水下可见光通信方法及系统

摘要

本发明实施例公开了一种水下可见光通信方法和应用该方法的系统，方法包括：获取用于传输信号的水下信道的冲激响应函数；对冲激响应函数进行采样，得到信道特性矩阵；通过反向傅里叶变换IFFT将待传输信号调制到多个子载波，并将经过调制的各子载波均拆分成多个信号块；根据冲激函数的采样量确定补零量，并根据补零量对各信号块的末尾进行补零处理；将经过补零处理的信号块形成串行数据，并将串行数据发送至光信号源，以产生可见光信号；根据可见光信号生成电信号，并根据信道特性矩阵对所述串行信号进行迫零均衡处理；将经过迫零均衡处理的信号进行傅里叶变换FFT，并恢复出所述待传输信号。能够兼顾通信效率和质量，具有广泛的应用前景。

权利要求

1.一种水下可见光通信方法，其特征在于，所述方法包括：获取用于传输信号的水下信道的冲激响应函数；

对所述冲激响应函数进行采样，得到信道特性矩阵；

通过反向傅里叶变换IFFT将待传输信号调制到多个子载波，并将经过调制的各子载波均拆分成多个信号块；

根据所述冲激响应函数的采样量确定补零量，并根据所述补零量对各信号块的末尾进行补零处理；

将经过补零处理的信号块形成串行数据，并将所述串行数据发送至光信号源，以产生可见光信号；

根据所述可见光信号生成电信号，并根据所述信道特性矩阵对所述串行信号进行迫零均衡处理；

将经过迫零均衡处理的信号进行傅里叶变换FFT，并恢复出所述待传输信号；

其中，所述补零量等于采样量减一。

2.如权利要求1所述的水下可见光通信方法，其特征在于，获取所述水下信道的冲激响应函数，具体包括：获取所述水下信道的双伽马函数，所述双伽马函数包括未知参数；

获取针对所述水下信道的蒙特卡洛仿真结果；

通过所述蒙特卡洛仿真结果确定出所述双伽马函数内未知参数，并以确定后的双伽马函数作为所述水下信道的冲激响应函数。

3.如权利要求1所述的水下可见光通信方法，其特征在于，对所述冲激响应函数进行采样，得到信道特性矩阵之前，所述方法还包括：将所述冲激响应函数低于10-10的数据直接设置为0值。

4.如权利要求1所述的水下可见光通信方法，其特征在于，所述水下通信系统为OFDM通信系统。

5.一种水下可见光通信系统，其特征在于，包括：处理器，用于获取用于传输信号的水下信道的冲激响应函数；

所述处理器，用于对所述冲激响应函数进行采样，得到信道特性矩阵；

发射机，用于通过反向傅里叶变换IFFT将待传输信号调制到多个子载波，并将经过调制的各子载波均拆分成多个信号块；

所述发射机，还用于根据所述冲激响应函数的采样量确定补零量，并根据所述补零量对各信号块的末尾进行补零处理；

所述发射机，还用于将经过补零处理的信号块形成串行数据；

光信号源，用于接收所述串行数据并据此产生可见光信号；

接收机，用于根据所述可见光信号生成电信号，并根据所述信道特性矩阵对所述串行信号进行迫零均衡处理；

所述接收机，还用于将经过迫零均衡处理的信号进行傅里叶变换FFT，并恢复出所述待传输信号；

其中，所述补零量等于采样量减一。

6.如权利要求5所述的水下可见光通信系统，其特征在于，所述处理器，具体用于：获取所述水下信道的双伽马函数，所述双伽马函数包括未知参数；

获取针对所述水下信道的蒙特卡洛仿真结果；

通过所述蒙特卡洛仿真结果确定出所述双伽马函数内未知参数，并以确定后的双伽马函数作为所述水下信道的冲激响应函数。

7.如权利要求5所述的水下可见光通信系统，其特征在于，所述发射机，还用于：将所述冲激响应函数低于10-10的数据直接设置为0值。

8.如权利要求5所述的水下可见光通信系统，其特征在于，所述水下通信系统为OFDM通信系统。

说明书

水下可见光通信方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种水下可见光通信方法及系统。

背景技术

[0002] 目前，一种利用水下信道传播可见光的水下可见光通信技术，在商业与军事等领域具有很大的应用前景。然而，由于水对可见光产生吸收和散射，这种情况会造成发射光子到达接收机的时间延迟不同，进而造成码间干扰，使水下可见光通信在传输性能上受到了一定的制约。特别是在长距离的水下可见光通信过程中，码间干扰会严重影响通信系统的性能，影响通信质量。

发明内容

[0003] 本发明实施例的目的是提供一种水下可见光通信方法及系统，以解决上述问题。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种水下可见光通信方法，包括：

