水下LED无线光通信系统关键技术研究

摘要

近年来，随着人类社会的人口爆炸性增长和资源的日益枯竭，蕴藏丰富资源的海洋环境，包括生物、矿藏资源，引起了各个国家和地区的极大兴趣去开发和利用。在探索和利用海洋过程中，水下通信技术将会变得越来越重要。本文围绕基于发光二极管（light emitting diode，LED）的水下无线光通信(underwateroptical wireless communication，UOWC)这一新兴技术，进行理论和实验上的探究。
　　首先，针对基于LED的UOWC速率较低的问题，本文提出使用数字域均衡的手段实现了水下10米400Mbps信号的离线传输。本文从LED频率响应特性出发，推导出了针对LED指数响应的预均衡滤波器，然后设计了最佳接收的成型滤波器和匹配滤波器。在此基础上，进一步从理论上分析了传输速率和传输距离之间的关系。得出了不同水质条件下，给定速率下的最大传输距离。最后在室内搭建了UOWC离线验证系统进行验证。
　　其次，针对水下传统波形检测系统接收机灵敏度低的缺陷，本文提出利用光电倍增管(photomultiplier tubes，PMT)对水下弱信号进行光子计数接收的方案。针对水下弱光信道的离散光子计数接收模型，本文分别提出了无码间串扰和存在码间串扰的情况下的接收算法。特别地，针对有码间串扰的光子计数过程，本文提出了线性检测和最大似然检测两种算法去补偿光子计数模型下的码间串扰。在分析的过程中，本文对比了波形信道下的线性检测算法和光子计数下的线性接收准则，发现光子计数模型下的信号存在自干扰特性，分析得到的原因为光子计数是泊松过程。并且分析了不同接收光信噪比和不同平均接收光子数对信号信干噪比(signal-to-interference and noise ratio，SINR)的影响程度。最后，在离线系统上实现了上述水下弱信号的光子检测算法，并对比了试验和仿真之间的差别，从实验角度证明了算法的可行性。

目录

声明

摘要

1．1 概述

1．1．1 研究背景

1．1．2 水下无线通信技术

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文的组织结构及主要创新点

1．3．1 论文的组织结构

1．3．2 论文的主要创新点

第2章 UOWC系统及信道特性

2．1 UOWC系统模型

2．2 发射器件

2．2．1 发光二极管

2．2．2 激光二极管

2．3 接收器件

2．3．1 雪崩二极管

2．3．2 光电倍增管

2．4 水下信道响应特性

2．4．1 水下信道吸收散射衰减

2．4．2 水下的信道的频率衰减特性

2．5 水下链路模型

2．5．1 水下光信号的几何衰减模型

2．5．2 点到点水下链路模型

2．6 小结

第3章 水下高速LED无线光通信系统设计与实现

3．1 水下高速无线光通信的瓶颈

3．2 蓝光LED器件特性与建模

3．2．2 LED频域特性

3．2．3 LED器件等价模型

3．3 均衡技术介绍

3．3．2 预均衡

3．3．3 后均衡

3．3．4 带限信道信号设计

3．3．5 关于PAPR和均衡技术的讨论

3．4 使用均衡技术后的水下接收性能分析

3．4．1 使用带宽和接收信噪比之间的关系

3．4．2 考虑水体衰减下的性能表现

3．5 离线实验验证与性能分析

3．5．1 系统传输参数优化

3．5．2 实验结果分析

3．6 小结

第4章 水下弱光通信系统研究

4．1 水下弱信号模型

4．2 无码间串扰情况下检测

4．3 有码间串扰情况下检测

4．3．1 线性检测方案

4．3．2 最大似然检测方案

4．4 算法仿真与实验

4．5 小结

第5章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果