论文部分内容阅读
海洋是生命之源,海洋总面积约为3.6亿平方千米,约占地球表面积的71%,平均水深约3795米,海洋中含有13多亿立方千米的水,约占地球上总水量的97%。海洋也是未来粮仓,可为人类提供丰富的鱼类、贝类等海洋生物资源,以及丰富的石油等海洋矿物资源,激励着人们不懈的探索。然而,人类对海洋的探索还不到5%。随着社会经济的发展,世界各国对海洋的价值越来越重视。海洋信息化是海洋开发的重要组成部分,其中水下信息传输或水下通信是必不可少的关键技术,以引起世界各国科研、工业、商业和军事等的广泛关注。显然,由于水下有线通信需要铺设昂贵的线缆,不适合应用于移动性的海底终端。目前,以声波为信息载体的水下声波通信是最早且已非常成熟的技术,可实现水下几十公里的信息传输。然而,水下声波通信系统能耗高、速率较低、通信容量小、延迟较大且对海洋生物有一定危害,不具备高速大容量的水下通信要求。另外,水下射频通信由于趋肤效应使得传输距离极短,传输质量不高。近年来,以光波为信息载体的水下无线光通信（underwater wireless optical communication,UWOC）得到了广泛发展,因电磁波谱中可见光波段的蓝绿光在水下具有相对小的低损耗系数,且光波具有容量大、传输速率快、高带宽、保密性好、成本低等优势,因此以蓝绿光为信息载体的水下可见光通信或称水下无线光通信引起了世界各国科学界、工业界及学术界的关注,短短几十年间得到了迅猛的发展。水下无线光通信是以光波为信息载体的无线通信,显然也属于通信系统,同样由发送端、接收端和信道三大部分组成。相对于传统的电通信系统,其主要不同之处是系统中包含了电/光转换及光/电转换部分,另外系统的信道是比较特殊的海洋/水下介质环境。目前,全球范围内的商用UWOC系统还没有大规模出现,而设计能在实际海域中使用的UWOC商用/原型系统是最终目标之一。本论文描述了UWOC系统的典型结构并详细介绍了本团队设计开发的水下全双工视频无线光通信原型系统,重点介绍了该系统的硬件软件设计、测试实验设置以及关键性能指标表征等。本原型UWOC系统在硬件上以现场可编程门阵列（FPGA）为核心,在室内10 m水槽内实现了1 Mbps的视频传输,系统的主要特点是采用应用上更灵活、数据传输更可靠的全双工通信方式及传输协议,且具有较大的发送光功率,但也需要解决全双工通信所涉及的自干扰问题。海洋/水下介质信道对光波的传输影响很大,因此,本论文对海洋光信道的基本特点做了较全面的阐述,海水介质会对光波产生吸收、散射等衰减作用,对光波的衰减系数典型值为0.4 d B/m远大于对声波的0.1-4 d B/km,再加上海水恶劣复杂的生化环境以及海洋湍流等不利因素,使得发送光波功率衰减很快,UWOC系统光链路距离通常仅在百米左右,远远低于水下声通信几十公里的数量级。因此,为了进一步提升UWOC对海洋信息化的应用潜力,如何实现水下远通信光通信是一个重要研究方向。发送光波经水下远距离传输被衰减后,达到接收端光电探测器的光功率非常微弱,根据光的波粒二象性,此时光波表现出较为明显的粒子性,即达到了单光子量级,超出了传统雪崩光电二极管的灵敏度极限,很难从淹没在热噪声和雪崩噪声中恢复有用信号。在UWOC系统中使用高灵敏度、低噪声的单光子探测器是一种解决方案,单光子探测器能对响应单光子信号,通过在符号周期内对入射光子计数的方式来判决信息符号,有望改善水下远距离弱光链路下的通信问题。本论文讨论了常见的光电倍增管（PMT）、单光子雪崩二极管（SPAD）以及硅光电倍增管（Si PM）等单光子探测器,分析了这些器件对单光子响应的基本特性,并研究如何使用光子计数的方式来判决信息,达到信息传输的目的。在实际应用中,由海洋湍流等引起的水下信道衰落以及UWOC系统收发端对准问题是不可回避的。对任何通信系统来说,通信系统的链路结构对系统的性能影响很大。多输入多输出（MIMO）结构与技术已广泛的应用到移动通信领域,把MIMO技术应用到UWOC领域也是重要的研究趋势。MIMO的复用技术可有效提高系统的通信容量,MIMO的分集技术可有效抑制水下信道衰落作用,此外还能增大接收端的探测区域,从而降低了收发两端的对准要求。本论文特别提出了水下单光子信道下MIMO的探测问题,并初步建立了其链路结构与分析模型,分析了不同湍流模型对系统性能的影响,基于离散信道下的MIMO技术在UWOC中的研究工作还很少,有待进一步研究。单光子探测器与MIMO技术的结合,是本论文的重要创新点,即把PMT/SPAD/Si PM等单光子探测器阵列应用到UWOC系统中,单光子探测器阵列可同时对多路子信道探测经远距离传输后的单光子脉冲序列,最后经信号合并、光子计数、符合判决等信号处理后恢复原始电信号。本团队首次提出了这种基于单光子探测器的MIMO-UWOC系统,此系统具有高灵敏度、高能量利用率、低噪声、抗信道衰落以及降低收发两端对准要求等多个优势,此结构的提出为实现水下远距离光通信提供了潜在的解决方案。本文介绍了团队设计的基于PMT阵列和基于Si PM阵列的6×2、6×3 MIMO-UWOC系统,分别对系统的硬件结构、光子探测理论、系统实验设置、系统关键性能参数表征等做了详细的讨论。然而,这种新型结构的系统在背景光子抑制、光子计数分布、光子信号判决等多个核心问题上还需进一步研究。