基于OFDM的水下非接触式通信技术研究

摘要

海洋是人类可持续发展的重要战略空间，也是当今世界各国竞相争取的战略制高点。水下运载器、海底观测网络、水下传感器网络将为海洋信息获取和交换提供有力的支持。无人自主潜航器(AUV)、水下机器人等水下平台间的信息交互将越多来频繁，这些设备在海洋环境中获取、处理和传送信息都需要可靠高效的水下通信技术作为保障。未来，随着水下运载器的大量部署，水下传输数据的海量增长，高带宽、低延时通信技术显得尤为重要。针对水声通信距离远，但带宽较低的特点，本文将研究基于正交频分复用(OFDM)的水下高速无线光通信和磁感应通信。
　　本文提出了一种新型的水下无线光通信系统，利用泄露塑料光纤轴向的辐射光来实现水下分布式无线光通信。实验中，将光信号耦合进芯径为3毫米的泄露塑料光纤，在10米泄露光纤的轴向，两个分立辐射点辐射的光分别通过30厘米的水槽。当两点的误码率均低于前向纠错码(FEC)阈值(3.8×10-3)时，通信速率达到183.69Mb/s。
　　本文提出了一种新型的水下光纤-无线光通信系统，利用塑料光纤作为水下无线光通信距离的延伸线。实验使用50米的阶跃折射率塑料光纤(SI-POF)，将450nm蓝光耦合进光纤，光纤另一端连接无源准直透镜。当误码率均低于FEC阈值(3.8×10-3)时，准直透镜出来的光通过2米的水槽实现了1.39Gb/s的通信速率。
　　本文研究了水下电磁波的传输特性，通过仿真得到了不同电导率下水下电磁波的基本参数。在此基础上，研究了磁感应通信的原理和线圈天线的场特性。最后分别在空气中和水下完成了基于OFDM的磁感应通信实验验证。在空气中，通信距离为2米，最高速率达到256.34Mb/s，误码率(BER)为1.42×10-4。在水下测试时，通信距离为2米，最大通信速率为128.17Mb/s，测得BER为3.10×10-4。

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致谢

摘要

第1章 引言

1．1 研究的背秉和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水下无线光通信

1．2．2 水下磁感应通信

1．3 本文的研究内容

第2章 OFDM基础

2．1 OFDM原理

2．2 OFDM调制关键技术

2．2．1 保护间隔和循环前缀

2．2．2 导频设计

2．2．3 均衡技术

2．3 OFDM技术特点

第3章 水下高速无线光通信

3．1 引言

3．2 基于OFDM的光通信原理

3．2．2 光通信中的DCO-OFDM

3．2．3 水下光通信信道特征

3．3 基于泄露光纤的水下无线光通信系统

3．3．1 基于泄露光纤的水下无线光通信系统

3．3．2 实验验证与分析

3．4 水下光纤-无线光混合通信系统

3．4．1 水下光纤无线光混合通信系统

3．4．2 实验验证与分析

第4章 水下高速磁感应通信

4．1 引言

4．2 水下电磁特性研究

4．2．1 电磁场与电磁波传输理论基础

4．2．2 水下电磁波传播特性

4．3 水下磁感应通信系统

4．3．1 磁感应通信模型

4．3．2 线圈天线的场特性

4．3．3 路径损耗

4．3．4 基于OFDM的磁感应通信系统

4．4 实验验证与分析

4．4．1 空气中实验

4．4．2 水下实验

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果