一种面向光子计数型水下无线光OOK通信系统的同步方法技术方案

一种面向光子计数型水下无线光OOK通信系统的同步方法，包括传输数据结构和同步方法的设计。数据结构的设计包括发送帧结构的设计和接收信号的划分，数据以连续帧的方式进行发送，同步序列周期地嵌入到发送数据中，同步前将接收信号划分成长度相同的切片；同步时基于一帧长的接收信号，采用最大似然联合估计方法建立对应的优化问题寻找同步序列位置，并通过一些简化降低原优化问题的求解复杂度。本发明专利技术从信号同步的角度来解决水下无线光OOK通信系统传输性能不佳的问题，同步方法形式简单，通过简化降低方法的复杂度，更加适用于光子计数型水下无线光OOK通信系统。本发明专利技术能以较低的复杂度改善同步性能，提高光子计数型水下无线光OOK通信系统的可靠性。光OOK通信系统的可靠性。光OOK通信系统的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种面向光子计数型水下无线光OOK通信系统的同步方法


[0001]本专利技术涉及水下无线光通信和信号同步领域，尤其涉及一种面向光子计数型水下无线光OOK通信系统的同步方法。

技术介绍

[0002]随着全球气候变暖和资源枯竭等问题日益严重，人们对全面探索海洋的兴趣越来越大。水下通信作为海洋探索开发中重要的信息传递的纽带，无论是在水下自主机器、水下传感网络，还是水下侦察检测，水下通信都发挥着重要的作用。水下通信技术主要包括有线通信和无线通信。有线通信一般通过水下线缆进行通信，这种通信方式对水质不敏感且通信速率较高，但是铺设线缆成本较大，通信线缆可能受到侵蚀和破坏，因此不适用于水下移动作业。常见的水下无线通信包括射频通信，声波通信和无线光通信。其中，射频通信已经在陆地商用上取得了巨大的成功。但是，在水下场景中，由于海水的良导体特性，射频信号在水体中会因为趋肤效应快速衰减，从而大大限制了水下射频通信的传输距离。一般来说，射频通信在水下的通信距离只有十米量级，实用性不高。对于水下声波通信，尽管它可实现水下长距离通信，但是声波通信设备往往体积大、功耗高。同时，由于声波频率低传播慢，声波通信在传输速率和传输延迟方面通常也难以令人满意。此外，水声通信还可能对海洋生态造成一些不良影响。与前两者相比，水下无线光通信具有高速率，低延迟的优势，而且可以达到百米量级的通信距离。同时，由于光束方向性高并且波长短、绕射衍射能力低，水下无线光通信有更强的保密性。此外，水下无线光通信设备还具有体积小、功耗低、成本低的优点。因此，水下无线光通信常被视为水下无线通信中极具前景的传输方案。
[0003]在水下无线光通信系统中，同步是其中必不可少的一环，精确同步是确保接收端准确恢复出发送数据的前提。水下无线光通信传输环境复杂，其中可能会有很多不利的因素影响通信性能。首先，光波在水体中由于吸收和散射的影响，会经历比较大的衰减，长距离传输的光信号会变得十分微弱。其次，海洋中水体在不断地循环流动，造成了海水中温度和湿度的不均匀分布，这种不均会导致水体对光线折射的不均匀，从而形成湍流影响光信号的传播。此外，船舶尾流、海洋生物活动、水底沼气、水下作业、雨滴海浪等都可能在水下引入气泡，无线光信号在气泡的干扰下可能会被衰减或者偏离收发端对准的方向。综上，复杂的水下环境给水下无线光通信带来了很多困难，同时也给其中的同步问题带来很多挑战。在弱光场景(对应低功率或长距离传输)下，常采用光子计数接收器件，一个符号周期内检测的光子数目一般建模为泊松分布。现有光子计数型水下无线光OOK通信系统一般采用滑动相关方法进行同步，未能充分利用完整接收信号的信息。鉴于同步在通信系统中的重要作用，研究光子计数型水下无线光OOK通信系统高效的同步方法十分有意义。因此，我们将结合水下信道动态性特点，研究考虑光子计数型水下无线光OOK通信系统的同步问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种面向光子计数型水下无线光OOK通信
系统的同步方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
[0005]为了实现上述目的，作为本专利技术的一方面，提供了一种面向光子计数型水下无线光OOK通信系统的同步方法，包括传输数据结构和同步方法的设计。数据结构的设计包括发送帧结构的设计和接收信号的划分，数据以连续帧的方式进行发送，同步序列周期地嵌入到发送数据中，同步前将接收信号划分成长度相同的切片；同步时基于一帧长的接收信号，采用最大似然联合估计方法建立对应的优化问题寻找同步序列位置，并通过一些简化降低原优化问题的求解复杂度。
[0006]一种面向光子计数型水下无线光OOK通信系统的同步方法，包括以下步骤：
[0007](1)以连续帧的形式传输数据，并将同步序列周期地嵌入到数据序列中；接收信号划分成长度相同的切片。
[0008](2)同步时基于一帧长的接收信号，统计接收信号帧内各符号区间内的光子数，基于各符号区间内光子数的泊松分布模型，利用光子数组成的向量联合估计同步序列位置、数据、定时信号强度参数和背景强度参数以实现同步；利用最大似然检测等价于阈值检测，基于接收数据信号从大到小的排序结果将对数据的估计等价转化为对数据中符号“1”数目的估计，最后利用遍历搜索方法寻找同步序列位置，完成同步。
[0009]进一步地，所述步骤(1)具体包括：
