基于增益反馈控制的水下移动光通信技术研究.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 1 1专题:水下光通信技术刘杰徽,马麟,朱森荣,等.基于增益反馈控制的水下移动光通信技术研究J.光通信研究,2 0 2 3(4):6 8-7 2.L i uJH,M aL,Z h uSR,e t a l.R e s e a r c ho nU n d e r w a t e rM o b i l eO p t i c a lC o mm u n i c a t i o nT e c h n o l o g yb a s e do nG a i nF e e d b a c kC o n t r o lJ
2、.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):6 8-7 2.基于增益反馈控制的水下移动光通信技术研究刘杰徽1,2,马 麟1,朱森荣2,何祖源1(1.上海交通大学 区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海 2 0 0 2 4 0;2.重庆前卫科技集团有限公司,重庆 4 0 1 1 2 1)摘要:在水下移动可见光通信系统中,当传输距离改变时,因水具有较大固有吸收,接收光功率会发生显著变化。文章提出了一种基于增益反馈控制(G F C)的水下移动可见光通信技术,拓展了通信距离和视场角(F OV)的动态范围。在
3、移动速度为0.1 3m/s条件下,实现了通信距离0.95.2m任意可调速率5.0M b i t/s、像素为8 0 06 0 0且帧率(F P S)不为零的实时双工视频传输。与没有使用G F C方法的系统相比,其通信距离和F OV的动态范围分别增长了5.3和2.8倍。为了进一步验证该系统的性能,文章还测试了不同移动速度下系统的平均闪烁指数、数据传输中断概率及误码率(B E R)。在通信距离的动态范围内,随着移动速度增大,平均闪烁指数及B E R相应增大,但即使移动速度达到系统可实现的最大速度0.8 3m/s时,通信仍未中断,说明该系统具有良好的鲁棒性,在水下移动可见光通信领域具有良好的应用前景。
4、关键词:可见光通信;移动通信;视频通信;动态范围中图分类号: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 6 8-0 5R e s e a r c ho nU n d e r w a t e rM o b i l eO p t i c a lC o mm u n i c a t i o nT e c h n o l o g yb a s e do nG a i nF e e d b a c kC o n t r o lL I UJ i e-h u i1,2,MAL i n1,Z H US e n-r o n g2,H EZ u-y
5、 u a n1(1.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fA d v a n c e dO p t i c a lC o mm u n i c a t i o nS y s t e m sa n dN e t w o r k s,S h a n g h a i J i a oT o n gU n i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0,C h i n a;2.C h o n g q i n gQ i a n w e iT e c h n o l o g i e sG r o u pC o.,L t d.,C h
6、o n g q i n g4 0 1 1 2 1,C h i n a)A b s t r a c t:I nu n d e r w a t e rm o b i l ev i s i b l e l i g h tc o mm u n i c a t i o ns y s t e m s,t h er e c e i v e do p t i c a lp o w e rv a r i e ss i g n i f i c a n t l yw h e nt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ec h a n g e sd u e t ot h e
7、 l a r g e i n t r i n s i ca b s o r p t i o no fw a t e r.T h i sp a p e rp r o p o s e sa nu n d e r w a t e rm o b i l ev i s i b l el i g h t c o mm u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nG a i nF e e d b a c kC o n t r o l(G F C),w h i c he x p a n d s t h ed y n a m i cr a n g eo fb
8、o t hc o mm u n i-c a t i o nd i s t a n c ea n dF i e l do fV i e w(F OV).A tam o v i n gs p e e do f0.1 3m/s,w ea c h i e v e dr e a l-t i m ed u p l e xv i d e ot r a n s m i s s i o nw i t ha d j u s t a b l e c o mm u n i c a t i o nd i s t a n c e sb e t w e e n0.95.2m,d a t a r a t e so f 5.0
9、M b i t/s,v i d e op i x e l so f 8 0 06 0 0,a n dF r a m e sP e rS e c o n d(F P S)g r e a t e r t h a nz e r o.C o m p a r e dw i t ht h es y s t e m w i t h o u tG F C,t h ed y n a m i cr a n g eo fc o mm u n i c a t i o nd i s t a n c ea n dr e c e i v i n gF OVa n g l eh a se x p a n d e dt o5.
