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杨尚君,梁静远,柯熙政. 水下无线光通信模型及其实验研究进展[J]. 光通信技术,2024,48(6):1-5.

水下无线光通信模型及其实验研究进展

杨尚君1,2,梁静远3,柯熙政3,4*

(1. 河南工业大学 粮食信息处理与控制教育部重点实验室,郑州 450001;2.河南工业大学 信息科学与工程学院,郑州 450001; 3. 西安理工大学 自动化与信息工程学院,西安 710048;4. 西安文理学院 信息工程学院,西安 710065)

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摘要:为了分析水下无线光通信技术在海洋湍流中的传输行为,基于水下非视距(NLOS)传输模型、水下信道模型和相关实验,对水下无线光通信技术进行了全面总结,并分析了蓝绿光在3种不同NLOS传输模型下的传输特性。结合先前的实验结果,阐述了光在水下传输过程中吸收散射及湍流效应对水下折射率结构常数和概率分布的影响机理。同时,对水下光通信实验进行了总结,通过研制的光学系统验证了不同传输速率和不同距离下的水下光通信性能,并对水下无线光通信未来的发展方向进行了展望。

关键词:水下无线光通信;蓝绿光;非视距;信道模型;湍流

中图分类号:TN929.12 文献标志码:文章编号:1002-5561(2024)06-0001-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2024.06.001

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这份文件是关于水下无线光通信模型及其实验研究进展的学术论文,主要内容包括以下几个方面:

  1. 论文背景与目的

    • 研究背景:水下无线通信可以采用声波、电磁波和光波作为数据传输载体,其中水下光通信因其高传输速率、强信息承载能力和小收发天线尺寸等优势而受到关注。

    • 研究目的:全面总结水下无线光通信的非视距传输模型、水下信道模型及相关实验,分析蓝绿光在不同传输模型下的特性,并探讨水下光通信的未来发展方向。

  2. 非视距传输模型

    • 传输方式:水下蓝绿光通信中,光信号采用非视距(NLOS)传输方式,无需精确对准,灵活性高。

    • 三种传输模型:包括水平、垂直和斜程NLOS传输,每种模型的光源发射仰角和光电探测器接收仰角不同,影响系统接收光功率。

    • 实验结果:在相同条件下,绿光接收光功率显著高于蓝光,且c类形式的NLOS传输模型表现出更佳的通信性能。

  3. 水下无线光信道模型

    • 吸收散射效应:光在水下传输时会发生吸收和散射,影响信道性能。研究通过建立模型量化这些效应,如蒙特卡洛模拟技术、颗粒物散射模型等。

    • 湍流效应:水下湍流导致光强随机波动,影响接收信号稳定性。研究提出了多种分布模型来描述光强波动,如对数正态分布、Gamma-Gamma分布、韦布尔分布等。

    • 折射率结构常数:衡量光学湍流强度的重要参数,通过实验测量发现海洋湍流比河水湍流更为强烈。

  4. 水下光通信实验

    • 系统设计:包括发射端和接收端的光学系统设计,使用点光源、复眼透镜等技术优化光学性能。

    • 实验设置:在不同传输距离(1、2、5米)和调制速率(2、10 MHz)下进行实验,采用开关键控(OOK)调制方式。

    • 实验结果:接收波形出现畸变和衰减,提出通过增加发射功率、提升接收信号质量等方法改善性能。

  5. 未来发展方向

    • 技术创新:采用多发多收等先进调制技术提升通信性能,利用超结构和超表面优化光学系统和器件。

    • NLOS传输应用:缓解水下光通信中的对准难题,增强系统灵活性与可靠性。