水表面波扰动对无线光通信影响 
下载： 679次
1 引言
相比传统的水声通信,水下无线光通信(UOWC)能实现更大的调制带宽、更高的传输速率、更好的安全性及更低的时延[1-3],这使得UOWC成为传统水声通信的有力补充,满足了高速和高安全性的应用需求。限制UOWC的关键因素是光在传输过程中吸收和散射引起的能量衰减[4]。早期研究表明,450~550 nm波段的蓝绿光在水中传播时吸收引起的能量衰减较小,因此目前的UOWC系统中多采用蓝绿光作为载波[5-15]。
引起能量衰减的另一个主要原因是散射效应。在UOWC中散射与信道密切相关,不同的信道特性会产生不同的散射效应和通信效果,其中湍流是最重要的影响因素之一[16-21]。导致水下湍流的因素有很多,比如水的流动、盐度的起伏及温度的变化等,这些都会严重影响UOWC链路的可靠性和传输速率[22-23]。目前,人们进行了大量的理论和实验研究来揭示湍流对通信质量影响的内在机制[24-27],但研究多集中在水深较大的传输链路方面,这种情况下水表面波扰动的影响通常被忽略。在许多实际应用场景中,光信号传输可能会发生在近水面区域,例如从水下航行器到无人机或水面装置之间的无线光通信,有相当长的一部分通信链路位于水表面,该情况下水表面波的扰动不能忽略。
本文主要研究输入光强和水表面波扰动对通信性能的影响。首先,在实验室环境下搭建了近水面UOWC实验系统,通过旋转灰度滤波器调节系统输入光强的大小,应用风扇来控制产生水表面波扰动场景,通过选取的风扇数量表征光传输链路中水表面波扰动的区域范围。然后,采用不归零开关键控(NRZ-OOK)调制,研究速率为500 Mbit/s的伪随机信号在10 m的自来水信道传输过程中,输入光强和水表面波扰动对信号误码率(BER)的影响。最后,量化分析了传输链路中输入光强的大小、水表面波扰动的范围和深度与通信误码率的关系。结果表明,误码率随输入光强的增大逐渐减小,误码率对水表面波扰动的范围和深度均较为敏感,误码率随扰动范围的增大而近似线性增加,并随水深呈指数规律衰减。这些特性对近水面光链路、水-空链路、空-水链路的无线光通信系统的接收、跟踪和瞄准装置设计与优化具有一定指导意义,如光学天线中接收机孔径、透镜焦距等参数的选取,跟踪、瞄准装置的控制算法优化等。
2 实验装置
近水面UOWC实验系统的框图如
3 结果和讨论
前期的研究工作显示,在近水面水下无线光传输过程中,气流所引起的表面水波扰动会引起光斑的散射和光斑像素点质心的严重漂移[28]。本文将进一步研究表面水波扰动对系统通信质量的影响,并定量分析通信误码率与传输链路的输入光强、水波扰动范围及水深的内在关系。
在实验中,首先让风扇的转速保持恒定,测得风速约为1.3 m/s,该风速引起的水表面波最大振幅约为1.2 cm。可以设想,随着风速的增加,水表面波振荡的振幅会增大,扰动所影响的水下通信深度也会进一步增大。在风速为1.3 m/s条件下(3个风扇都开启),测量并计算了不同水深处的闪烁指数,如
表 1. 不同水深处的闪烁指数
Table 1. Scintillation index at different depths of water
|
从
3.1 输入光强对通信误码率的影响
首先研究输入光强对通信误码率的影响。通过调整实验系统,发射机和接收机保持在相同的高度,并将光路设于水面以下。设置激光器的驱动电流为50 mA,以保证激光处于激发态,此时输出功率为6.8 mW。灰度滤波器固定在激光器和水箱之间,通过调节灰度滤波器来改变水箱输入处的输入光强大小,在水深为5 cm处,开启不同数量风扇,在水波扰动下,研究系统的误码率随输入光强的变化规律,结果如
图 2. 水深为5 cm处,不同水表面波扰动范围影响下系统的误码率与输入光强的关系
Fig. 2. Relationship between BER and input light intensity under the influence of different water surface wave disturbance ranges at the depth of 5 cm
3.2 水表面波扰动范围对通信误码率的影响
保持输入光强1.2 μW恒定,研究水表面波扰动范围对通信误码率的影响。这里利用开启风扇的数量来量化表征传输链路中水表面波扰动范围的大小。
对
图 3. 水深为5 cm处的误码率。(a)所有风扇关闭;(b)打开1个风扇;(c)打开2个风扇;(d)打开3个风扇
Fig. 3. BER at the depth of 5 cm. (a) No fan used; (b) one fan used; (c) two fans used; (d) three fans used
图 4. 误码率和水表面波扰动范围的关系。(a)水深为5 cm处;(b)水深为9.5 cm处
Fig. 4. Relationship between BER and water surface wave disturbance range. (a) At the depth of 5 cm; (b) at depth of 9.5 cm
通常,水表面波扰动影响和两个因素有关,一是扰动影响的范围(即风扇数量),传输链路受到扰动的范围越大,通信质量越差;二是风扇的风速,风速越大,水表面波振荡的振幅越大,影响到的水下深度也越深。在本次实验中,风扇的风速保持恒定,对于某一确定水深处,水表面波扰动的大小可以通过开启的风扇数量来定量描述。接下来,定量分析通信误码率与开启风扇数量的关系。在水深为5 cm处,BER随开启风扇数量的变化如
