水下无线光通信性能及关键技术研究

In recent years, with the rapid development of marine scientific research and wireless communication technology, underwater wireless optical communication (UWOC) has attracted more and more attention. As one of the key technologies for UWOC, modulation and demodulation (mod/demod) techniques have been studied in-depth. A number of widely used mod/demod techniques have been reported in the existing literature. Most of them mainly focus on theoretical analysis while some set up experimental platforms to verify their feasibilities. In this project, we study the performance metrics such as communication distance, data rate, power consumption, and system complexity of traditional mod/demod techniques for UWOC, then plan to propose one or more mod/demod techniques with improved performance especially on communication distance and data rate. We also study the underwater optical channel characteristics and set up more reasonable channel model. For given underwater environment and system settings, we evaluate the performance of proposed mod/demod techniques by software simulation and hardware experiment, and explore the practical application and social value.

近年来，随着海洋领域科研工作的不断深入和无线通信技术的迅猛发展，水下无线光通信技术受到了广泛的关注，其关键技术之一的调制解调技术也得到了逐步深入的研究。现有文献中也报导了一些常用的调制解调技术，这些研究集中在理论分析上，部分已搭建实验平台验证调制解调技术的可行性。本项目从传统的水下无线光通信调制解调技术出发，针对复杂的水下通信环境和水下光通信系统的性能需求，研究无线光通信系统的通信距离、通信速率、功率消耗、系统复杂度等诸多性能指标，提出一种或几种性能优异的水下无线光通信调制解调技术。同时研究水下无线光信道特性，建立更加合理的信道模型。针对特定的水下通信环境和系统设置，将对设计的调制解调技术予以仿真验证，给出科学的分析评价，并探讨未来的实际应用前景和社会价值。

本项目主要开展水下无线光通信性能及关键技术研究。水下无线光通信是一种新兴的通信方式，比传统的水下声波通信具有更大的带宽、更高的速率、更好的保密性等，尤其适用于水下海量数据的高速无线传输，因此逐渐成为水下无线通信的研究热点和重要应用领域。水体的光学特性与大气相比更为特殊，对光束存在吸收、散射和湍流作用，导致光束在水下传播时光强衰减、时域扩展、空间发散比大气中的更为严重，因而水下无线光通信的通信距离、通信质量和信道容量等均远小于大气环境。复杂的水下无线光信道特性和海水的波动性为系统设计与性能评估带来了极大的挑战。.本项目针对这些问题与挑战，以提升水下无线光通信系统性能为目标开展研究：（1）从信道特性入手，率先使用形式简单的双伽马函数对时域冲激响应建模、首次给出光子在水下传播的时间-空间域概率分布，为系统设计与性能评估带来便利；（3）设计和改进了一系列调制编码方式，有效提高水下无线光通信的通信距离；（3）从光束在水下的空间发散性入手，提出了非准直通信，并评估了平行视距链路、下行视距链路、非视距链路等系统性能及系统参数（接收机视场角、孔径、光源发散角等）的影响；（4）上述研究工作从简单的水下无线单输入单输出（单光源单检测器）光通信系统出发，逐步扩展到了水下无线多输入多输出（MIMO）光通信系统，定量分析了使用MIMO技术能为水下无线光通信带来的性能提升。.已发表论文21篇（含已录用），其中顶级通信期刊论文6篇，国际会议12篇，中文学术论文集论文3篇。获得授权专利2项，培养硕士生7名，参加学术会议6次。