海面波動對無線光通信的影響

1、編號本科生課程設(shè)計(jì)論文海面波動對無線光通信的影響及基本性能分析Influence of ocean wave on wirelessoptical communication and the basicperformance analysis學(xué)生姓名趙長遠(yuǎn)專業(yè)光電信息工程學(xué)號120212704指導(dǎo)教師冷雁冰學(xué)院光電工程二o一二年六月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)承諾書本人承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）海面波動對無線光通信的影響 及基本性能分析，是認(rèn)真學(xué)習(xí)理解學(xué)校的長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）工作條例后，在教師的指導(dǎo)下，保質(zhì)保量獨(dú)立地完成了任務(wù)書中規(guī)定的內(nèi)容，不弄虛作假，不抄襲別人的工作內(nèi)容。本人在

2、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中引用他人的觀點(diǎn)和研究成果，均在文 中加以注釋或以參考文獻(xiàn)形式列出，對本文的研究工作做出重要貢獻(xiàn)的個(gè) 人和集體均已在文中注明。在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中對侵犯任何方面知識產(chǎn)權(quán)的行為，由本人 承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。本人完全了解學(xué)校關(guān)于保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即： 按照學(xué)校要求提交論文和相關(guān)材料的印刷本和電子版本；同意學(xué)校保留畢 業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的復(fù)印件和電子版本，允許被查閱和借閱；學(xué)?？梢圆捎?影印、縮印或其他復(fù)制手段保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），可以公布其中的全部 或部分內(nèi)容。以上承諾的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)！作者簽名：趙長遠(yuǎn)2016年1月海面波動對無線光通信的影響及基本性能分析摘要

3、：研究了大氣一水下無線光通信下行鏈路中海面折射對光信道和光接收的影 響，采Windows三維圖形函數(shù)Direct3D通過圖形處理器(GPU)進(jìn)行復(fù)雜的幾何 運(yùn)算并實(shí)現(xiàn)光信道三維可視化，利用二維譜的海浪模型得出不同風(fēng)速和風(fēng)區(qū)等條件 下海面的隨機(jī)波動對光線簇傳輸路徑、海底光斑和接收點(diǎn)光強(qiáng)的影響；根據(jù)仿真所 得數(shù)據(jù)對接收端積分判決電路的時(shí)間常數(shù)、光強(qiáng)起伏和誤碼率三者之間的關(guān)系進(jìn)行 了分析，為跨界面?zhèn)鬏數(shù)臒o線光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供預(yù)見性的動態(tài)信道模型參考。 關(guān)鍵詞：信道仿真；圖形處理器運(yùn)算；Direct3D;海浪模型；無線光通信；誤碼率Influence of ocean wave on wireless

4、 optical communicationand the basic performance analysisAbstract: 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 visua

5、lization 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

6、 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 predict

7、ive and dynamic model of transmission channel in reference for the wireless optical communication system design in the case of the trans-interface transmissionKey words: channel simulation; Graphic Processing Unit( GPU) computation; Direct3D； ocean wave model； wireless optical communication； Bit Err

8、or Rate ( BER)一、應(yīng)用由于水介質(zhì)對射頻波段電磁波的高損耗，水下無線通信通常借助其藍(lán)綠光傳輸 的低損耗窗口 1（波長為470 nm540 nm）進(jìn)行，如何提高水下光通信鏈路的 穩(wěn)定性和可靠性是需要解決的關(guān)鍵問題2 - 4。水下光通信主要應(yīng)用于海洋水深 較大的區(qū)域，經(jīng)常需要水上（大氣或空氣）和水下進(jìn)行跨介質(zhì)界面的傳輸。海面因 受各種因素影響總存在一定波動，使光束中多條光線穿過海水界面時(shí)入射角各不相 同，因而折射方向不同，導(dǎo)致光束漂移、光斑畸變和光強(qiáng)起伏，造成光強(qiáng)在時(shí)間和 空間分布上的不均勻，給接收端引入一定噪聲，成為制約光信號在空海環(huán)境中有效 傳輸?shù)闹匾獑栴}5 - 6。預(yù)先知道光束偏

