[发明专利]一种水下无线光通信信道仿真模拟方法

说明书

本发明涉及数据传输领域，公开了一种水下无线光通信信道的仿真模拟方法，通过搭建海水信道的物理仿真模型，引入高斯光源参数、接收器尺寸参数、海水吸收及散射系数等环境变量，利用蒙特‑卡罗方法模拟光子在海水信道中的运动状况及轨迹，计算得出设定信道长度下探测面接收到的光子数，进而求得不同水质条件中激光光源从发送端到接收端的功率差损，为水下无线光通信系统的链路功率裕量计算提供依据。在本发明提供的水下信道模拟方法中，信号光传播不同于简单的呈球面传播的指数衰减模型，引入了更多外部因素和相关变量，并采用阈值方式判定光子最终状态，更加逼近海水中无线光传播的真实情况，具有更高的实用性。

技术领域

本发明涉及数据传输领域，尤其涉及一种水下无线光通信信道仿真模拟方法。

背景技术

对于水下观测平台来说搭建无线光通信链路尤其重要，它可以在水下机器人、传感器节点、信息枢纽之间建立高速率、高带宽的通信连接，从而避免通过高精度机器人进行接驳的复杂操作和高昂成本。预测通信中的信号强度变化来评估链路质量，可以更好地利用水下无线光的通信信道，为通信系统设计论证提供数据支撑。在水下无线光通信系统模型中，链路功率的计算除了需要考虑系统所需器件，包括调制解调模块、光源、光路、探测器、放大器以及模数转换模块外，还需考虑的一个重要因素是海水中独特的信道环境引起的信号光功率的衰减，这种衰减涵盖了水分子和溶解粒子的散射和吸收影响，包括纯水、溶解有机物质、浮游生物和有机碎屑等物质对光的吸收，以及由纯水和颗粒物等因素造成的散射。

在干净均匀的水池实验中，散射不作为信号光能量的主要衰减方式，光信号传播可以理解为呈指数衰减的球面波模型。考虑蓝绿激光在海域环境中的信道传输特性，提出了一种利用蒙特-卡罗方法的海水信道仿真算法模型，该算法引入了光源、海水以及接收平面的特征信息，可以根据颗粒物存在的不同统计分布和散射强度模拟计算两端机在特定距离下的通信信号功率。

发明内容

本发明主要考虑蓝绿激光在海域环境中信道传输的衰减特性，通过蒙特-卡罗方法构建信道传输模型，进一步逼近真实条件下海水信道中光子的传输情况。

一种水下无线光通信信道仿真模拟方法，包括以下步骤：

(1)给定高斯光源随机光子数量、光腰尺寸以及发散角，生成高斯半径分布、基于薄透镜变换矩阵的极发散角以及均匀分布天顶角，确定光束形状；

(2)对步骤(1)中生成的激光高斯光斑进行采样得到光子；

(3)获取光子坐标和方位角，并根据HG函数生成散射角；

(4)根据海水吸收和散射系数产生随机自由步长；

(5)由散射角和方位角确定光子运动方向矢量，得到位移后的光子坐标位置；

(6)设定水下信道传输的上下界面，判断光子坐标位置是否到达界面外，若是，则将界面外光子的运动路径折返至界面内，更新步骤(5)中光子的坐标位置，否则，进行步骤(7)；

(7)判定光子是否到达设定的探测面，若是，则进行步骤(8)，否则，进行步骤(9)；

(8)将光子移动步长累加计入光子运动距离，记录到达探测面的坐标位置及散射角，将光子状态标定为接收，并累积光子权重后，返回步骤(2)；

(9)将光子移动步长累加计入光子运动距离；

(10)计算发生散射后的权重值W_n＝W_n-1(b/c)，其中，所有光子初始权重W＝1，n为发生散射的次数，b/c为发生散射时的功率损失系数，b为海水散射系数，c为海水衰减系数，W_n-1为上一次发生散射的权重值；

(11)判断散射后权重值W_n是否大于设定阈值W_th，若是，则返回步骤(3)，否则，判定光子消亡，停止追踪并返回步骤(2)；