基于部分相干光的水下光通信系统平均信道容量确定方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于部分相干光的水下光通信系统平均信道容量确定方法，主要解决现有技术未涉及部分相干高斯光束在海洋中的闪烁指数和平均信道容量问题。其方案是：建立SISO‑UWOC系统,得出平均信噪比

【技术实现步骤摘要】
基于部分相干光的水下光通信系统平均信道容量确定方法
本专利技术属于通信
，特别涉及一种平均信道容量确定方法，可用于单输入单输出水下无线光通信系统。
技术介绍
近年来，水下无线光通信UWOC在军事、工业和科学研究中的重要地位受到越来越多的关注。相对于传统的水下声音通信，水下无线光通信具有三大优势：低延迟、高带宽和更好的安全性。也正是由于这三大优势，使得水下无线光通信在水下勘测、水下传感器网络、水下考古、航海、水下石油基础设施维护与控制等领域发挥着重要作用，同时也使得更多的研究工作开始致力于开发更高速率和更大容量的水下无线光通信系统。光在水下的传播由于受到三个因素的影响而产生衰减：吸收、散射和海洋湍流。这些因素使得接收光信号的光强度产生衰减和波动，因此水下的链路长度一般不超过100米。在吸收现象中，入射光子的能量会被叶绿素、海水中的盐、悬浮颗粒、水分子这些海水成分所吸收。同时，这些海水成分也会造成光子偏离最初的传播方向形成散射。接收光信号强度的波动又叫闪烁。海水中吸收、散射和闪烁的共同影响会导致信噪比SNR的下降，最终导致误码率上升和信道容量下降。不同类型的光在海水中传播时会有不同的性能表现，研究不同光束在海水中的传播性能也是目前水下光通信研究中的重要内容。同时，信道容量作为衡量通信系统性能的重要指标，也是水下无线通信的研究重点。目前水下信道容量的确定大都是通过建立水下无线光通信UWOC系统，考虑水下信道中吸收散射效应或者湍流效应，利用香农公式研究不同类型光在通过UWOC系统时的信道容量，目前对于完全相干高斯光束在水下的信道容量研究较为完善，但是完全相干高斯光束在减少闪烁指数的性能上并不突出，影响水下无线光通信系统信道容量的提升。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于部分相干光的水下光通信系统平均信道容量确定方法，以明显减少因海洋湍流引起的光强度闪烁，进而提升水下无线光通信系统的平均信道容量。实现本专利技术目的的技术思路是，利用部分相干光可以消除完全相干光的成环、散斑、边缘效应和焦移这些有害效应的特性，将部分相干高斯光束运用于水下无线通信，通过建立SISO-UWOC系统模型，利用高斯-谢尔模型和折射率结构常数在水下的表达式推导出部分相干高斯光在弱湍流情形下的闪烁指数表达式，同时结合信道状态信息CSI已知和未知两种情形的平均信道容量表达式，确定部分相干高斯光束在单输入单输出水下光通信系统中的平均信道容量。根据上述思路，本专利技术的技术方案包括如下：1)基于强度调制和直接检测及非归零二进制开关键控NRZ-OOK调制,构建单输入单输出水下无线光通信SISO-UWOC系统模型，得出该系统的平均信噪比＜SNR＞:其中h为信道状态，γ为光电探测器响应度，P0为平均发射信号光功率，n0表示独立于信号的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为σn2；E[h]表示辐照度的期望。2)构建部分相干光在海洋弱湍流条件下的闪烁指数σI2表达式：其中，L为链路距离；r为离轴距离；ε为单位质量海水的动能耗散率，取值为10-1m2/s3到10-10m2/s3；η为柯尔莫哥洛夫微尺度或内尺度，且取值为10-3；XT表示均方温度耗散率，取值为10-4K2/s到10-10K2/s；ω表示温度和盐度对折射率谱的贡献比，为无量纲量，取值为-5到0，当值为-5和0时分别表示湍流由温度主导和盐度主导；k表示波数；wL表示接收光束尺寸；表示接收端接收尺寸参数；3)基于现有的水下对数正态LN信道模型，并考虑吸收散射效应和海洋湍流的共同作用，构建联合信道衰减因子的概率密度函数：其中h表示联合信道衰减因子，hl表示传输损耗因子，σI2表示闪烁指数；4)根据1)和3)的结果，得出部分相干高斯光在单输入单输出水下无线光通信SISO-UWOC系统中的平均信道容量：4a)将1)中的平均信噪比＜SNR＞和3)中的闪烁指数σI2表达式带入到信道状态已知时的平均信道容量公式中，得出当信道状态已知时，部分相干高斯光在单输入单输出水下无线光通信SISO-UWOC系统中传播时的平均信道容量<C1>：其中x表示输入二进制信号，y表示接收二进制信号，PX(x)表示传输比特为0或者1时的概率，且有PX(x＝1)＝PX(x＝0)＝0.5，m表示传输比特0和1，f(y|x,h)表示为：4b)将1)中的平均信噪比和3)中的闪烁指数表达式带入到信道状态未知时的平均信道容量公式中，得出当信道状态未知时，部分相干高斯光在单输入单输出水下无线光通信SISO-UWOC系统中传播时的平均信道容量<C2>：其中f(y|x)表示为：本专利技术具有以下优点：本专利技术首先提出了一种基于部分相干光的水下光通信系统平均信道容量确定方法。基于IM/DD检测和NRZ-OOK调制，建立了SISO-UWOC系统；利用高斯-谢尔模型、折射率结构常数的水下表达式和闪烁指数的径向和轴向分量表达式，得出了部分相干高斯光束在海洋弱湍流环境中的闪烁指数表达式；通过建立联合信道模型，更加全面的研究了吸收散射效应和海洋湍流的联合影响；同时也是第一次将平均信道容量即最大化收发端交互信息的研究思路运用于水下。