分析, 数值模拟得到了在不同接收孔径和各向异性因子下, 海洋湍流参量、传输距离、雪崩光电二极管(APD)平均增益和调制阶数对系统误比特率的影响。结果表明, 相同各向异性因子和海洋湍流参量下, 大孔径接收能有效提升系统误比特率性能; 相同孔径直径和海洋湍流参量下, 各向异性因子越大, 系统通信性能越好; 均方温度耗散率、温度和盐度对海洋功率谱变化贡献的比值较小, 湍流动能耗散率、动力粘度较大以及传输距离越短, 系统误码性能越好; APD增益为100或150时, 系统通信性能最佳; 调制阶数M=8时, 系统通信性能最佳, M>64时, 系统误比特率变化程度几乎饱和。该研究为UWOC系统平台搭建和性能估计提供了参考。     

水下光通信系统在非Kolmogorov湍流中的传输特性

湍流效应是限制水下无线光通信(underwater wireless optical communication,UWOC)系统性能的关键因素之一。在强海洋非Kolmogorov湍流中,首先以平面波和球面波为光源,研究了采用孔径接收的差分相移键控(differential phase-shift-keying,DPSK)调制的UWOC系统性能。接着,基于Gamma-Gamma信道模型,利用Whittaker函数推导出了平均误码率(average bit error rate,ABER)的解析表达式。最后研究了不同光束形状、调制方式、孔径尺寸以及非Kolmogorov湍流参数即内尺寸和幂率对ABER的影响规律。结果表明,UWOC系统采用球面波传输、DPSK调制在比较小的内尺寸和较大的幂率湍流下传输经孔径接收可以提升ABER性能。     

MIMO水下无线光通信系统性能解析研究

为了消除海洋湍流引起的信号衰落和衰减,在基 于BPSK调制的水下无线光通信(underwater wireless optical communication,UWOC)系统中引入了MIMO(multi-input multi-outpu t)技术。在 假设海洋湍流模型为log-normal分布基础上,得出了球面波光束在弱海洋湍流传输的闪烁 指数计算公 式。借助于Gauss-Hermite正交积分近似公式,推导了UWOC系统分别采用SISO(single-in put single-output)、SIMO(single-input multi-output)、MIMO三种技术,且接收端 采用等增益合并法时, 系统误码率(bit error rate,BER)的解析公式。应用此解析公式,数值仿真观察了系统 误码率在不同 的信噪比下受三种海洋参数(即均方温度耗散率,单位质量液体中的湍流动能耗散率,温度 和盐度波 动的相对强度)以及系统通信距离的影响。仿真结果表明,UWOC系统采用MIMO技术,在较小 的 均方温度耗散率、较小的温度和盐度波动的相对强度、较大的湍流动能耗散率的海洋中,以 及通过较 短的通信链路都可以得到更优的误码率性能。     

各向异性海洋湍流对外差式DPSK无线光通信系统的性能研究

应用广义的惠更斯-菲涅耳原理及改进的Rytov方法,采用基于Gamma-Gamma光强概率分布的海洋湍流信道模型,得到了中断概率解析式.并在此基础上对各向异性海洋湍流高斯光束外差式差分相移键控(DPSK)调制的中断概率性能进行了研究.仿真分析了不同的各向异性海洋湍流下各种海洋湍流参数(温度与盐度波动对功率谱变化贡献之比、单位质量流体动能耗散率、均方温度耗散率)、传输距离、DPSK调制的数据传输速率对中断概率的影响.为降低高斯光束DPSK调制下的中断概率、提高通信质量及可靠性提供了理论依据.     