10、3a n d2.8t i m e s,r e s p e c t i v e l y.I no r d e rt of u r t h e rv e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m,w em e a s u r e dt h ea v e r a g es c i n t i l l a t i o ni n d e x,d a t at r a n s m i s s i o no u t a g ep r o b a b i l i t y,a n dB i tE r r o rR a t e(B E R)o f
11、t h es y s t e ma td i f f e r e n tm o v i n gs p e e d s.W i t h i nt h ed y n a m i cr a n g eo fc o mm u n i c a t i o nd i s t a n c e,a st h em o v i n gs p e e di n c r e a s e s,t h ea v e r a g es c i n t i l l a t i o n i n d e xa n dB E Rc o r r e s p o n d i n g l y i n c r e a s e.H o w
12、 e v e r,e v e nw h e n t h em o v i n gs p e e dr e a c h e s 0.8 3m/s,w h i c hi s t h em a x i m u ms p e e do f t h e s y s t e m,c o mm u n i c a t i o nr e m a i n su n i n t e r r u p t e d.O u r r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e s y s t e mh a sg o o dr o-b u s t n e s sa n dh a sg
13、 o o dp o t e n t i a l u n d e r w a t e rm o b i l ec o mm u n i c a t i o na p p l i c a t i o n s.K e yw o r d s:v i s i b l e l i g h t c o mm u n i c a t i o n;m o b i l ec o mm u n i c a t i o n;v i d e oc o mm u n i c a t i o n;d y n a m i cr a n g e0 引 言与传统水声和无线通信系统相比,水下无线光通 信(U n d e r w a
14、 t e r W i r e l e s s O p t i c a lC o mm u n i c a-t i o n,UWO C)系统在传输速度和信息安全方面的固有优势近年来引起了人们的广泛关注。目前,UWO C的研究主要集中在实现更高速和更远距离通信上。文献1-3 提出了一种新型二维比特分配非线性混合调制方案,1.2m水下单向链路数据传输速率达到3.2 4G b i t/s;文献4 中将波分复用技术用于调制可见光光谱中的4个波长,在1.6m链路 上 应 用 前 向 纠 错 编 码 后 实 现 了 速 率 为1 5.7 3G b i t/s的单向数据传输;根据文献5 中报道,在一次深海实验
15、中,研究人员实现了1 2 0m链收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 7 修回日期:2 0 2 3-0 5-0 6 纸质出版日期:2 0 2 3-0 8-1 0基金项目:国家自然科学基金资助项目(6 2 2 7 5 1 5 0)作者简介:刘杰徽(1 9 8 6-),男,四川营山人。高级工程师,博士,主要研究方向为水下可见光通信。通信作者:马麟,研究员。E-m a i l:m a.l i n s j t u.e d u.c nE d i t 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
16、 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.862 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)路上的双向2 0M b i t/s传输;此外,商用光通信设备B l u e C o mm2 0 0实 现 了 更 长 的 水 下 通 信 距 离 和1 5 0m链路上的速率为1 0M b i t/s的数据传输6。在实际水下场景
17、中,关注UWO C系统在应用中移动速度的研究很少。然而,由于水具有较大固有吸收的特性、系统的视场角(F i e l do fV i e w,F OV)、水中的障碍物、湍流以及水的透明度的变化7-1 0,接收的光功率随着通信距离的变化而急剧变化。因此,拓展UWO C系统接收机的动态范围和F OV是很重要的。N i n gJ等提出了一种基于自适应控制策略的光电倍增管(P h o t o m u l t i p l i e rT u b e,PMT)接收机,在水下2m链路上将1 0 0M b i t/s开关键控(O n-O f fK e y i n g,OOK)调制接收光功率的动态范围扩展到6 8d