9、離的方向與大小、光斑分布等情況，對 準(zhǔn)確接收光信號，合理選擇光源功率、采用合適的通道編碼和提高通信系統(tǒng)的整體 性能具有重要意義。二、原理1、計(jì)算方法本文在計(jì)算中要解決的關(guān)鍵問題就是在三維空間里從任意方向入射到任意法線 方向的水界面后的折射方向。本文試圖用Matlab編程計(jì)算來解決，但得出的折射 方程解過于復(fù)雜，處理數(shù)據(jù)量很大，計(jì)算過程非常耗時(shí)（在3. 4 GHz主頻CPU的 機(jī)器上連續(xù)運(yùn)行10天左右才能得出分析所需要的基本數(shù)據(jù)結(jié)果），另外Matlab 的三維可視化功能也比較弱，對于這種基于通用型處理器（general-purpose processor）的計(jì)算，速度肯定不是它的長處。計(jì)算機(jī)圖形

10、處理器 （Graphic Processing Unit，GPU）的工作頻率一般都比其中央處理器CPU要低， 但由于GPU對圖形數(shù)據(jù)的流水線處理方式和強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算功能7，使它對于三 維空間中點(diǎn)、線、面的運(yùn)算具有比CPU高得多的性能。一般 硬件同時(shí)支持當(dāng)前兩 大圖形函數(shù)庫SGI公司創(chuàng)建的Open GL和微軟的Direct3D，兩者性能相當(dāng)，本文采用了后者，將其庫檔導(dǎo)入到VC +編程環(huán)境中調(diào)用，進(jìn)行計(jì)算并將結(jié)果可視 化。2、海浪模型海面的波動一般分為三種情況：風(fēng)力引起的海浪、重力及離心力引起的潮汐和大 地構(gòu)造力引起的海嘯8。其中潮汐和海嘯的波長很長，不會對光通信產(chǎn)生很大的 影響，所以本文只考慮風(fēng)

11、力引起的海浪所產(chǎn)生的影響。在風(fēng)力作用下，水質(zhì)點(diǎn)離開 平衡位置做圓或橢圓運(yùn)動并向著一定的方向傳播，同時(shí)出現(xiàn)許多高低長短不同的波， 所以海浪可看做由無限多個(gè)不同波幅和不同傳播方向的波線性疊加而成，其數(shù)學(xué)模 型可表示為：姒二 1 a-G其中：k，m為波數(shù)；w，m為角頻率；。，n為方向角；& m，n為隨機(jī)相位;a， m，n表示角頻率為w，m、方向角為0，n的組成波振幅，且：= /試丁挪,）dHdJ = ,2$ （w,.）白心9 （2）其中：s（ w, e）為海浪的能量譜；s（ w）為海浪頻譜；G（ w, e）為海浪方向 譜。選用平均JONSWAP譜作為海浪頻譜9=注*句-/（土）隊(duì)好邳心列其中：w0為

12、譜峰頻率，a為尺度系數(shù)，兩者都是風(fēng)區(qū)與風(fēng)速的函數(shù)；a稱為峰形參量。選用SWOP方向函數(shù)作為海浪方向譜10:= （I + f） ciH 2fj 4 tj 4） /ir（）其中：P =住5 + （L L-= 0. L - （ h/心）左根據(jù)式（1）（4）便可得到由不同頻率、不同傳播方向組成波疊加生成的海 面高度場。在仿真過程中海面由Direct3D中基于COM的ID3DXMESH三維網(wǎng)面描 述，它由多個(gè)頂點(diǎn)及由相鄰頂點(diǎn)編織的三角形面元（face）構(gòu)成，網(wǎng)面可直接在 Direct3D硬件加速設(shè)備環(huán)境中渲染和顯示。只要把相應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)賦給這些頂點(diǎn)， 就可以形成動態(tài)的海面。三、實(shí)驗(yàn)1、任意曲面折射光線的

13、路徑計(jì)算首先要解決的關(guān)鍵問題是精確求出一定方向指數(shù)的光線與描述波浪海面的動態(tài) 網(wǎng)狀曲面的交點(diǎn)，通常需要采用逐步逼近的方法，對于光線簇的計(jì)算耗時(shí)量將會很 大，這種方法性能低下。而Direct3D所提供的D3DXIntersect函數(shù)則可以快速準(zhǔn) 確地求出射線ray與網(wǎng)面的交點(diǎn)及交點(diǎn)發(fā)生的面元定位索引，由該面元的三個(gè)頂點(diǎn) A、B、C求出其法線。如圖1所示，法線方向?yàn)椋簄 = CB X BA（5）圖1任意曲ihi折射光線傳輸路徑入射角為：(6)如=(r叩 n/(, | ray | | |)折射角a 2可由斯奈爾定律得:（7）tk-. = urcnin (n | h in rt, /u-.)其中：n1

