海面波动对无线光通信的影响.docx

编号 本科生课程设计论文海面波动对无线光通信的影响及基本性能分析Influence of ocean wave on wireless optical communication and the basic performance analysis学 生 姓 名赵长远专 业光电信息工程学 号120212704指 导 教 师冷雁冰学 院光电工程二一二年六月 长春理工大学本课程设计论文毕业设计（论文）原创承诺书 1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）海面波动对无线光通信的影响及基本性能分析 ，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作 者 签 名： 赵长远 2016年 1月 3日 海面波动对无线光通信的影响及基本性能分析 摘 要: 研究了大气水下无线光通信下行链路中海面折射对光信道和光接收的影响，采Windows 三维图形函数 Direct3D 通过图形处理器( GPU) 进行复杂的几何运算并实现光信道三维可视化，利用二维谱的海浪模型得出不同风速和风区等条件下海面的随机波动对光线簇传输路径、海底光斑和接收点光强的影响; 根据仿真所得数据对接收端积分判决电路的时间常数、光强起伏和误码率三者之间的关系进行了分析，为跨界面传输的无线光通信系统设计提供预见性的动态信道模型参考。 关键词: 信道仿真; 图形处理器运算; Direct3D; 海浪模型; 无线光通信; 误码率Influence of ocean wave on wireless optical communication and the basic performance analysis Abstract: The influence of refraction by the air-sea interface on the optical channel and reception in the downward link from the air to underwater wireless optical communication was studied The complicated 3-D geometry calculations and visualization of the optical channel were implemented via Graphic Processing Unit ( GPU) by the Direct3D functions in the Windows system Refraction of the light ray cluster by the sea surface fluctuation in the sea wave model of 2-D spectrum were computed， whereby the light field on the horizontal plane within which the receiver was located under various wind speed and wind field could be calculated.The relationship among the time constant of integrating judging circuit of the receiver， light intensity fluctuation and Bit Error Rate ( BER) was analyzed from the simulation data， to provide a predictive and dynamic model of transmission channel in reference for the wireless optical communication system design in the case of the trans-interface transmission Key words: channel simulation; Graphic Processing Unit( GPU) computation; Direct3D; ocean wave model; wireless optical communication; Bit Error Rate ( BER)一、应用 由于水介质对射频波段电磁波的高损耗，水下无线通信通常借助其蓝绿光传输的低损耗窗口1( 波长为 470 nm 540 nm) 进行，如何提高水下光通信链路的稳定性和可靠性是需要解决的关键问题2 4。水下光通信主要应用于海洋水深较大的区域，经常需要水上( 大气或空气) 和水下进行跨介质界面的传输。