基于空间脉冲调制的新型水下无线光MIMO通信系统性能研究

High-speed underwater communications play a significant role in the development of science research and commercial use by providing efficiently real-time data exchange between surface vessels, underwater vehicles and seafloor infrastructure. However, the conventional acoustic communication subjects to low transmission rate, narrow bandwidth and long propagation delay. In order to improve the data rate of the short range underwater wireless communication, we proposed a novel underwater wireless MIMO system based on the spatial flag dual amplitude pulse position modulation. Through theoretical and experimental analysis, the attenuation laws of optical signal over the underwater wireless channel in both light-of-sight and scattering communication links are analyzed. Clarify the influence of different water characteristics on the optical signal. The proposed system combines the MIMO and digital modulation technique, can achieve high data rates while providing good BER performance and low system complexity. The channel coding and iterative decoding technology can ensure the reliability of data transmission. The research work of this project will analysis the underwater wireless optical network, clarify the attenuation mechanism of the light transmission and provide theoretical and experimental basis for the realization of high data rate underwater communication.

水下高速通信可实现水面舰艇、水下航行器以及海底传感器之间的实时数据交换，对科学研究和商业用途的发展具有重大意义。但传统的水声通信技术存在传输速率低、带宽窄、信号延时长等缺陷。本课题针对短距离水下通信对提高传输速率的迫切需求，提出一种基于空间光标识定长双幅度脉冲位置调制(S_FDAPPM)的无线光MIMO通信系统。通过理论和实验，分析光在可视和散射水下通信链路中传输时的衰减规律，阐明不同特性的水质对光传输的影响，建立无线光MIMO系统的信道模型；结合空间调制和数字调制技术，实现系统高数据传输率，优误码率性能和低系统复杂度；采用信道编码及迭代译码技术，保证数据传输的可靠性。本项目的研究能系统的分析水下无线光通信网络，渴望阐明水质对光传输的衰减机理，为实现高码率水下通信提供理论和实验依据。

研究目标.本课题拟重点研究基于MIMO的水下无线光通信系统性能，分析光在不同海水环境中的衰减特性，讨论新系统在可视通信和漫射通信链路中的传输性能、误码性能及可靠性等，为实现低误码率、高传输率的水下通信提供理论和实验基础。 通过蒙特卡洛仿真模拟水下光通信链路，模拟仿真水下无线光MIMO系统的信道响应，分析海水类型，衰减长度，发散角以及波束宽度等因素对光传输特性的影响。采用SM调制，数字脉冲调制，功率非均衡分配等技术相结合的方法来提高系统的传输能力和系统可靠性。.研究内容.（1）.水下无线光MIMO信道建模.本项目基于Monte Carlo模拟方法研究接收信号功率与通信距离、光波长、海面反射率和折射率、向下辐照度透射率、接收孔径、以及收发天线数目等参数的关系；将米氏散射理论与蒙特卡洛模拟水下光子传输过程相结合，在米氏散射理论的基础上，建立了激光在含有悬浮粒子的信道中传输的信道模型，全面的分析水体中不同的悬浮颗粒下的水下激光传输信道特性； 根据水下无线光MIMO系统模型，研究了不同链路条件下的光传输信道响应，并接收端进行数据融合，建立了基于SM调制的水下无线光MIMO通信信道模型。.（2）.基于S_FDAPPM新型水下无线光MIMO系统性能的研究.本项目设计了新型的适合水下无线光通信系统的调制算法，比较分析了新调制算法与无线光通信系统中传统的调制算法，在最大传输速率、功率效率、带宽效率和抗干扰性能等通信参数的优劣性；建立了自由度高的水下无线光SM结构模型，结合相关性低的无线光可视信道推导离散多输入多输出信道容量表达式；分析功率非均衡分配下调制信号星座图，研究功率分配优化参数对系统信道容量的影响，并在不同信噪比条件下与传统的功率分配算法进行比较; 采用非均衡功率分配技术来提高系统的误码性能，研究不同的信道环境、系统结构以及传输速率等情况对系统传输可靠性的影响。.（3）.试验验证.试验532nm的绿色激光在不同浑浊度海水中的传输衰减特性，分析了不同距离，接收孔径以及接收视场角的影响。

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