式中:x为风扇的数量,f(x)为误码率。
继续测量水深为9.5 cm时,水表面波扰动的影响。当风扇数量为0,1,2,3时,测量到BER值分别为5.74×10-4,5.76×10-4,5.83×10-4,5.75×10-4(非线性阶数为2,存储深度为16),分布如
3.3 水表面波扰动深度对通信误码率的影响
接下来进一步研究水表面波扰动深度对通信系统的影响,并量化分析不同水深下的通信误码率。前面的测试发现,当水深大于9.5 cm时,水表面波扰动对通信质量几乎没有什么影响,而当水深小于3 cm时,水表面波扰动引起的散射效应会导致激光束偏离APD的接收区域。这里,测量水深为3~9.5 cm时的BER值,
式中:y为水深,f(y)为BER值。(2)式对应打开
此外,从
图 5. 不同水表面波扰动范围影响下误码率随水深变化的衰减曲线
Fig. 5. Attenuation curve of the BER with water depth under the influence of different water surface wave disturbance ranges
图 6. 不同风速条件下误码率随水深变化的衰减曲线
Fig. 6. Attenuation curve of the BER with water depth under different wind speed conditions
前面提到扰动所影响的水下通信的深度取决于风速,接下来研究风速对扰动深度和通信误码率的影响,实验中3个风扇都是开启状态。
式中:z为水深,f(z)为BER值。(5)式对应风速为1.6 m/s的情况,(6)式对应风速为2.2 m/s的情况。
对比(5)、(6)式发现,在不同的风速条件下,只要水表面波扰动影响的范围一致,其对应的指数衰减函数f(z)的衰减系数基本保持不变。随着风速的逐渐增加,f(z)的幅值逐渐增加。
3.4 眼图
最后,应用眼图宏观地描述了水表面波扰动范围与深度对近水面UOWC系统通信质量的影响。
图 7. 不同范围水表面波扰动的眼图。(a)使用1个风扇;(b)使用3个风扇
Fig. 7. Eye diagrams for different range of water surface wave disturbances. (a) One fan used; (b) three fans used
4 结论
在实验室环境下搭建了近水面水下无线光通信系统,通过控制开启风扇的数量与转速(风速)来模拟不同水表面波扰动的通信场景。首先,定性地分析了开启风扇数量与风速一定的条件下,近水面水下信道的湍流特征;然后,定量地研究了输入光强与水表面波扰动对系统通信误码率的影响;最后,应用眼图验证了实验结果。研究表明:通信误码率会随输入光强的增加而逐渐减小;在输入光强一定的情况下,误码率的大小不仅与光传输链路中水表面波扰动影响的区域范围有关,还与水表面波扰动的深度有关。通过定量分析通信误码率与传输链路中水表面波扰动的范围和深度的内在关系,得到在风速一定时,相同水深链路的误码率随开启风扇数量的增多而近似线性增加,随着水深的增加,误码率会呈指数规律衰减;在开启风扇的数量一定时,风速越大,系统的误码率越大,并且不同风速下的误码率随水深的增加也同样呈指数衰减,但不同风速下误码率随水深的指数衰减系数却几乎不变。这些规律有助于对近水面无线光通信系统的接收、跟踪和瞄准装置进行设计和优化,并给水下无线光通信系统通信质量的改进提供了一定的参考。
[1] Ma L, Zhou S L, Qiao G, et al. Superposition coding for downlink underwater acoustic OFDM[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2017, 42(1): 175-187.
[2] Goh J H, Shaw A. Al-Shamma'a A I. Underwater wireless communication system[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2009, 178: 012029.
[3] 赵太飞, 王晶, 张杰, 等. 蛙人协作中的水下无线光通信邻居发现方法[J]. 光学学报, 2018, 38(12): 1206002.
[5] Tian P F, Liu X Y, Yi S Y, et al. High-speed underwater optical wireless communication using a blue GaN-based micro-LED[J]. Optics Express, 2017, 25(2): 1193-1201.
[7] Wang J M, Lu C H, Li S B, et al. 100 m/500 Mbps underwater optical wireless communication using an NRZ-OOK modulated 520 nm laser diode[J]. Optics Express, 2019, 27(9): 12171-12181.
