【摘 要】
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水下无线光通信因其突出的带宽优势而具有广阔的应用前景,但是海水信道对传输光的影响限制了系统的通信性能。一方面,海水的吸收和散射会造成光信号的严重衰减,光在水下的传输距离远不如自由空间光通信领域光在大气中的传输距离。另一方面,海水温度和盐度等因素的随机变化会引起海洋湍流,造成传输光的相位畸变和光强波动,影响信号质量。本文通过理论研究、数值建模、仿真分析、实验验证,建立同时包含海水吸收、散射、湍流效应
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水下无线光通信因其突出的带宽优势而具有广阔的应用前景,但是海水信道对传输光的影响限制了系统的通信性能。一方面,海水的吸收和散射会造成光信号的严重衰减,光在水下的传输距离远不如自由空间光通信领域光在大气中的传输距离。另一方面,海水温度和盐度等因素的随机变化会引起海洋湍流,造成传输光的相位畸变和光强波动,影响信号质量。本文通过理论研究、数值建模、仿真分析、实验验证,建立同时包含海水吸收、散射、湍流效应的信道模型,对海水信道的光学特性和通信性能进行研究。本文从大气湍流相位屏出发,利用海水折射率功率谱生成海洋湍流相位屏。针对蒙特卡洛数值模型存在的采样不足问题,以海洋湍流相位结构函数的理论解析式作为评价依据,在利用次谐波补偿法实现了48.09%的优化效果的基础上,通过控制采样约束条件,进一步实现了96.19%的优化效果,保证了模型可靠性。本文基于分步传输框架,把描述吸收和散射效应的指数衰减模型并入海洋湍流相位屏模型,对海水信道进行了综合建模分析。通过研究接收光的空间和时间分布,总结了平均接收光强和光强闪烁指数与信道中吸收、散射、湍流、传输距离等多个参数的定量关系。得出结论:吸收和散射效应主要造成光强衰减,湍流效应主要造成光强闪烁;动能耗散率的减小、均方温度耗散率的增大、盐度因素对湍流贡献比的增大,都意味着湍流效应的增强;另外,传输距离的延长会同时加剧吸收、散射、湍流效应,使光强衰减和闪烁更加严重。本文从建模、仿真、实验三个方面入手,将信道特性研究推进至通信系统的误码性能分析。研究了吸收、散射、湍流和传输距离对误码率的影响,并讨论了功率补偿法对误码性能的改善作用。总而言之,本文提出的数值建模方案为海水信道研究提供了手段,得到的信道结论为水下无线光通信技术的发展提供了指导。
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