【摘 要】
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水下无线传感器网络被广泛运用于水下环境监测、水下探测等领域,对海洋资源的开发、利用和保护具有重要意义。水下无线通信技术中,发展最为成熟的是水声通信技术,其具有通信距离远、可靠性高的优势,但同时也存在传输速率低,多径效应明显等缺陷,因而难以满足水下传感器网络日益增长的带宽需求。水下可见光通信是一种高速率、低延迟、低能耗的新型通信方式,在构造新型水下传感器网络方面具有极大的应用前景,但也存在通信链路需
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水下无线传感器网络被广泛运用于水下环境监测、水下探测等领域,对海洋资源的开发、利用和保护具有重要意义。水下无线通信技术中,发展最为成熟的是水声通信技术,其具有通信距离远、可靠性高的优势,但同时也存在传输速率低,多径效应明显等缺陷,因而难以满足水下传感器网络日益增长的带宽需求。水下可见光通信是一种高速率、低延迟、低能耗的新型通信方式,在构造新型水下传感器网络方面具有极大的应用前景,但也存在通信链路需要光学对准、稳定性易受水质影响等问题。本文从增强水下可见光通信稳定性与可靠性角度出发,提出了一种水下声光协同通信实验系统方案,利用水声通信无需严格视距传输、通信距离远和稳定性高的优势,为光通信提供辅助对准以及自动重传请求（Automatic Repeat re Quest,ARQ）功能。基于该方案,本文设计并实现了包含水下可见光通信机、水声通信机和遥控无人水下航行器（Remote Operated Vehicle,ROV）的实验系统。其中,在可见光通信机部分,设计了基于蓝光LED和硅基PIN光电二极管（Photo-Diode,PD）的光通信收发电路,并基于FPGA实现了RS（255,239）与8B/10B的级联信道编解码系统,采用树莓派作为系统主控电路。经测试,该水下可见光通信机可实现实验室水池环境中7.6m传输距离、5Mbps传输速率的通信,纠错后的误码率低于10-6。此外,该系统借助具有4个自由度运动能力的ROV,可通过水声通信辅助光通信实现自动对准功能。在传统ARQ协议的启发下,本文提出了水下声光协同通信无差错数据传输协议,其通过光通信传输大容量数据,并借助水声通信实现丢包情况反馈功能,从而使系统在无需建立双向水下光通信链路的情况下也能实现较强的差错控制性能,进一步降低了系统光学对准的难度。为了尽可能提高系统的吞吐量性能,设计了5种ARQ方案,分别对应不同的丢包反馈重传策略。通过仿真分析和比较了在不同数据量大小与丢包率下各方案的吞吐量性能,并在所设计的硬件系统平台上进行了实验。实验结果表明,该协议在具有一定丢包率的水下光通信信道中仍能保证系统的无差错数据传输;设计的混合纠错系统方案结合了前向纠错信道编码与自动重传请求机制,具有较好的差错控制性能。
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