[8] Wu T C, Chi Y C, Wang H Y, et al. Blue laser diode enables underwater communication at 12.4 Gbps[J]. Scientific Reports, 2017, 7: 40480.
[9] Wang C, Yu H Y, Zhu Y J. A long distance underwater visible light communication system with single photon avalanche diode[J]. IEEE Photonics Journal, 2016, 8(5): 1-11.
[10] Dinh D V, Quan Z H, Roycroft B, et al. GHz bandwidth semipolar (112-2) InGaN/GaN light-emitting diodes[J]. Optics Letters, 2016, 41(24): 5752-5755.
[11] Xu J, Kong M, Lin A, et al. Directly modulated green-light diode-pumped solid-state laser for underwater wireless optical communication[J]. Optics Letters, 2017, 42(9): 1664-1667.
[12] Kong M W, Lv W, Ali T, et al. 10-m 9.51-Gb/s RGB laser diodes-based WDM underwater wireless optical communication[J]. Optics Express, 2017, 25(17): 20829-20834.
[13] Fei C, Hong X, Zhang G, et al. 16.6 Gbps data rate for underwater wireless optical transmission with single laser diode achieved with discrete multi-tone and post nonlinear equalization[J]. Optics Express, 2018, 26(26): 34060-34069.
[14] ShenC, Guo YJ, Sun XB, et al.Going beyond 10-meter, Gbit/s underwater optical wireless communication links based on visible lasers[C]∥2017 Opto-Electronics and Communications Conference (OECC) and Photonics Global Conference (PGC), July 31-August 4, 2017, Singapore.New York: IEEE Press, 2017.
[15] Liu XY, Yi SY, LiuR, et al. 34.5 m underwater optical wireless communication with 2.70 Gbps data rate based on a green laser with NRZ-OOK modulation[J]. Optics Express, 25( 22): 27937- 27947.
[16] AnousN, AbdallahM, QaraqeK. Performance evaluation for vertical inhomogeneous underwater visible light communications[C]∥2017 IEEE 86th Vehicular Technology Conference (VTC-Fall), September 24-27, 2017, Toronto, ON, Canada.New York: IEEE Press, 2017.
[17] Jamali M V, Salehi J A, Akhoundi F. Performance studies of underwater wireless optical communication systems with spatial diversity: MIMO scheme[J]. IEEE Transactions on Communications, 2017, 65(3): 1176-1192.
[18] Elamassie M, Miramirkhani F, Uysal M. Performance characterization of underwater visible light communication[J]. IEEE Transactions on Communications, 2019, 67(1): 543-552.
[19] Chen Y, Kong M, Ali T, et al. 26 m/5.5 Gbps air-water optical wireless communication based on an OFDM-modulated 520-nm laser diode[J]. Optics Express, 2017, 25(13): 14760-14765.
[20] 牛超君, 卢芳, 韩香娥. 相位屏法模拟高斯阵列光束海洋湍流传输特性[J]. 光学学报, 2018, 38(6): 0601004.
[21] 孙艳玲, 张家瑞, 鲁振中. 拉盖尔-高斯涡旋光束在水下湍流中的传输特性[J]. 光学学报, 2019, 39(10): 1001005.
[22] Vali Z, Gholami A, Ghassemlooy Z, et al. Experimental study of the turbulence effect on underwater optical wireless communications[J]. Applied Optics, 2018, 57(28): 8314-8319.
[25] Jamali M V, Akhoundi F, Salehi J A. Performance characterization of relay-assisted wireless optical CDMA networks in turbulent underwater channel[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2016, 15(6): 4104-4116.
[26] Liu WH, Zou DF, Wang PL, et al.Wavelength dependent channel characterization for underwater optical wireless communications[C]∥2014 IEEE International Conference on Signal Processing, Communications and Computing (ICSPCC), August 5-8, 2014, Guilin, China.New York: IEEE Press, 2014: 895- 899.
[28] Li J, Luo J H, Li S B, et al. Centroid drift of laser beam propagation through a water surface with wave turbulence[J]. Applied Optics, 2020, 59(20): 6210-6217.
[29] Zhuang BY, LiC, WuN, et al. First demonstration of 400 Mb/s PAM4 signal transmission over 10-meter underwater channel using a blue LED and a digital linear pre-equalizer[C]∥Conference on Lasers and Electro-Optics, May 14-19, 2017, San Jose, California, United States. Washington, DC: OSA, 2017: STh3O. 3.
Article Outline
李军, 罗江华, 元秀华. 水表面波扰动对无线光通信影响[J]. 光学学报, 2021, 41(7): 0706005. Jun Li, Jianghua Luo, Xiuhua Yuan. Influence of Water Surface Wave Disturbance on Wireless Optical Communication[J]. Acta Optica Sinica, 2021, 41(7): 0706005.
PDF全文
