本技术涉及水下无线光通信领域,提出了一种新的湍流统计分布模型,以适应海洋湍流环境。通过模型参数,计算得到闪烁指数的表达式,进而评估通信系统性能。
背景技术
常见的水下无线通信方式主要包括水声通信、水下无线电磁波通信及水下无线光通信(UWOC,Underwater Wireless Optical Communication)。水下无线电磁波通信由于需要较大的天线尺寸和发射功率,不易实现设备的小型化,并且仅适用于短距离和低带宽的场景。相比之下,水声通信技术较为成熟且应用范围更广。由于声波在海水中的衰减极低,大约为2到3分贝每千米,在低频条件下,声波甚至可以在海洋中传播数百公里,这使得水声通信具备长距离传输和高可靠性的优势。然而,水声通信也有其局限性,如较大的通信延迟、带宽限制、较高的能耗和较大的设备体积,并且由于水面和海底的反射作用导致严重的多路径效应。随着水下探测技术的进步,对水下无线通信技术的需求也在提升,特别是对低功耗和高带宽系统的需求日益增加,而这些需求是水声通信难以完全满足的。另一方面,水下无线光通信以其强大的信息承载能力、较小的通信延迟、较大的带宽和良好的保密性,在海洋资源开发和海洋环境监控等方面展现出巨大潜力。因此,推进UWOC技术的研发不仅是建设海洋强国的关键环节,也对促进我国海洋信息技术的快速发展具有重要的意义。
海水中含有多种复杂的物质,这使得无线光在海水中的传播面临多重挑战,其中包括吸收、散射以及显著的湍流效应,场景如图1所示。海水中的吸收效应会使光信号的能量在传播过程中逐渐损耗,而散射效应则会改变光信号原本的传播方向,使信号发生偏离。海水中的湍流效应由于温度盐度和气泡的影响,会导致光线在传输路径上经历快速变化的折射率,进而引起光强的随机波动,即所谓的光强闪烁现象,这种闪烁会导致接收信号的不稳定,从而引发信号衰落的问题。吸收、散射与湍流这三个效应共同作用,不仅降低了到达接收端的信号光功率,还严重影响了整个水下无线光通信系统的传输性能和可靠性。
在水下湍流信道建模方面,已经提出了对数正态(LN,Log-Normal)分布、广义伽马(GGD,Generalized Gamma)分布以及混合指数广义伽马分布(Mixture Exponential-Generalized Gamma)等模型来模拟湍流效应造成的影响。其中对数正态分布和广义伽马分布只能很好的模拟部分特殊场景下的湍流情况,而混合指数广义伽马分布能够拟合大部分湍流场景,包括弱到强湍流,且用此模型能够推导出通信系统性能的闭式表达式。因此大量的水下无线光通信领域均采用混合指数广义伽马函数来进行研究。
然而,在更加复杂的湍流场景下,尤其是在接收光强的随机分布为双峰分布时,混合指数广义伽马的拟合精度会严重下降,不能够真实的反映实际湍流情况,这种情况下利用该模型参数计算的通信系统性能的闭式表达式结果也将出现误差,这将对后续通信系统的评估性能分析和改进效果大打折扣。
因此,建立一个适用湍流场景更多,拟合效果更好的湍流统计分布模型并推导其通信系统性能的计算方法对于水下无线光通信的研究发展具有重要意义。
实现思路