全双工水下无线光通信系统自干扰问题研究.pdf
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1、d o i:1 0.1 3 7 5 6/j.g t x y j.2 0 2 3.0 4.0 0 6专题:水下光通信技术王杰,范婷威,申玲菲,等.全双工水下无线光通信系统自干扰问题研究J.光通信研究,2 0 2 3(4):2 8-3 3.W a n gJ,F a nTW,S h e nLF,e t a l.S t u d yo nS e l f-i n t e r f e r e n c eP r o b l e mi nF u l l-d u p l e xU n d e r w a t e rW i r e l e s sO p t i c a l C o mm u n i-c a t i
2、o nS y s t e mJ.S t u d yo nO p t i c a lC o mm u n i c a t i o n s,2 0 2 3(4):2 8-3 3.全双工水下无线光通信系统自干扰问题研究王 杰1,2,范婷威2,申玲菲2,3,黄志伟2,迟 楠1,周田华2(1.复旦大学 通信科学与工程系 电磁波信息科学教育部重点实验室,上海 2 0 0 4 3 3;2.中国科学院上海光学精密机械研究所 空间激光信息传输与探测技术重点实验室,上海 2 0 1 8 0 0;3.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 2 0 0 0 9 3)摘要:针对全双工水下无线光通信(F D-UWO
3、 C)系统中存在的自干扰限制系统通信性能的问题,文章提出了一种双波长收发分离的方法。基于M o n t eC a r l o数值仿真方法,在J e r l o vI、J e r l o vI B和J e r l o vI I3种典型水质下,分析了自干扰对4 5 0n m单波长、5 2 5n m单波长和双波长F D-UWO C系统性能的影响情况。仿真结果表明,水质越差,自干扰越强,并且自干扰的增强会显著降低F D-UWO C的光信噪比(O S N R),进而限制了系统的最远传输距离;采用双波长收发分离方法的F D-UWO C系统相较于单波长F D-UWO C系统能带来约6 0d B的O S N
4、R提升,从而可以实现更远的传输距离,其中,在J e r l o vI I类水质下传输距离提升了8 0m,并能在J e r l o vI和J e r l o vI B类水质下实现大于1 0 0m的有效传输距离。这些结果在F D-UWO C系统设计中具有一定的参考意义。关键词:全双工水下无线光通信;M o n t eC a r l o方法;自干扰;后向散射;双波长中图分类号:T N 9 2 9 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-8 7 8 8(2 0 2 3)0 4-0 0 2 8-0 6S t u d yo nS e l f-i n t e r f e r e n c eP r o b
5、l e mi nF u l l-d u p l e xU n d e r w a t e rW i r e l e s sO p t i c a lC o mm u n i c a t i o nS y s t e mWA N GJ i e1,2,F A NT i n g-w e i2,S H E NL i n g-f e i2,3,H U A N GZ h i-w e i2,C H IN a n1,Z H O UT i a n-h u a2(1.T h eM i n i s t r yo fE d u c a t i o nK e yL a b o r a t o r yo fE l e c
6、 t r o m a g n e t i cW a v e I n f o r m a t i o nS c i e n c e,D e p a r t m e n to fC o mm u n i c a t i o nS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,F u d a nU n i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 4 3 3,C h i n a;2.K e yL a b o r a t o r yo fS p a c eL a s e rC o mm u n i c a t i o na n dD e t
7、e c t i o nT e c h n o l o g y,S h a n g h a i I n s t i t u t eo fO p t i c sa n dF i n eM e c h a n i c s,C h i n s e sA c a d e m yo fS c i e n c e s,S h a n g h a i 2 0 1 8 0 0,C h i n a;3.S c h o o l o fO p t i c a l-E l e c t r i c a la n dC o m p u t e rE n g i n e e r i n g,U n i v e r s i t
8、 yo fS h a n g h a i f o rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3,C h i n a)A b s t r a c t:Ad u a l-w a v e l e n g t ht r a n s c e i v e rs e p a r a t i o nm e t h o d i sp r o p o s e d f o r t h ep r o b l e mo f s e l f-i n t e r f e r e n c e l i m i t i n gt h es y
