一、研究背景与动机

水下可见光通信（UVLC）优势：UVLC因其丰富的频谱资源、强大的抗电磁干扰能力以及高速的数据传输率而受到关注。

现有问题：

天线配置自由度低：传统方案限制了发射和接收孔径数量为二的整数次幂，削弱了天线阵列的方向性和波束赋形能力。

安全性不足：现有方案主要关注系统可靠性，忽视了数据传输过程中的信息泄露问题。

二、系统模型与设计

发射机结构

数据加密模块：采用双混沌加密算法（Cat映射和改进型Logistic映射）对用户数据进行加密，确保数据传输的安全性。

正交变换模块：利用奇数阶正交矩阵对加密后的数据进行正交变换，提高系统的可拓展性和传输可靠性。

预编码模块：通过预编码运算抑制多用户干扰，确保信号在复杂水下环境中的有效传输。

水下可见光信道模型

信道系数建模为路径损耗和衰落的组合，采用蒙特卡罗方法仿真路径损耗，通过对数强度方差建模湍流效应引起的衰落。

接收机结构

接收信号首先去除直流偏置，然后进行逆正交变换和最大似然检测，恢复并解密加密信号。

三、关键技术与创新点

奇数阶正交矩阵生成算法：提高了水下可见光通信系统的可拓展性，使天线配置更加灵活。

双混沌加密算法：利用混沌同步技术实现密钥同步，提高数据传输的安全性。该算法对密钥具有高度敏感性，任何微小更改都会导致完全不同的加密结果。

四、仿真与性能评估

安全性能分析：

密钥空间分析：混沌加密算法的密钥空间极大，难以通过穷举方式破解。

密钥敏感性分析：加密算法对密钥高度敏感，确保即使密钥发生微小变化也能导致完全不同的加密结果。

合法用户和窃听者SER性能对比：合法用户SER值较低，数据传输准确性高；窃听者SER值较高，无法有效获取或理解传输信息。

与基准方案的比较：

加密方案比较：混沌加密后消息的统计学特性发生显著变化，抵抗频率分析的能力更强。

安全容量比较：本文方案的安全容量优于RC和SMP方案。

可靠性比较：在不同湍流情况下，本文方案均能实现更低的SER，提升通信质量。

五、结论与展望

结论：本文提出的基于混沌加密的奇数阶正交变换辅助MIMO收发机设计，在可靠性和安全性方面均优于基准方案，为水下可见光通信提供了有效解决方案。

展望：未来将进一步研究提升计算效率的次优化算法，并探索更多应用场景下的系统性能优化。

本文为提升水下可见光通信的可靠性、可拓展性与安全性提供了新思路和方法，具有重要的理论和实践意义。