海面因受各种因素影响总存在一定波动，使光束中多条光线穿过海水界面时入射角各不相同，因而折射方向不同，导致光束漂移、光斑畸变和光强起伏，造成光强在时间和空间分布上的不均匀，给接收端引入一定噪声，成为制约光信号在空海环境中有效传输的重要问题5 6。预先知道光束偏离的方向与大小、光斑分布等情况，对准确接收光信号，合理选择光源功率、采用合适的通道编码和提高通信系统的整体性能具有重要意义。2、 原理1、计算方法 本文在计算中要解决的关键问题就是在三维空间里从任意方向入射到任意法线方向的水界面后的折射方向。本文试图用 Matlab 编程计算来解决，但得出的折射方程解过于复杂，处理数据量很大，计算过程非常耗时( 在 3 4 GHz 主频CPU 的机器上连续运行 10 天左右才能得出分析所需要的基本数据结果) ，另外 Matlab 的三维可视化功能也比较弱，对于这种基于通用型处理器( general-purpose processor) 的计算，速度肯 定 不 是 它 的 长 处。 计 算 机 图 形 处 理 器 ( Graphic Processing Unit，GPU) 的工作频率一般都比其中央处理器 CPU要低，但由于 GPU 对图形数据的流水线处理方式和强大的浮点运算功能7，使它对于三维空间中点、线、面的运算具有比CPU 高得多的性能。一般 硬件同时支持当前两大图形函数库SGI 公司创建的 Open GL 和微软的 Direct3D，两者性能相当，本文采用了后者，将其库档导入到VC + 编程环境中调用，进行计算并将结果可视化。2 、海浪模型 海面的波动一般分为三种情况: 风力引起的海浪、重力及离心力引起的潮汐和大地构造力引起的海啸8。其中潮汐和海啸的波长很长，不会对光通信产生很大的影响，所以本文只考虑风力引起的海浪所产生的影响。在风力作用下，水质点离开平衡位置做圆或椭圆运动并向着一定的方向传播，同时出现许多高低长短不同的波，所以海浪可看做由无限多个不同波幅和不同传播方向的波线性叠加而成，其数学模型可表示为: 其中: k，m为波数; w，m为角频率; ，n为方向角; m，n为随机相位;a，m，n表示角频率为 w，m、方向角为 ，n的组成波振幅，且: 其中: s( w，) 为海浪的能量谱; s( w) 为海浪频谱; G( w，)为海浪方向谱。选用平均 JONSWAP 谱作为海浪频谱9 其中: w0为谱峰频率， 为尺度系数，两者都是风区与风速的函数; 称为峰形参量。选用 SWOP 方向函数作为海浪方向谱10: 其中： 根据式( 1) ( 4) 便可得到由不同频率、不同传播方向组成波叠加生成的海面高度场。在仿真过程中海面由 Direct3D中基于 COM 的 ID3DXMESH 三维网面描述，它由多个顶点及由相邻顶点编织的三角形面元( face) 构成，网面可直接在 Direct3D 硬件加速设备环境中渲染和显示。只要把相应的坐标数据赋给这些顶点，就可以形成动态的海面。3、 实验1、任意曲面折射光线的路径计算 首先要解决的关键问题是精确求出一定方向指数的光线与描述波浪海面的动态网状曲面的交点，通常需要采用逐步逼近的方法，对于光线簇的计算耗时量将会很大，这种方法性能低下。而 Direct3D 所提供的 D3DXIntersect 函数则可以快速准确地求出射线 ray 与网面的交点及交点发生的面元定位索引，由该面元的三个顶点 A、B、C 求出其法线。如图 1 所示，法线方向为: n = CB BA （5） 入射角为: （6）折射角 2可由斯奈尔定律得: （7） 其中: n1、n2分别为空气和海水的折射率; 矢量 refr 为折射光线，它相当于入射光线的延长线在入射平面内向法线方向旋转了 = 1 2的角度，旋转轴为: axis = ray n （8） 这样可用 Direct3D 中 D3DXMatrix Rotation Axis 函数得到折射光线矢量的方向指数，此外Direct3D 提供了大量的函数可以满足本文所涉及的所有几何计算的需要。为便于观察光路随海面波动的变化情况，暂将入射光束设为 11 11 阵列，经仿真得到风速为 15 m/s，风区为 200 m情况下光路传输情况如图 2 所示。其中有些折射光束偏折方向比较大主要由海浪模型中随机相位 m，n的随机变化引起。 图 2 光线簇从大气穿过海水界面后折射光线的三维图示3 2 光束在海水界面的透过率光由空气进入海面时，光强的界面透射率11为: （9）其中 是由折射率不连续性决定的界面透射率; 由菲涅尔公式可得: 其中: 1、2分别为入射角和折射角。Tap2是由海水泡沫及条纹决定的界面透射率，与海面的风速有关，表达式12为: 其中 U 的单位为 m/s。3 3 光强分布计算常用的光强分布计算方法有光束断面积法、蒙特卡罗法、投射立体角法13等，这些方法都一定程度地受光源结构和光线分布形式的限制。本文针对经过波动海面的光线会发生交叉的情况所提出的光强叠加法比蒙特卡罗法有更小的时间复杂度和更高精确性，且有一定的通用性。