[0005] 获取用于传输信号的水下信道的冲激响应函数；

[0006] 对所述冲激响应函数进行采样，得到信道特性矩阵；

[0007] 通过反向傅里叶变换IFFT将待传输信号调制到多个子载波，并将经过调制的各子载波均拆分成多个信号块；

[0008] 根据所述冲激函数的采样量确定补零量，并根据所述补零量对各信号块的末尾进行补零处理；

[0009] 将经过补零处理的信号块形成串行数据，并将所述串行数据发送至光信号源，以产生可见光信号；

[0010] 根据所述可见光信号生成电信号，并根据所述信道特性矩阵对所述串行信号进行迫零均衡处理；

[0011] 将经过迫零均衡处理的信号进行傅里叶变换FFT，并恢复出所述待传输信号。

[0012] 优选的，获取所述水下信道的冲激响应函数，具体包括：

[0013] 获取所述水下信道的双伽马函数，所述双伽马函数包括未知参数；

[0014] 获取针对所述水下信道的蒙特卡洛仿真结果；

[0015] 通过所述蒙特卡洛仿真结果确定出所述双伽马函数内未知参数，并以确定后的双伽马函数作为所述水下信道的冲激响应函数。

[0016] 优选的，对所述冲激响应函数进行采样，得到信道特性矩阵之前，所述方法还包括：

[0017] 将所述信道冲激函数低于10-10的数据直接设置为0值。

[0018] 优选的，所述补零量等于采样量减一。

[0019] 优选的，所述水下通信系统为OFDM通信系统。

[0020] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种水下可见光通信系统，包括：

[0021] 处理器，用于获取用于传输信号的水下信道的冲激响应函数；

[0022] 所述处理器，用于对所述冲激响应函数进行采样，得到信道特性矩阵；

[0023] 发射机，用于通过反向傅里叶变换IFFT将待传输信号调制到多个子载波，并将经过调制的各子载波均拆分成多个信号块；

[0024] 所述发射机，还用于根据所述冲激函数的采样量确定补零量，并根据所述补零量对各信号块的末尾进行补零处理；

[0025] 所述发射机，还用于将经过补零处理的信号块形成串行数据；

[0026] 光信号源，用于接收所述串行数据并据此产生可见光信号；

[0027] 接收机，用于根据所述可见光信号生成电信号，并根据所述信道特性矩阵对所述串行信号进行迫零均衡处理；

[0028] 所述接收机，还用于将经过迫零均衡处理的信号进行傅里叶变换FFT，并恢复出所述待传输信号。

[0029] 优选的，所述处理器，具体用于：

[0030] 获取所述水下信道的双伽马函数，所述双伽马函数包括未知参数；

[0031] 获取针对所述水下信道的蒙特卡洛仿真结果；

[0032] 通过所述蒙特卡洛仿真结果确定出所述双伽马函数内未知参数，并以确定后的双伽马函数作为所述水下信道的冲激响应函数。

[0033] 优选的，所述发射机，还用于：

[0034] 将所述信道冲激函数低于10-10的数据直接设置为0值。

[0035] 优选的，所述补零量等于采样量减一。

[0036] 优选的，所述水下通信系统为OFDM通信系统。

[0037] 由以上本发明实施例提供的技术方案可见，本发明实施例所提供的水下可见光通信方法及系统，通过OFDM调制技术与补零、迫零结合的通信系统是一种更合适的选择，尤其是在高比特率和恶劣的信道环境下具有传统调制技术不可比拟的优势，能够兼顾通信效率和质量，具有广泛的应用前景。

附图说明

[0038] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0039] 图1为本发明实施例中水下可见光通信方法的流程图。

[0040] 图2为本发明实施例中水下可见光通信方法内获取水下信道的冲激响应函数的具体流程图。

[0041] 图3为本发明实施例中水下可见光通信方法内补零信号块的示意图。

[0042] 图4为本发明实施例中水下可见光通信系统的模块图。

具体实施方式

[0043] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

[0044] 图1为本发明实施例中水下可见光通信方法的流程图，该方法可以应用于水下可见光通信系统，所述水下通信系统可以是OFDM通信系统。所述光通信系统包括发射机、接收机以及位于所述发射机和接收机之间的水下信道。该方法具体包括步骤101至107。

[0045] 在步骤101中，获取所述水下信道的冲激响应函数。

[0046] 在水下可见光通信技术中，水下信道难以保持一定，其与海水的深浅、混浊清澈等多种元素相关联。在本发明实施例中，在执行本发明所述水下可见光通信方法的过程中，首先获取水下信道的冲激响应函数，依靠该冲激响应函数来表征通过该水下信道传输的光子的衰减损耗。