9、 s t e mc o mm u n i c a t i o np e r f o r m a n c e i nF u l l-D u p l e xU n d e r w a t e rW i r e l e s sO p t i c a lC o mm u n i c a t i o n(F D-UWO C)s y s t e m s.B a s e do nt h eM o n t eC a r l on u m e r i c a l s i m u l a t i o n,t h ee f f e c t so fs e l f-i n t e r f e r e n c eo n
10、t h ep e r f o r m a n c eo f4 5 0n ms i n g l e-w a v e l e n g t h,5 2 5n ms i n g l e-w a v e l e n g t ha n dd u a l-w a v e l e n g t hF D-UWO Cs y s t e m sa r ea n a l y z e du n d e rt h r e et y p i c a lw a t e rq u a l i t i e so fJ e r l o vI,J e r l o vI Ba n dJ e r l o vI I.T h es i m
11、u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep o o r e rt h ew a t e rq u a l i t y,t h es t r o n g e rt h es e l f-i n t e r f e r e n c e.I t i sa l s os h o w nt h a t t h ee n h a n c e m e n to fs e l f-i n t e r f e r e n c ew i l ls i g n i f i c a n t l yr e d u c et h eO p t i c a lS i g n
12、 a lt oN o i s eR a t i o(O S N R)o fF D-UWO C,w h i c hl i m i t st h el o n g e s tt r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo ft h es y s t e m.T h eF D-UWO Cs y s t e m u s i n gt h ed u a l-w a v e l e n g t ht r a n s c e i v e r s e p a r a t i o nm e t h o dc a nb r i n ga b o u t 6 0d Bi m p r
13、o v e m e n t i nO S N Rc o m p a r e dw i t ht h es i n g l e-w a v e l e n g t hF D-UWO Cs y s t e m,w h i c hc a na c h i e v ea l o n g e rt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e.A n8 0mi m p r o v e m e n t i nJ e r l o vI Iw a t e rq u a l i t y,a n da ne f f e c t i v et r a n s m i s s i o nd
14、 i s t a n c eo fm o r e t h a n1 0 0mi nJ e r l o v I a n dJ e r l o v I Bw a t e r q u a l i t ya r e a c h i e v e d.T h e s e r e s u l t sp r o v i d e s o m e r e f e r-e n c es i g n i f i c a n c e t ot h ed e s i g no fF D-UWO Cs y s t e m.K e yw o r d s:F D-UWO C;M o n t eC a r l om e t h
15、o d;s e l f-i n t e r f e r e n c e;b a c k s c a t t e r i n g;d u a l-w a v e l e n g t h0 引 言水下无线光通信(U n d e r w a t e rW i r e l e s sO p t i c a lC o mm u n i c a t i o n,UWO C)是一种在水下将信息加载到蓝绿光上进行通信的新型通信方式,具有通信速率高、成本低和设备体积小等优点1-6。随着海洋收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 1;修回日期:2 0 2 3-0 4-0 4;纸质出版日期:2 0 2 3-0 8-1
16、 0基金项目:国家重点研发计划资助项目(2 0 2 2 Y F C 2 8 0 8 1 0 0);国家自然科学基金青年科学基金资助项目(6 2 2 0 5 3 5 8);中国科学院战略性先导科技专项子课题资助项目(X D A 2 2 0 3 0 2 0 6);国家自然科学基金重点资助项目(6 2 0 3 1 0 1 1);中国科学院创新基金资助项目(C X J J-2 2 S 0 0 5)作者简介:王杰(1 9 9 6-),男,云南昆明人。硕士,主要研究方向为水下无线光通信。通信作者:周田华,研究员。E-m a i l:s i o m z t h s i o m.a c.c nE d i t
17、o r i a lO f f i c eo fS t u d yo nO p t i c a lC o mm u n i c a t i o n s.T h i s i sa no p e na c c e s sa r t i c l eu n d e r t h eC CB Y-N C-N Dl i c e n s e.822 0 2 3年 第4期总第2 3 8期光 通 信 研 究S TUD YONO P T I C A LC OMMUN I C AT I ON S2 0 2 3.0 8(S u m.N o.2 3 8)强国战略的继续实施,“十四五”规划进一步指出要实施“空天地海立体化网络