18、 B1 1;J i nJ等提出了一种基于一次性训练序列和反馈数据统计的自适应反馈阈值算法,在可见光 通 信 和 定 位 系 统 中 以1m/s的 速 度 实 现 了1 2 0k b i t/s的移动传输,但是,系统采用串口作为通信接口,通信 速 率 较 低1 2。增 益 反 馈 控 制(G a i nF e e d b a c kC o n t r o l,G F C)方法已经在自由空间光通信中得到了应用1 3。在本文中,我们演示了一种基于G F C方法的水下移动可见光通信系统,拓展了通信距离和F OV的动态范围。在移动速度为0.1 3m/s条件下,我们实现了通信距离0.95.2m任意可调、数
19、据速率5.0M b i t/s、视频像素为8 0 06 0 0且帧率(F r a m e sP e rS e c o n d,F P S)不为零的实时双工视频传输。与没有使 用G F C方 法 的 系 统 相 比,其 通 信 距 离 和F OV的动态范围分别增长了5.3和2.8倍。为了进一步验证该系统的性能,我们测试了不同移动速度下系统的平均闪烁指数、数据传输中断概率及误码率(B i tE r r o rR a t e,B E R)。在通信距离的动态范围内,随着移动速度增大,平均闪烁指数及B E R相应增大,但即使移动速度达到系统可以实现的最大速度0.8 3m/s时,通信仍未中断,说明该系统具
20、有良好的鲁棒性,在水下移动可见光通信领域具有良好的应用前景。1 理论计算由于光功率随着通信距离的变化而显著变化,本文中,我们采用了G F C方法,根据接收的光功率来优化接收增益。因此,与没有采用G F C方法的系统相比,通信距离的动态范围及其接收F OV得到显著增大,图1所示为基于G F C方法的水下移动可见光通信系统框图。开关电路调制解调阈值比较调节放大放大初始化反馈增益计算GFC数据TIA数据LED反光杯水下信道PIN PD注:LED为发 光二极管;TTA为跨阻放大器。图1 基于G F C方法的水下移动可见光通信系统F i g u r e1 U n d e r w a t e rm o b
21、 i l ev i s i b l e l i g h t c o mm u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nG F Cm e t h o d本文 对 本 征 光 电 二 极 管(P o s i t i v eI n t r i n s i eN e g a t i v eP h o t oD i o d e,P I NP D)探测器接收照度与光电流的转换采用一阶线性关系进行表征,可近似表示为K=a Is+b,(1)式中:K为探测器接收光照度;Is为光电探测器转换的光电流;a和b为常数。光电探测器接收光照度与单位面积上的光通量呈线性关系,因此,输出电
22、压Vo u t为Vo u t=a S-baRgG,(2)式中:Rg为转换电路的跨阻;G为增益控制参数;为接收面积S上的光通量。光在水下的衰减模型采用比尔定律信道衰减模型1 4-1 5,通信距离的动态范围可以通过式(3)获得:=FIhce-c()d+Fb,(3)式中:FI为发送光通量,且与前向偏置电流存在一个二次函数关系1 6;hc为常数;c()为文献1 7中测试的4 6 5nm蓝光的水下衰减系数;d为水下通信距离;Fb为背景光通量。表1所示为仿真参数且与后续实验条件一致,我们计算了在不同前向偏置电流情况下通信距离的动态范围。计算结果如图2所示,由图可知,相对未进行G F C的情况,G F C使
23、得通信距离的动态范围增加了5.3倍以上。表1 仿真参数T a b l e1 P a r a m e t e r s i ns i m u l a t i o n参数值b6 1.0 2a4.71 07c0.2 0 67Rg1 00 0 0G0.5,1.5Vo u t/V1.6S/m20.0 0 07hc0.1 2Fb/l m0.0 196刘杰徽 等:基于增益反馈控制的水下移动光通信技术研究通信距离/m前向偏置电流/AGFC后的动态距离无GFC的动态距离GFC后的最近距离无GFC的最近距离024680.250.300.352.800.805.080.450.783.475.270.930.784.
24、005.281.45图2 通信距离的动态范围F i g u r e2 D y n a m i cr a n g eo f c o mm u n i c a t i o nd i s t a n c e2 实验建立水下移动可见光通信实验的接收器如图3所示。由于水对蓝光的固有吸收最小,实验工作波长选择在4 6 5n m,L E D为商用C r e eX P E-2-R 4,光电检测器为H a m a m a t s uS 1 0 7 8 4。使用以太网传输控制协 议/互 联 网 协 议 地 址(T r a n s m i s s i o n C o n t r o lP r o t o c o l
25、/I n t e r n e tP r o t o c o lA d d r e s s,T C P/I P)进行数据传输。在发射端,将数据进行OOK调制后直接加载至L E D。在接收端,首先使用T I A将光电流信号转换为电压信号;然后使用G F C模块来实现电压信号的调整;最后,将来自数据处理模块的解调数据通过以太网接口发送回另一台计算机。TIA比较器网络接口数据处理模块GFC模块图3 接收器俯视图F i g u r e3 T o pv i e wo f t h er e c e i v e r通信系统如图4所示。收发器分别固定在防水箱内的支架上。防水箱被固定到实验推车上,实验推车可以沿着
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- 基于 增益 反馈 控制 水下 移动 光通信 技术研究
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