[0047] 结合图2所示，在本实施例中，步骤101具体包括如下步骤111至113。以下结合如下子步骤来详述水下信道的冲激响应函数的生成过程。

[0048] 在步骤111中，获取所述水下信道的双伽马Gamma函数，所述双伽马函数包括未知参数。

[0049] 双伽马函数由于其数学特性，可以用于描述水下信道的冲激响应函数。在本实施例中，冲激响应函数

[0050] 其中L是收发机间的传输距离,v是相应波长的光在水下的传输速度，四个参数C1至C4则是未知参数。

[0051] 在步骤112中，获取针对所述水下信道的蒙特卡洛仿真结果。

[0052] 蒙特卡洛仿真结果是通过蒙特卡洛模拟方法对该水下信道的冲激响应函数的仿真结果。通过将该水下信道一系列参数(例如浑浊度、水深等)输入蒙特卡洛分析模型，即可确定出针对该水下信道的蒙特卡洛仿真结果。

[0053] 在步骤113中，通过所述蒙特卡洛仿真结果确定出所述双伽马函数内未知参数，并以确定后的双伽马函数作为所述水下信道的冲激响应函数。

[0054] 由于通过双伽马函数和蒙特卡洛仿真结果均是针对同一水下信道，通过蒙特卡洛仿真结果可以确定出双伽马函数所确定出的冲激响应函数h(t)内各未知参数C1至C4。

[0055] 在本发明实施例中，可以通过图形逼近法来确定冲激函数h(t)内各未知参数C1至C4。即通过调整C1至C4的值，使得冲激函数h(t)所形成图形不断逼近蒙特卡洛仿真结果，最后在两个图形重叠后，确定出C1至C4的值。

[0056] 在确定出未知参数C1至C4后，以确定后的双伽马函数h(t)作为该水下信道的冲激响应函数。

[0057] 在步骤102中，对所述冲激响应函数进行采样，得到信道特性矩阵。

[0058] 确定出冲激响应函数h(t)后，对冲激响应函数h(t)进行采样，得到水下信道的信道特性矩阵h＝[h(0),h(1),...,h(P-1)]T，符号速率Rs＝1/Δt，以时间Δt为采样间隔。采样后的冲激响应函数h(t)可以理解为具有P阶信道系数的近似FIR信道模型。在本发明实施-10例中，将所述信道冲激函数低于10 的数据直接设置为0值，再对截断后的信号进行采样。

[0059] 在步骤103中，通过反向傅里叶变换IFFT将待传输信号调制到多个子载波，并将经过调制的各子载波均拆分成多个信号块。

[0060] 待传输信号进入发射机后，通过数字调制、Hermitian对称处理后，进行IFFT处理，从而将待传输信号调制到多个子载波，得到时域信号。各子载波为预设，相互之间是正交的，以防止各子载波相互干扰。

[0061] 在得到已调制的各子载波后，将各子载波信号进行拆分，得到多个信号块，每个信号块均包括多个符号。在本发明实施例中，信号块的数量可以跟冲击响应函数h(t)的采样量P相同。

[0062] 设单个信号块表示为x＝[x1,x2,...,xN1]，则接收机的信号计算公式2
其中n为高斯白噪声矢量，均值为0，方差为σ。通过h(t)和x的卷积，可以得到接收机所接收到的信号。

[0063] 在步骤104中，根据所述冲激函数的采样量确定补零量，并根据所述补零量对各信号块的末尾进行补零处理。

[0064] 为了消除分块传输时，通过信道后产生的各个信号块之间的干扰和信号进行同步，在每个信号块末尾添加补零量L个零信号，通过在传输的数据中每隔一定时间间隔补一定数量的零值信号，将长串行数据分割成一个个信号块区间，从而来消除块与块之间的干扰，并降低每个信号块中信号检测的难度。

[0065] 通过补零处理后，信号块转换为s＝[s1，s2，…sN2，0，0，…0]T，所以补零后的信号块传输系统模型可以写为r＝Hs+ξ。

[0066] 其中，单个发送信号块在接收端对应的r是一个(N2+L)×1的接收信号矢量，ξ是加性高斯白噪声矢量，均值为0，方差为σ2，H是根据(N2+L)×N2生成的一个托普利茨Toeplitz矩阵，Toeplitz矩阵形式如下：

[0067]

[0068] 如果P≥L，则相邻信号块的非零符号之间总会有互相叠加，即出现块间干扰。所以我们设信号块后添加的补零量L目总是小于信道系数的阶数，即P≤L，则信号块之间的干扰全部分布于零点间隔，信号块的块间干扰不存在，即消除了块间干扰。但是补零量L过多会有传输冗余，降低传输速率，因此在理想情况下我们一般令P＝L。在发射端由于信道块后面引入的末尾补零和信道卷积，在接收端每个信号块转换为(N2+P-1)个符号，末尾跟着(L-p+1)个零点，接受端每个信号块后多余的零点可以用于进一步分割信号，消除被忽略的较小的块间干扰。因此发送的无限长度的信号块可以表示为。