14、、n2分別為空氣和海水的折射率；矢量refr為折射光線，它相當(dāng)于 入射光線的延長線在入射平面內(nèi)向法線方向旋轉(zhuǎn)了 P = a 1- a 2的角度，旋轉(zhuǎn) 軸為：(8)axis = ray X n水下閾折射冷戲這樣可用Direct3D中D3DXMatrix Rotation Axis函數(shù)得到折射光線矢量的 方向指數(shù)，此外Direct3D提供了大量的函數(shù)可以滿足本文所涉及的所有幾何計(jì)算 的需要。為便于觀察光路隨海面波動的變化情況，暫將入射光束設(shè)為11 X 11陣 列，經(jīng)仿真得到風(fēng)速為15 m/s，風(fēng)區(qū)為200 m情況下光路傳輸情況如圖2所示。 其中有些折射光束偏折方向比較大主要由海浪模型中隨機(jī)相位&

15、m，n的隨機(jī)變化 引起?？諝鈭D2光線簇從大氣穿過海水界面后折射光線的三維圖示3. 2光束在海水界面的透過率光由空氣進(jìn)入海面時(shí)，光強(qiáng)的界面透射率11為:(9)其中是由折射率不連續(xù)性決定的界面透射率；由菲涅爾公式可得:+ )1P at, J x tL” Loti - mJ 其中：a 1、a 2分別為入射角和折射角Tap2是由海水泡沫及條紋決定的界面透射 率，與海面的風(fēng)速有關(guān)，表達(dá)式12為：2 x J x / x ;/乓 92 x 10 5 x f/ J (0. nsi -0頑;l 9其中U的單位為m/s。3. 3光強(qiáng)分布計(jì)算常用的光強(qiáng)分布計(jì)算方法有光束斷 面積法、蒙特卡羅法、投射立體角法13等，這

16、些方法都一定程度地受光源結(jié)構(gòu) 和光線分布形式的限制。本文針對經(jīng)過波動海面的光線會發(fā)生交叉的情況所提出的 光強(qiáng)疊加法比蒙特卡羅法有更小的時(shí)間復(fù)雜度和更高精確性，且有一定的通用性。設(shè)光束的初始光強(qiáng)沿中心呈高斯分布，即：其中：pli，j為光線Li，j的光強(qiáng)，i，j e （0m - 1） , i、j為光線 Li, j的索引號，經(jīng)海面折射后，光線索引號不變；ri，j=I r ，cn為光束中心，cn=m/2，a表示對a取整數(shù)；c常數(shù)；o為高斯分布的均方根。設(shè)每相鄰三條光線依次組成的光束子截面內(nèi)光強(qiáng)均勻分布，即入射光線A J- 1 組成的截面面積、上光強(qiáng)為均勻分布，且光強(qiáng)值】可表示為：經(jīng)過水面折射后，折射光

17、線的傳播方向會隨著海面的波動發(fā)生改變，光束面積 也隨之變化。光束中各光線映射到接收平面上會形成新的頂點(diǎn)陣列，如圖3所示， 每個(gè)新的子截面依舊由原來相同索引號的3個(gè)頂點(diǎn)組成，由此可算出各子截面映射到接收面上后的面積、，且經(jīng)折射后子截面上光強(qiáng)“，變?yōu)椋篜 J 二*）若平行光線以角a斜入射到傾角為0海面上，經(jīng)計(jì)算：，-, eg /（.I _息日+。）頃日成）其中0 為折射角，可由斯奈爾定律求出。將接收點(diǎn)所在平面上的有限范圍分 為n X n的二維點(diǎn)陣（像素陣列），將接收面上各像素坐標(biāo)值與光線映射到接收 面。若接收面上某一個(gè)點(diǎn)同在k個(gè)面積為St，光強(qiáng)為pt（ t = 1 2, 3，k） 的子截面內(nèi)，則A