附图说明图1是本专利技术的实现流程图；图2本专利技术中的单数单输出水下无线光通信SISO-UWOC系统图；图3是用本专利技术得到的闪烁指数在不同传播距离下的变化图；图4是用本专利技术得到的闪烁指数在部分相干高斯光束腰半径取不同值时的变化图；图5是用本专利技术得到的闪烁指数在部分相干高斯光相干度取不同值时的变化图；图6是用本专利技术得到的闪烁指数在均方温度耗散率取不同值时的变化图；图7是用本专利技术得到的闪烁指数在单位质量海水的动能耗散率取不同值时的变化图；图8是用本专利技术得到的闪烁指数在温度和盐度对折射率谱的贡献比取不同值时的变化图；图9是用本专利技术得到的平均信道容量在不同海域中的对比图；图10是用本专利技术得到的平均信道容量在传播距离取不同值时的变化图；图11是用本专利技术得到的平均信道容量在部分相干高斯光束腰半径取不同值时的变化图；图12是用本专利技术得到的平均信道容量在部分相干高斯光相干度取不同值时的变化图；图13是用本专利技术得到的平均信道容量在均方温度耗散率取不同值时的变化图；图14是用本专利技术得到的平均信道容量在单位质量海水的动能耗散率取不同值时的变化图；图15是用本专利技术得到的平均信道容量在温度和盐度对折射率谱的贡献比取不同值时的变化图；具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明。本实施例仅表示对本专利技术的原理性说明，不代表对本专利技术的任何限制。参照图1，本专利技术的实现步骤如下：步骤1，基于IM/DD检测和NRZ-OOK调制，建立SISO-UWOC系统,得出平均信噪比表达式。1a)在发射端，开关键控OOK二进制数据流首先通过一个脉冲整形滤波器以限制传输信号带宽同时降低接收错误概率；再通过激光器将二进制电信号调制到基模状态下的准直高斯波束上；接着利用移相器在改变已调光信号的散度同时，保持激光的方向性；之后光信号将在具有吸收、散射和湍流效应的水下无线光通信UWOC信道中传播；1b)在接收端，首先利用光电探测器接收光信号，再将该光信号依次通过放大和匹配滤波，得到接收的原始数据流信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于部分相干光的水下光通信系统平均信道容量确定方法，其特征在于，包括下述：1)基于强度调制和直接检测及非归零二进制开关键控NRZ‑OOK调制,构建单输入单输出水下无线光通信SISO‑UWOC系统模型，得出该系统的平均信噪比＜SNR＞:

【技术特征摘要】
1.基于部分相干光的水下光通信系统平均信道容量确定方法，其特征在于，包括下述：1)基于强度调制和直接检测及非归零二进制开关键控NRZ-OOK调制,构建单输入单输出水下无线光通信SISO-UWOC系统模型，得出该系统的平均信噪比＜SNR＞:其中h为信道状态，γ为光电探测器响应度，P0为平均发射信号光功率，n0表示独立于信号的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为σn2。E[h]表示辐照度的期望。2)构建部分相干光在海洋弱湍流条件下的闪烁指数σI2表达式：其中，L为链路距离；r为离轴距离；ε为单位质量海水的动能耗散率，取值为10-1m2/s3到10-10m2/s3；η为柯尔莫哥洛夫微尺度或内尺度，且取值为10-3；XT表示均方温度耗散率，取值为10-4K2/s到10-10K2/s；ω表示温度和盐度对折射率谱的贡献比，为无量纲量，取值为-5到0，当值为-5和0时分别表示湍流由温度主导和盐度主导；k表示波数；wL表示接收光束尺寸；表示接收端接收尺寸参数；3)基于现有的水下对数正态LN信道模型，并考虑吸收散射效应和海洋湍流的共同作用，构建联合信道衰减因子的概率密度函数：其中h表示联合信道衰减因子，hl表示传输损耗因子，σI2表示闪烁指数；4)根据1)和3)的结果，得出部分相干高斯光在单输入单输出水下无线光通信SISO-UWOC系统中的平均信道容量：4a)将1)中的平均信噪比＜SNR＞和3)中的闪烁指数σI2表达式带入到信道状态已知时的平均信道容量公式中，得出当信道状态已知时，部分相干高斯光在单输入单输出水下无线光通信SISO-UWOC系统中传播时的平均信道容量<C1>：其中x表示输入二进制信号，y表示接收二进制信号，PX(x)表示传输比特为0或者1时的概率，且有PX(x＝1)＝PX(x＝0)＝0.5，m表示传输比特0和1，f(y|x,h)表示为：4b)将1)中的平均信噪比和3)中的闪烁指数表达式带入到信道状态未知时的平均信道容量公式中，得出当信道状态未知时，部分相干高斯光在单输入单输出水下无线光通信SISO-UWOC系统中传播时的平均信道容量<C2>：其中f(y|x)表示为：2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中构建单输入单输出水下无线光通信SISO-UWOC系统模型，其实现如下：1a)在发射端，开关键控OOK二进制数据流首先通过一个脉冲整形滤波器以限制传输信号带宽同时降低接收错误概率；再通过激光器将二进制电信号调制到基模状态下的准直高斯波束上；接着利用移相器在改变已调光信号的散度同时，保持激光的方向性；之后光信号将在具有吸收、散射和湍流效应的水下无线光通信UWOC信道中传播；1b)在接收端，首先利用光电探测器接收光信号，...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹正兴，王平，庞维娜，李昂，陈雯雯，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61