海洋湍流下波长分集无线光通信系统性能分析

由于海水的吸收、散射衰减以及海洋湍流效应会引起水下无线光通信（Underwater wireless optical communication,UWOC）系统接收端光信号的闪烁,导致UWOC系统传输性能下降。基于Gamma-gamma分布的海洋湍流信道模型,根据海洋湍流参数和各向异性因子表示的等效结构参数,推导出波长分集UWOC系统中断概率（Outage probability,OP）与平均误码率（Bit error rate,BER）封闭表达式。研究分析随着各向异性因子的增加,具有不同波长分集阶的水下无线光通信系统中断概率与平均误码率的变化,比较接收端使用最佳组合（Optimal combining,OC）与等增益组合（Equal gain combining,EGC）技术的水下无线光通信系统平均误码率,并仿真不同海洋湍流参数、传输距离对波长分集UWOC系统性能的影响。数值结果表明,随着各向异性因子的增加,海洋湍流对水下无线光通信系统产生的影响逐渐减弱,使用波长分集技术的UWOC系统比无波长分集技术的UWOC系统中断概率与平均误码率明显改善。     

带球差的部分相干光束在海洋湍流中传输的光强特性北大核心CSCD

利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式得到了带球差的部分相干光束在海洋湍流中传输的光强表达式,通过数值计算研究了带球差的部分相干光束在海洋湍流中传输的光强特性。研究表明:均方温度耗散率χT较大、单位质量液体中的湍流动能的耗散率ε较小或者温度和盐度波动的相对强度w较大时,海洋湍流对光束的扩展影响较大;χT较小、ε较大或者w较小时,海洋湍流对光束的扩展影响较小;光束的相干长度越小,或者球差越大,光束越扩散。光束在海洋中传输时,球差参数对光束扩散的影响明显小于海洋参数对光束扩散的影响。     

海洋弱湍流条件下光孤子脉冲通信性能

为降低海洋湍流对水下光通信系统链路性能的影响,将光孤子脉冲应用于水下通信。假定水下通信系统采用开关键控调制,信道采用描述海洋弱湍流的Lognormal模型,推导出了海洋闪烁系数的具体表达式和含形状因子和闪烁系数的通信误码率表达式,仿真分析了不同湍流强度、海洋湍流参数下光孤子、矩形、高斯脉冲光束的通信误码率,最后从脉冲时域角度对比研究三种脉冲光束。结果表明:随着湍流强度的变化,信噪比为5dB时,光孤子脉冲的误码率比高斯型和矩形脉冲的误码率低至少3个数量级。接收孔径和温度与盐度波动对海洋光学湍流贡献的比值是对水下通信误码率影响较灵敏的因素;随着海洋湍流影响因素的变化,光孤子脉冲抵抗外界环境的能力强于其他脉冲,其误码率始终小于高斯和矩形误码率。光孤子时域展宽比高斯、矩形展宽小,但随着距离的增加,三种脉冲展宽趋于一致。仿真结果验证了光孤子脉冲用于水下通信的优势,可为下一步研究提供理论参考。     

一种基于OAM的FSO误码性能的理论分析方法

携带轨道角动量的涡旋光束在自由空间光通信信道中传输时,信道中的湍流介质会改变涡旋光束的传播特性,破坏波前螺旋结构,最终直接影响通信的稳定性和可靠性.针对现有实验研究在普适性方面的不足,本文选取基于相干光束合成技术的高功率涡旋光束阵列为研究光源,从理论角度出发,建立一套完备的体系架构,用以分析大气湍流引起的幅度和相位起伏对基于轨道角动量的自由空间光通信系统性能的影响.应用光学外差检测,对湍流条件下信噪比的随机分布进行详细的研究,并基于此得到多进制相移键控调制下符号错误概率的解析表达式,评估不同湍流信道参数、光源参数以及接收机参数对符号错误概率的影响.结果表明,增大阵列子光束束腰半径、阵列子光束个数,减小阵列环状半径,可以提高光束质量,优化系统性能.另外,较小的拓扑荷数、传播距离和湍流强度以及较大的接收孔径直径使得符号错误概率较低,对应的通信性能更佳.     