18、點(diǎn)處光強(qiáng) 匚為：4 = XU3I由此光強(qiáng)疊加法便可得到接收面上各點(diǎn)的光強(qiáng)分布情況。具體實(shí)現(xiàn)的流程如圖4 所示。圖3 經(jīng)海面折射后子藏面頂點(diǎn)陣列的變化精次圖4光腿分布計(jì)聳流程相干光通信中，不能對光強(qiáng)進(jìn)行簡單的疊加，還要考慮各光線的相位差即折射 后到達(dá)接收點(diǎn)所在平面各點(diǎn)的光程差，對此將在今后的工作中作進(jìn)一步的研究。四、三維仿真結(jié)果利用以上光路傳輸方法和亮度計(jì)算方法對從100 m高度入射到海中的藍(lán)光傳 輸過程進(jìn)行了仿真，假設(shè)在水深60 m處有接收機(jī)對光信號進(jìn)行處理，且整個(gè)仿真 過程僅考慮海面對光傳輸?shù)挠绊??？紤]到計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度和計(jì)算量的問題，本文所 用光線數(shù)為41 X 41，接收平面為513 X 5

19、13的點(diǎn)陣。圖5分別為風(fēng)速（m/s）、 風(fēng)區(qū)（km）在（0. 5，0. 7）、（ 3，5）、（ 550）、（ 15，200）的情況下，某 時(shí)刻接收平面上的光斑變化情況。其中圖5（c）和（d）光強(qiáng)放大到2倍。圖6為 在以上四種情況下光斑中心點(diǎn)的光強(qiáng)變化情況。速、風(fēng)區(qū)分JM為鼠5(1 (d邛魂、網(wǎng)區(qū)分別為齡00圖5 不同倩況下的光斑變化情況由圖5、圖6可見，在不同時(shí)刻，光斑隨著海面的波動出現(xiàn)閃爍，這是由于海 面在波動過程中，其微分面法線的傾角隨時(shí)發(fā)生變化，導(dǎo)致折射光線的傳輸方向也 出現(xiàn)了不定向的改變。隨著風(fēng)速、風(fēng)區(qū)地逐漸增大，接收面上光斑亮度值逐漸降低。 尤其在風(fēng)速為15 m/s，風(fēng)區(qū)200 km

20、的情況下(圖5( d)，接收面光斑變得異 常分散，光強(qiáng)抖動非常嚴(yán)重，各點(diǎn)光強(qiáng)值也極其微弱，極大增加了誤碼概率，嚴(yán)重 影響光通信的可靠性，通信過程幾乎無法建立。通過圖5(a)(b)對比也可看出，隨著風(fēng)速、風(fēng)區(qū)的增大，光斑面積也逐漸變大。這充分說明在海洋通道中，除了海水密度起伏，各向異性水分子運(yùn)動方向的起伏，溶解物質(zhì)的濃度起伏和懸浮顆粒外14,海水界面的隨機(jī)波動對光傳輸也 有一定的散射效應(yīng)，導(dǎo)致光脈沖展寬，使發(fā)射的光不能完全地被接收端接收，造成 一部分光能的損失，限制了系統(tǒng)可達(dá)到的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。五、系統(tǒng)性能分析誤碼率（Bit Error Rate，BER）在分析無線光通信的系統(tǒng)性能方面起到了重

21、要 作用。碼元傳輸速率、接收器收到的平均信號光功率、光強(qiáng)起伏方差及探測器輸出 噪聲是計(jì)算誤碼率需要考的主要因素】15。在光強(qiáng)/直接檢測過程中，根據(jù)判決門 限從檢測器輸出的帶有噪聲的電流中取原始信號是通信過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，若信源輸 出為二元碼，從探測器輸出電流大于判決門限時(shí)判為“1”碼，反之為“0”碼。從圖6可以看出，光束經(jīng)海面到達(dá)接收端時(shí)，由于海面波動的影響，光強(qiáng)起伏 非常嚴(yán)重，相鄰時(shí)刻光強(qiáng)差可達(dá)20 dB，此時(shí)接收端不能采用傳統(tǒng)固定的判決門限 實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的恢復(fù)，而應(yīng)根據(jù)光強(qiáng)起伏的情況做出適當(dāng)調(diào)整。在實(shí)際應(yīng)用中，一 般采用積分判決電路對時(shí)間常數(shù) t內(nèi)的信號先求積分，再求平均值來確定相應(yīng)時(shí) 間段