设光束的初始光强沿中心呈高斯分布，即: 其中: pli，j为光线 Li，j的光强，i，j ( 0 m 1) ，i、j 为光线 Li，j的索 引 号， 经 海 面 折 射 后， 光 线 索 引 号 不 变; ri，j=cn 为光束中心，cn = m/2，a表示对 a 取整数; c 常数; 为高斯分布的均方根。 设每相邻三条光线依次组成的光束子截面内光强均匀分布，即入射光线组成的截面面积 上光强为均匀分布，且光强值 可表示为: 经过水面折射后，折射光线的传播方向会随着海面的波动发生改变，光束面积也随之变化。光束中各光线映射到接收平面上会形成新的顶点阵列，如图 3 所示，每个新的子截面依旧由原来相同索引号的 3 个顶点组成，由此可算出各子截面映射到接收面上后的面积，且经折射后子截面上光强，变为: 若平行光线以角 斜入射到倾角为 海面上，经计算: 其中 为折射角，可由斯奈尔定律求出。将接收点所在平面上的有限范围分为 n n 的二维点阵( 像素阵列) ，将接收面上各像素坐标值与光线映射到接收面。若接收面上某一个点同在k 个面积为 St，光强为 pt( t = 1，2，3，k) 的子截面内，则 A 点处光强 为: 由此光强叠加法便可得到接收面上各点的光强分布情况。具体实现的流程如图 4 所示。 相干光通信中，不能对光强进行简单的叠加，还要考虑各光线的相位差即折射后到达接收点所在平面各点的光程差，对此将在今后的工作中作进一步的研究。四、三维仿真结果 利用以上光路传输方法和亮度计算方法对从 100 m 高度入射到海中的蓝光传输过程进行了仿真，假设在水深 60 m 处有接收机对光信号进行处理，且整个仿真过程仅考虑海面对光传输的影响。考虑到计算机运算速度和计算量的问题，本文所用光线数为 41 41，接收平面为 513 513 的点阵。图 5分别为风速( m/s) 、风区( km) 在 ( 0 5，0 7) 、( 3，5) 、( 550) 、( 15，200) 的情况下，某时刻接收平面上的光斑变化情况。其中图 5( c) 和( d) 光强放大到 2 倍。图 6 为在以上四种情况下光斑中心点的光强变化情况。 由图 5、图 6 可见，在不同时刻，光斑随着海面的波动出现闪烁，这是由于海面在波动过程中，其微分面法线的倾角随时发生变化，导致折射光线的传输方向也出现了不定向的改变。随着风速、风区地逐渐增大，接收面上光斑亮度值逐渐降低。尤其在风速为 15 m/s，风区 200 km 的情况下( 图 5( d) ) ，接收面光斑变得异常分散，光强抖动非常严重，各点光强值也极其微弱，极大增加了误码概率，严重影响光通信的可靠性，通信过程几乎无法建立。 通过图 5( a) ( b) 对比也可看出，随着风速、风区的增大，光斑面积也逐渐变大。这充分说明在海洋通道中，除了海水密度起伏，各向异性水分子运动方向的起伏，溶解物质的浓度起伏和悬浮颗粒外14，海水界面的随机波动对光传输也有一定的散射效应，导致光脉冲展宽，使发射的光不能完全地被接收端接收，造成一部分光能的损失，限制了系统可达到的最大数据传输速率。5、 系统性能分析误码率( Bit Error Rate，BER) 在分析无线光通信的系统性能方面起到了重要作用。码元传输速率、接收器收到的平均信号光功率、光强起伏方差及探测器输出噪声是计算误码率需要考的主要因素15。在光强/直接检测过程中，根据判决门限从检测器输出的带有噪声的电流中取原始信号是通信过程的关键环节，若信源输出为二元码，从探测器输出电流大于判决门限时判为“1”码，反之为“0”码。从图 6 可以看出，光束经海面到达接收端时，由于海面波动的影响，光强起伏非常严重，相邻时刻光强差可达 20 d B，此时接收端不能采用传统固定的判决门限实现通信数据的恢复，而应根据光强起伏的情况做出适当调整。在实际应用中，一般采用积分判决电路对时间常数 t 内的信号先求积分，再求平均值来确定相应时间段内信号的判决门限，这样可极大地减小因信号起伏严重而产生的误码，即积分电路的时间常数决定了判决门限的实际取值情况。以下利用 Matlab 对从三维仿真中所得数据进行分析，得出时间常数、光强起伏和误码率三者之间的关系。设系统源码为 101010，“0”、“1”等概率分布，传信率 R为 10 Kbps，采用 OOK 调制方式，在风速、风区为( 3，5) 的情况对高度为 100 m，深度为 300 m 的通信过程进行了仿真，得到接收处光强随时间的变化情况如图 7 所示。考虑背景噪声和探测器端输出的噪声服从高斯分布，则探测器输出电流可表示为: i = is+ in，其中 is为信号电流in为噪声电流。在 t 的时间内，对仿真得到的数据求平均值 Is，判决门限为 It= Is/2时误码率随 t 的变化情况如图 8 所示。 将图 7 与图 8 进行对比分析，当 t = 2 ms 时，图 7 中在2 ms 相对较短的时间内尖峰起伏的幅度非常大，使判决门限普遍高于其他时刻的电流值，从而使本应判为“1”码的电流被错判为“0”码，产生得误码较多; 随着 t 的增大，得到的脉冲数也逐渐增多，尖峰时刻光强产生的电流对门限电流的影响会逐渐减小，所以 BER 随 t 的增大整体上有下降的趋势，但如果在 t 时间内有更强的尖峰出现，BER 也会随之急剧上升。