SER performance investigation of UWOC system over composite EGG oceanic turbulence fading channel with BSF

In this work, the symbol error rate (SER) performance of a relay-assisted underwater wireless optical communication (UWOC) system has been investigated over the composite exponential-generalized gamma (EGG) distribution with the beam spread function (BSF) under two hard decision schemes of fixed decision threshold (FDT) and dynamic decision threshold (DDT). Specifically, the oceanic turbulence is assumed to follow the EGG distribution, and the impacts of absorption, scattering and misalignment loss are characterized by BSF. The cumulative distribution function (CDF) of this UWOC system is derived with the max-min criterion as the best path selection scheme. And with the help of Gauss-Laguerre quadrature function, the analytical SER expressions for these two threshold schemes are then achieved and validated by Monte Carlo (MC) simulation. Moreover, the SER performance is further studied under different temperature gradients, bubble levels (BLs) and water salinity over three water types, as well as the system structure parameters. Results show that the UWOC system with DDT scheme can efficiently overcome the error floor induced by FDT scheme and demonstrates better SER performance. Furthermore, the SER performance would be improved with lower BL, temperature gradients and water salinity as well as the concentration of dissolved particles. This work will benefit the design and research of relay-assisted UWOC system.     

PCFT光束阵列在海洋湍流中的传输特性

为了研究部分相干平顶光束阵列在海洋湍流中的传输特性,基于拓展惠更斯-菲涅耳原理和魏格纳分布函数,结合海洋湍流的空间功率谱函数,理论推导了部分相干平顶光束阵列在海洋湍流中的传输因子、有效曲率半径、瑞利尺寸的解析表达式,数值计算并讨论了它们与光束的相干长度、海水温度与盐度变化、动能耗散率、温度方差耗散率等参量的关系.结果表明,在相同条件下,当传输距离超过400m时,相对于部分相干高斯光束、部分相干平顶光束和部分相干高斯光束阵列,部分相干平顶光束阵列受海洋湍流的影响更小,传输特性更为稳定.此结果对选择合适的光束在海洋湍流传输方面具有一定的参考价值.     

Dynamical behavior and propagation characteristic of partially coherent sinh-Airy beams in oceanic turbulence

By introducing the hyperbolic sine function to Airy beam, the dynamic behavior and propagation characteristics of partially coherent sinh-Airy beams in oceanic turbulence are studied using approximate analytical intensity expression. The influence of sinh modulation parameter, coherence length and ocean parameters on intensity evolution, beam width and kurtosis parameter is mainly discussed. The results show that a non-zero sinh modulation parameter presents not only the insensitivity to oceanic turbulence, but a smaller beam width. Furthermore, it also improves kurtosis parameter. These findings bring advantages in signal reception for long distance. In addition, a larger relative intensity of temperature or salinity fluctuations, mean square temperature dissipation rate, or a smaller dissipation rate of turbulence kinetic energy is more liable to increase beam width, or decrease intensity and kurtosis parameter of partially coherent sinh-Airy beams. The results provide an opportunity for improving signal reception of underwater communication or target detection by Airy beams or their groups.     

Channel estimation and error correction for UWOC system with vertical non-line-of-sight channel

Recently, underwater wireless optical communication (UWOC) system has placed more attention towards increasing data rate, high accuracy, higher bandwidth and providing highly secured transmission. Generally, light propagation in underwater medium is disturbed due to some degrading effects such as turbulence, scattering and absorption which will degrade the performance. Therefore, channel estimation is essential and need to adapt suitable correction techniques that compensate the errors due to those effects. In this work, channel estimation and error correction technique are proposed for the UWOC system with vertical non-line-of-sight channel based on MIMO-OFDM approach. Initially, input sequence error is eliminated by HVD Turbo coding method and error rectified signal is modulated with M-ary OAM-PPM modulation technique. Modulated signal is transmitted through Vertical NLOS channel. During transmission, the signal undergoes scattering, absorption and channel fading. In receiver side, channel characteristics are estimated by invariant embedding method. Finally, estimated signal is demodulated and decoded by same techniques. MATLAB environment is used to implement the proposed work. Resultant performances like channel capacity, BER, SNR, data rate, receiving power and MSE for different water types like pure sea water, ocean water, costal water and turbid water are compared and results are examined.