22、內(nèi)信號的判決門限，這樣可極大地減小因信號起伏嚴(yán)重而產(chǎn)生的誤碼，即積分 電路的時(shí)間常數(shù)決定了判決門限的實(shí)際取值情況。以下利用Matlab對從三維仿真 中所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出時(shí)間常數(shù)、光強(qiáng)起伏和誤碼率三者之間的關(guān)系。設(shè)系統(tǒng)源碼為101010，“0”、“1”等概率分布，傳信率R為10 Kbps，采用OOK調(diào)制方式，在風(fēng)速、風(fēng)區(qū)為（3, 5）的情況對高度為100 m， 深度為300 m的通信過程進(jìn)行了仿真，得到接收處光強(qiáng)隨時(shí)間的變化情況如圖7 所示?？紤]背景噪聲和探測器端輸出的噪聲服從高斯分布，則探測器輸出電流可表 示為：i=is+ in，其中is為信號電流in為噪聲電流。在 t的時(shí)間內(nèi)，對仿 真得

23、到的數(shù)據(jù)求平均值Is，判決門限為IA t= Is/2時(shí)誤碼率隨 t的變化情況 如圖8所示。將圖7與圖8進(jìn)行對比分析，當(dāng) t = 2 ms時(shí)，圖7中在2 ms相對較短的時(shí)間內(nèi)尖峰起伏的幅度非常大，使判決門限普遍高于其他時(shí) 刻的電流值，從而使本應(yīng)判為“1”碼的電流被錯(cuò)判為“0”碼，產(chǎn)生得誤碼較多；隨 著t的增大，得到的脈沖數(shù)也逐漸增多，尖峰時(shí)刻光強(qiáng)產(chǎn)生的電流對門限電流的 影響會逐漸減小，所以BER隨 t的增大整體上有下降的趨勢，但如果在 t時(shí)間內(nèi)有更強(qiáng)的尖峰出現(xiàn)，BER也會隨 之急劇上升。所以，在對海無線光通信中，應(yīng)根據(jù)光強(qiáng)起伏的情況合理設(shè)置積分判 決電路的時(shí)間常數(shù)，此時(shí)，前文提出的三維仿真系統(tǒng)在

24、接收器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面有一 定的參考價(jià)值。圖H誤碼率隨時(shí)間常故他變化情況由圖8可以看出，僅用OOK調(diào)制并不能達(dá)到正常通信的要求。為進(jìn)一步降低 誤碼率，可以增大發(fā)射光功率，但增大光功率對設(shè)備要求較高且有一定的局限性16, 因此可考慮采用空間分集接收的方式，即對具有一定陣列分布的多個(gè)探測器測得的 信號進(jìn)行加權(quán)迭加，達(dá)到平緩光強(qiáng)起伏強(qiáng)度、提高信噪比的作用。設(shè)空間分集為呈 正方形分布的四點(diǎn)接收陣列，對四點(diǎn)間距分別為0. 2 m，0. 5 m，0. 8 m，1m， 1. 2m，1. 5m的情況進(jìn)行仿真分析，得出隨著接收點(diǎn)間距離的增加，接收到的 光強(qiáng)平均值和方差都逐漸降低，但在0. 8m處存在方差極小值點(diǎn)，

25、即當(dāng)四個(gè)點(diǎn)分 別相距0. 8m時(shí)，海面波動對光通信影響最??；同時(shí)，也可考慮引入通道編碼的 方式來改善通信質(zhì)量，提高系統(tǒng)性能，這也是我們以后的研究方向。五、結(jié)語本文利用Windows三維函數(shù)庫Direct3D在一定海浪模型下描述了動態(tài)海面， 并對光折射的復(fù)雜幾何計(jì)算進(jìn)行了 GPU高性能處理，建立了光傳輸?shù)拇髿庖凰驴?海面的通道仿真動態(tài)模型并實(shí)現(xiàn)三維可視化，使設(shè)計(jì)過程中可以在不同的海浪模型 參數(shù)下直觀地預(yù)測到光通道的漂移、發(fā)散和光強(qiáng)分布的變化。分析了誤碼率與積分判別電路時(shí)間常數(shù)及光強(qiáng)起伏的關(guān)系， 得出應(yīng)根據(jù)光強(qiáng)起伏的情況合理設(shè)置積分判決電路時(shí)間常數(shù)的結(jié)論，對實(shí)際情況下 大氣一水下無線光通信系統(tǒng)的

26、設(shè)計(jì)提供了具有一定參考價(jià)值的方法模型。參考文獻(xiàn):DUNTLEY S Q. Visibility in the oceans J. Journal of Optical Society of America， 1963， 53( 2) : 214 - 233.LV PEI, HE JUNHUA, ZHOU RENKUI, et al . The application of underwater optics and its development C / / Proceedings of SPIE Bellingham, WA:SPIE, 2007, 6837: 68370I-1 - 6837

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