所以，在对海无线光通信中，应根据光强起伏的情况合理设置积分判决电路的时间常数，此时，前文提出的三维仿真系统在接收器的优化设计方面有一定的参考价值。 由图 8 可以看出，仅用 OOK 调制并不能达到正常通信的要求。为进一步降低误码率，可以增大发射光功率，但增大光功率对设备要求较高且有一定的局限性16，因此可考虑采用空间分集接收的方式，即对具有一定阵列分布的多个探测器测得的信号进行加权迭加，达到平缓光强起伏强度、提高信噪比的作用。设空间分集为呈正方形分布的四点接收阵列，对四点间距分别为 0 2 m，0 5 m，0 8 m，1 m，1 2 m，1 5 m 的情况进行仿真分析，得出随着接收点间距离的增加，接收到的光强平均值和方差都逐渐降低，但在 0 8 m 处存在方差极小值点，即当四个点分别相距 0 8 m 时，海面波动对光通信影响最小; 同时，也可考虑引入通道编码的方式来改善通信质量，提高系统性能，这也是我们以后的研究方向。5、 结语 本文利用 Windows 三维函数库 Direct3D 在一定海浪模型下描述了动态海面，并对光折射的复杂几何计算进行了 GPU高性能处理，建立了光传输的大气水下跨海面的通道仿真动态模型并实现三维可视化，使设计过程中可以在不同的海浪模型参数下直观地预测到光通道的漂移、发散和光强分布的变化。分析了误码率与积分判别电路时间常数及光强起伏的关系，得出应根据光强起伏的情况合理设置积分判决电路时间常数的结论，对实际情况下大气水下无线光通信系统的设计提供了具有一定参考价值的方法模型。参考文献:1 DUNTLEY S Q Visibility in the oceansJ Journal of Optical Society of America，1963，53( 2) : 214 2332 LV PEI， HE JUNHUA， ZHOU RENKUI， et al The application of underwater optics and its development C / / Proceedings of SPIEBellingham，WA: SPIE， 2007， 6837: 68370I-1 68370I-103 BRUNDAGE H Designing a wireless underwater optical communication systeD Cambridge，UK: Massachusetts Institute of Technology，20064 JARUWATANADILOK ， SERMSAK Underwater wireless optical communication channel modeling and performance evaluation using vector radiative transfer theoryJ IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2008， 26( 9) : 1620 16215 YOUNG E Y S， BULLOCK A M Underwater-airborne laser communication system: Characterization of the channel C / / Proceedings of SPIE Bellingham，WA: SPIE，2003， 4975: 146 1476 周田华，陈卫标，贺岩，等 通过海气界面的上行激光光场分布J 中国激光，2010，37( 8) : 1978 19827 OWENS J D， HOUSTON M， LUEBKE D， et al GPU ComputingJ Proceedings of the IEEE， 2008， 96( 5) : 879 8998 LISA S， SHUH M Water video analysisC / / 2004 International Conference on Image Processing Washington， DC: IEEE Computer Society，2004，4: 2705 27089 李瑞丽 海浪周期若干问题研究 D 青岛: 中国海洋大学，200710 文圣常，泉宇文 海浪理论与计算赋理论 M 北京: 科学出版社，198411 柯熙政，席晓莉 无线激光通信概论M 北京: 北京邮电大学出版社，200412 王敏，刘维亭，王建华 蓝绿激光上行传输通道的信号能量传递分析J 华东船舶工业学院学报: 自然科学版，2003，17 ( 4) : 38 4113 安连生，李国栋 照明光学系统照度分布的计算机模拟分析J光学技术，199824( 6) : 45 4714 SMART J H，LAB A P，UNIV J H， et al Underwate