[0010](1.1)以连续帧的形式传输数据，每帧长度为N个符号周期，包含L个符号的同步序列被周期地嵌入到发送数据中，接收一帧长的信号，其中一定包含同步序列。
[0011](1.2)保证一帧信号的持续时间小于信道的相干时间，信道状态在一帧时间内被认为保持不变。
[0012](1.3)将接收信号中每个符号周期划分成K个长度相同的切片,接收到的一帧长信号划分成N
·
K个长度相同的切片。
[0013]进一步地，所述步骤(2)具体包括：
[0014](2.1)从第k(1≤k≤NK)个切片开始，统计各符号区间内的光子数。令r
k
表示从第k(1≤k≤NK)个切片开始接收信号帧内各符号区间所检测到的光子数组成的向量。
[0015](2.2)基于各符号区间内光子数的泊松分布模型，利用r
k
联合估计同步序列位置k、数据d、定时信号强度参数λ
s
和背景强度参数λ
b
以实现同步。令Pr(r
k
|k,λ
s
,λ
b
,d)表示给定k,λ
s
,λ
b
,d时r
k
的条件概率函数；采用联合最大似然估计，可以得到(k,λ
s
,λ
b
,d)的最优估计
[0016][0017]其中，
[0018][0019]上式中{s1,s2,
…
,s
L
}表示已知的同步序列符号，{d1,d2,
…
,d
N
‑
L
}表示待估的数据序列符号。
[0020](2.3)利用同步序列位置k和数据d给定时信号强度参数λ
s
和背景强度参数λ
b
的估计表达式，将原始同步优化公式(1)等效转化为：
[0021][0022]其中，
[0023][0024](2.4)利用最大似然检测等价于阈值检测，基于接收数据信号从大到小的排序结果将对数据d的估计等价转化为对数据d中符号“1”数目Δ
d
的估计，将公式(2)等效转化为：
[0025][0026]其中，
[0027][0028]遍历1到N
·
K之间的整数k、以及0到N
‑
L之间的整数Δ
d
，寻找使F2(k,Δ
d
)最大的选择对应的作为同步序列的起始位置，完成同步。
[0029]本专利技术公开了一种面向光子计数型水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向光子计数型水下无线光OOK通信系统的同步方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以连续帧的形式传输数据，并将同步序列周期地嵌入到数据序列中；接收信号划分成长度相同的切片；(2)同步时基于一帧长的接收信号，统计接收信号帧内各符号区间内的光子数，基于各符号区间内光子数的泊松分布模型，利用光子数组成的向量联合估计同步序列位置、数据、定时信号强度参数和背景强度参数以实现同步；利用最大似然检测等价于阈值检测，基于接收数据信号从大到小的排序结果将对数据的估计等价转化为对数据中符号“1”数目的估计，最后利用遍历搜索方法寻找同步序列位置，完成同步。2.根据权利要求1所述的面向光子计数型水下无线光OOK通信系统的同步方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：(1.1)以连续帧的形式传输数据，每帧长度为N个符号周期，包含L个符号的同步序列被周期地嵌入到发送数据中，接收一帧长的信号，其中一定包含同步序列；(1.2)保证一帧信号的持续时间小于信道的相干时间，信道状态在一帧时间内被认为保持不变；(1.3)将接收信号中每个符号周期划分成K个长度相同的切片,接收到的一帧长信号划分成N
·
K个长度相同的切片。3.根据权利要求2所述的面向光子计数型水下无线光OOK通信系统的同步方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：(2.1)从第k(1≤k≤NK)个切片开始，统计各符号区间内的光子数；令r
k
表示从第k(1≤k≤NK)个切片开始接收信号帧内各符号区间所检测到的光子数组成的向量；(2.2)基于各符号区间内光子数的泊松分布模型，利用r
k
联合估计同步序列位置k、数据d、定时信号强度参数λ
s
和背景强度参数λ
b
以实现同步；令Pr(r
k
|k,λ
s
,λ
b
,d)表示给定k,λ
s
,λ
b
,d时r
k
的条件概率函数；采用联合最大似然估计，可以得到(k,λ
s
,λ
b
,d)的最优估计,d)的最优估计其中，上式中{s1,s2,
…
,s
L
}表示已知的同步序列符号，{d1,d2,
…
,d
N
‑
L
}表示待估的数据序列符号；(2.3)利用同步序列位置k和数据d给定时信号强度参数λ
s
和背景强度参数λ
b
的估计表
达式，将原始同步优化公式(1)等效转化为：其中，(2.4)利用最大似然检测等价于阈值检测，基于接收数据信号从大到小的排序结果将对数据d的估计等价转化为对数据d中符号“1”数目Δ
d
的估计，将公式(2)等效转化为：其中，遍历1到N
·
K之间的整数k、以及0到N
‑
L之间的整数Δ
d
，寻找使F2(k,Δ
d
)最大的选择对应的作为同步序列的起始位置，完成同步。4.一种面向光子计数型水下无线光OOK通信系统的同步系统，其特征在于，具体包括：数据规整模块，用于以连续帧的形式传输数据，并将同步序列周期地嵌入到数据序列中...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱宇，黄诺，李上宾，徐正元，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：