基于蒙特卡洛方法的水下可见光通信信道特性分析

摘要

水下可见光通信技术作为一种新兴的水下高速数据传输手段，有效的弥补了传统水声通信时延大、传输速率低、易受环境影响等诸多缺陷。在水下传感网络的建设、海底探索及监测方面展现了巨大的潜力，成为了未来水下信息传输的研究热点。
　　本文首先根据实际实验中使用的链路参数利用蒙特卡洛方法对水下可见光通信的信道特性进行了研究。很多研究都通过指数模型对光在水下的传输情况进行了分析，但是指数模型只是将光的散射过程的总体作用整合成衰减系数的一项，忽略了光的散射过程的空间拓展，造成分析结果的误差。本文在分析描述光的散射过程的体积散射函数的基础上，利用TTHG函数对散射相位函数进行近似，从而得到光散射角度的详细描述。结合蒙特卡洛方法，对光散射过程进行大量的分析得到了不同链路参数的接收信号脉冲响应。
　　然后通过对不同水质、不同链路距离、发射接收端参数下的信道衰减、光功率进行比较。在分析了噪声来源后，对不同情况下的信噪比进行了仿真研究。经过分析得出在基于LED的水下可见光通信传输链路中，接收端接收的散射光能量是直射光能量的-10dB以下；对于100MHz以下数据通信来说，由于光散射造成的时延拓展对码间串扰的影响可以忽略；发送端的光源发射半角及接收端的有效接收面积都对链路距离具有重要的影响。
　　最后对水下可见光MIMO通信系统的性能进行了分析。在得到各个信道衰减的基础上，得出了描述水下可见光MIMO信道特性的H矩阵，并通过H矩阵分析了不同海水环境及信噪比情况下的MIMO系统信道容量。结果表明水下可见光MIMO系统对数据传输速率具有明显的提升作用。但是系统的整体信道容量受水质的浑浊程度影响比较大。

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专用术语注释表

绪论

1.1引言

1.2基于LED的可见光通信技术

1.3水下可见光通信技术的国内外研究现状

1.4论文的主要内容

第二章 水下光传输特性

2.1海水中不同物质对光传输的影响

2.2海水的整体吸收作用

2.3海水的整体散射作用

2.4海水的总衰减系数

2.5不同的水质模型及指数衰减模型

2.6水下光传播过程中的散射

2.7 HG函数及TTHG函数

2.8本章小结

第三章 蒙特卡洛方法分析水下可见光通信的原理

3.1器件选择

3.2水下可见光通信传播过程的蒙特卡洛方法建模

3.3具体传播过程的仿真实现

3.4本章小结

第四章 基于蒙特卡洛方法分析水下光通信信道特性

4.1水下可见光通信信道特性的研究对象

4.2水下可见光通信的接收光强衰减特性

4.3水下可见光通信的接收端时延特性

4.4发送端与接收端参数及噪声对信道特性的影响

4.5本章小结

第五章 水下可见光MIMO通信信道特性研究

5.1可见光MIMO通信的系统原理

5.2水下可见光通信系统的仿真模型建立

5.3水下可见光MIMO通信系统信道增益矩阵的研究

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2工作展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