引用本文:

邓春丽, 宋锐, 李晓锋,等. 基于CMOS摄像头的水下MIMO短距离可见光通信[J]. 光通信技术,2020,44(3):1-5.

基于CMOS摄像头的水下MIMO短距离可见光通信

邓春丽1,2,宋 锐2,李晓锋2,龙治红2,谭本军2*

(1. 中南大学 信息科学与工程学院,长沙 410083; 2. 张家界航空工业职业技术学院,湖南 张家界 427000)

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摘要:由于水下信道的多径效应、时变效应,水下无线电通信速率及信噪比均十分低,在实际的水下通信应用场景,如水下传感器网络,需要同时获取多个信号源的码流信号,提出一种基于CMOS摄像头的水下可见光多输入多输出(MIMO)通信系统。系统采样曼切斯特编码以用于不同距离的信号源的时钟信号恢复,同时提出了多个信号源识别及光强拟合的方法并研究了在水下环境中波特率对信号波形畸变的影响。实验结果表明:在尺寸为4 m×3 m×3 m的试验池中,对LED阵列进行优化布局后,本系统可实现21 kb/s的水下通信,可适用于诸如水下传感器网络的短距离、少信息量的数据交换场合。

关键词:可见光通信;水下通信;CMOS传感器;MIMO通信;传感器网络

中图分类号:TN912.11; TN911.33 文献标志码:文章编号:1002-5561(2020)03-001-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2020.03.001

0 引言
       随着人类对深海领域探测的不断加深,水下无线传感器网络(WSN)被广泛运用于水下环境监测、海底探测等领域,如对海洋微生物、微型地震、地壳变形和污染物进行长期监测。而这些工作单靠人力是很难完成的,如果将传感器置于水下,组成水下无线传感器网络,采用轮询的方式可以获得大量连续、大范围的准同步海洋数据,为水下资源的保护、勘探提供科学依据。因此,水下传感器之间进行无线通信成为一项关键性技术,目前各国对水下通信技术研究的主要目的之一就是实现水下传感器、记录仪等设备间的通信[1]。
       水下可见光通信(UVLC)作为一种水下环境的无线通信技术,最初应用在军工领域。而随着光电探测器件的发展,基于发光二极管(LED)的UVLC技术得到了高速发展。当前,水下无线光通信系统主要采用大功率LED或者激光作为信号源[2-5]。2004年,美国的Woods Hole研究所和麻省理工大学在海水中采用普通的蓝光LED实现了115 kb/s的通信速率,距离达到5 m。2014年,日本学者Izumi Mizukoshi等人利用激光和采用正交频分复用技术成功实现了水下2 m的
968 Mb/s通信速率。由于水下激光通信具有光束角度小、需严格对准和对人眼或者设备有害等缺点,因此当前的研究热点集中在基于LED的UVLC系统设计。而现有的一些UVLC系统均采用光电探测器作为光信号接收机,如光电二极管(PD)、雪崩光电二极管(APD)。PD造价低,但是响应灵敏度有限;APD需要很高的偏置电压才能表现出较高的响应灵敏度,且造价昂贵不适合大规模使用。而普通的CMOS摄像头造价低、体积小,且驱动电压低、工作电流小,基于其特有的“卷帘快门”效应,可以记录下一帧画面的时间序列(即拍摄得到图形具有时延性[2])。若使用这类摄像头对经过数字调制的LED进行摄像,则会得到滚动的条纹序列通过实时解码系统即可完成信息的传输[6-10]。
       目前,国际上已有许多相关文献报道基于CMOS摄像头卷帘效应的可见光通信系统的应用。相比于基于模拟光电探测器件,基于CMOS摄像头的可见光通信系统仅能支持最普通的开关键控(OOK)调制,无法实现高速光通信;但是在低速数据交换的应用场合,基于CMOS摄像头的可见光通信系统有其自己的优势:①设备简单且廉价;②无需额外的多址技术[11];③易于集成与移植。CMOS摄像头是数字器件,通过通用的数字器件接口可在多种运行平台上应用,这对水下WSN的构建有重大意义[12-14]。为此,本文提出基于CMOS摄像头的水下可见光多输入多输出(MIMO)通信系统,应用于水下短距离通信系统的构建,并分析影响通信质量的相关因素。

3 结束语
       本文将基于数字摄像头的可见光通信系统应用至水下短距离通信,并针对诸如水下传感器网络等分布式传感器节点间通信的应用场景,提出一种MIMO的通信方案,包括编码方式、解码算法。进一步分析了在不同编码速率下的系统传输性能,通过合适地调整摄像头的曝光时间参数,可以实现基于数字摄像头的MIMO可见光通信系统在水下的应用。本系统在摄像头使用4163×3120分辨率模式下可以实现21 kb/s的通信速率,通过测试,通信误码率低于10-6。同时,由于使用了MIMO方案,可在一帧有效图案内获取来自多个信号源的码流。实验数据综合表明:本系统适合用于水下诸如传感器网络、多信号源、小数据量和短距离应用场合的信息传输。