18、建设和应用示范工程”,UWO C技术也成为了其中的重要研究领域。然而,在实际应用中,UWO C面临着水下信道复杂多变的问题,海水中存在的叶绿素和悬浮颗粒等各种微粒会对光子产生吸收和散射,导致光信号呈现指 数 级 衰 减7-9,尤 其 是 在 全 双 工(F u l l-D u-p l e x,F D)UWO C系统中存在的后向散射信号会叠加到有用信号上形成严重的自干扰,导致误码率提高。已经有许多研究人员对影响UWO C系统通信性能的多种因素进行了探索1 0-2 0,但目前尚未有研究提出针对F D-UWO C系统中自干扰问题的有效应对措施,而自干扰问题是实际应用中影响F D-UWO C系统朝着长
19、距离和高速率方向发展的制约因素。为了研究F D-UWO C系统中的自干扰问题,本文基于M o n t eC a r l o方法,数值模拟了F D-UWO C系统中的自干扰对系统通信性能的影响情况,并提出了应对自干扰的双波长收发分离方法,研究结果证明了该方法的可行性,可以为实际应用中的F D-UWO C系统设计提供参考。1 M o n t eC a r l o仿真流程M o n t eC a r l o方法是一种统计模拟方法,该方法的基本思想是:首先提取出影响待求解问题的参数或因素;然后分别结合实际情况建立概率模型;最后基于概率统计理论,利用数值模拟的方法求解问题的近似解。M o n t eC
20、a r l o方法已经在许多领域得到了广泛应用,当将M o n t eC a r l o方法应用于F D-UWO C系统信道建模时,由于光束在水下的传播过程可以看作是组成该光束的大量光子的传播,故可以基于光子在水下传播的概率统计模型,模拟光子在水下的传播过程,进而可以得到信道建模中待求解问题的近似解。F D-UWO C系统的光子传输模型如图1所示。该系统包含终端1和终端2,其中终端1由发射机T X1和接收机R X1组成,终端2由发射机T X2和接收机R X2组成,两个通信终端参数一致,同时T X1与R X2、T X2与R X1分别严格对准。由图可知,通信终端发射机T X1与T X2和接收机R
21、X1与R X2直径分别为DT和DR,同一终端,发射机与接收机间隔为S,两个通信终端之间的传输距离为L。xx0兹wnwn棕0终端1TX1TX2RX1RX2(0,0,0)yy终端2兹zz0DRDTSL吸收后向散射注:xyz和xyz均为笛卡尔坐标系;兹和兹均为发 散角;wn为光子包权重;棕0为单次反照比。图1 F D-UWO C系统的光子传输模型F i g u r e1 P h o t o nt r a n s m i s s i o nm o d e l o fF D-UWO Cs y s t e m 当我们利用M o n t eC a r l o方法进行光子传输仿真时,为了便于分析,我们以T X
22、1的中心为坐标原点、法线方向为z轴正方向建立笛卡尔坐标系,发射平面与接收平面与x o y平面平行,同时与z轴垂直。在光子传输模型中,前向散射表示T X1发射光子、R X2接收光子和T X2发射光子、R X1接收光子;后向散射表示T X1发射光子、R X1接收光子和T X2发射光子、R X2接收光子。在我们的仿真中,主要讨论的发射机光源为实际中常应用于UWO C系统的半导体激光二极管(L a s e rD i o d e,L D)。L D所发出的光束为高斯光束,即光强的横截面满足高斯分布2 1-2 2,图2所示为L D光束在清澈海水(衰减系数c=0.1 5 1m-1)6中传输不同距离时的光强空间
23、分布情况。在采用M o n t eC a r l o方法进行仿真时,首先设定F D-UWO C系统参数以及系统所处的水质类型,然后利用M o n t eC a r l o方法模拟该系统所发射光子在预 设 水 质 下 的 移 动 轨 迹,进 而 可 以 分 析F D-UWO C系统在不同情况下的工作性能。图3所示为M o n t eC a r l o仿真的基本流程图。92王 杰 等:全双工水下无线光通信系统自干扰问题研究相对强度2.01.51.00.5010420-2Y/m20-2X/m(a)2 m相对强度20-2Y/m20-2X/m(b)8 m800020040060010400.51.01.
24、52.00100200300400500600700相对强度相对强度图2 L D光束在清澈海水中传输2和8m时的光强空间分布F i g u r e2 I n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no f aL Db e a ma f t e rt r a n s m i t t i n g t h r o u g h2a n d8mi nc l e a r o c e a n是否满足轮盘赌条件?光子权重能量阈值?是否超过传输距离?开始设定水质参数光子位置、方向和权重初始化选择随机步长更新光子坐标更新权重更新方向更新权重光子已接收光子丢弃结束光子到达接收机范围内
25、并满足视场角?是否否否否是是是图3 M o n t eC a r l o仿真流程图F i g u r e3 M o n t eC a r l os i m u l a t i o nf l o w c h a r t2 自干扰问题仿真方案在F D-UWO C系统中存在严重的自干扰问题,即通信终端在接收到有效信号的同时,也收到了自身发射出去的后向散射信号,两个信号叠加可能会导致信号波形损坏,无法提取有效信息,例如图1中R X1在接收到来自T X2发射的有效信号的同时,也接收到了T X1后向散射所带来的干扰信号。基于图1所示的F D-UWO C系统,采用M o n t eC a r l o方法仿真
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