[0069] x＝[x(1)，x(2)，x(3)…x(N)，0，0，…，0，x(N+L+1)，…，x(N+L+N)，0，0，…，0，x(N+L+N+L+1)，…]                            (2)

[0070] 最终接收到的数据可以表示为

[0071]

[0072]

[0073] 从接收端的数据结构可以看到，根据信道系数和在每个信号块后的补零，能够保证信号块之间被分割开来，而补零的数目，即分割的距离则可以根据接收端检测信号的难易度进行调整。接收端零点数量具体关系如下：

[0074]

[0075] 例如：信道系数块(1,1,1,1)、信号块(1,1,1,1)＝(1,1,1,1,1,1,1)。要求要求信道系数块P与信号块的补零量L要满足公式(4)，否则卷积后的结果零点。造成信息传输的无效和冗余。

[0076] 在步骤105中，将经过补零处理的信号块形成串行数据，并将所述串行数据发送至光信号源，以产生可见光信号。

[0077] 在本发明实施例中，经过补零处理后的信号块进行并串转换，形成一组串行数据，该串行数据再经过数模转换、直流偏置后发送至光信号源，光信号源据此产生可见光信号。其中，光信号源可以使LED光源等。

[0078] 在步骤106中，根据所述可见光信号生成电信号，并根据所述信道特性矩阵对所述串行信号进行迫零均衡处理。

[0079] 接收机接收到可见光信号后，通过例如PD接收器来实现将可见光信号转换为模拟电信号，进而根据模数转换、串并转换进入迫零均衡处理。通过在各子载波上确定出补零量L个零信号，实现将各信号块切分出来。

[0080] 在步骤107中，将经过迫零均衡处理的信号进行傅里叶变换FFT，并恢复出所述待传输信号。

[0081] 当然，经过FFT处理后，还需要进行数字解调、并串转换等处理，在此不做赘述。

[0082] 以下结合详细描述本发明所提供水下可见光通信方法的技术优势。在本发明实施例中，各个子载波发送端信号 一般采用QAM调制，设每个符号独立且随机取自于阶QAM星座图，r1为每个符号包含的比特数。

[0083] 发送数据经过IFFT变换后，对子载波实行补零设计，M阶QAM信号在补零系统中每个数据块表示如下图所示，其中 k＝r1。

[0084] 根据图3每个数据块为发射信号元，计算信噪比时应取每个子载波平均发射功率为：

[0085]

[0086] 其中E代表每个信号的平均能量。对于一个QAM非补零分块传输系统，每个子载波平均传输比特率计算公式为：

[0087]

[0088] 其中Δt代表信道系数h的时间分辨率，P为h在这段时间内部的抽头系数个数，即信道冲击响应的采样个数。而对于一个QAM补零分块传输系统，每个子载波平均传输比特率计算公式为：

[0089]

[0090] 可以从公式(7)看到，补零会降低有效传输比特速率，尤其当信道存在强的时间扩散时，需要更多的补零数，L增大，比特速率η2降低。同时，当QAM信号的调制阶数确定后，补零系统的比特速率就由补零数L决定，而为了保证数据块之间的ISI只处于补零的那一区域，没有影响到有效信号区域，由公式(4)必须有L＞P-1。同时为了获得最高的传输速率，由公式(7)L应该尽可能小，所以我们一般令L＝P。于是补零系统中每个子载波的最高传输比特速率为：

[0091]

[0092] 上式可以变换为：

[0093]

[0094] 上式中，T为信道冲击响应的持续时间。

[0095] 同理，让(9)中L＝0，得到每个子载波上M阶QAM在非补零系统的平均比特速率即为一固定值：

[0096]

[0097] 将公式(9)(10)对P求导得到补零和非补零系统随信道系数增加的比特速率的增长率为：

[0098]

[0099]

[0100] 进一步分析公式(6)(7)，当信号传输速率不断增加，即信道系数的阶数P不断增加，那么对于非补零系统传输比特速率η1是正比于P值趋于无穷大的，而补零系统的最高比特速率会趋于一个定值，即如下的收敛极限：

[0101]

[0102] 同时对式(6)(8)的变量P值求导后，可以看到非补零系统的比特速率增长率是固定的，系统随着信道系数的增加，比特速率可以稳定增长。而补零系统的传输速率由于受补零长度的影响，随着符号速率的不断提高，比特速率的增长率会越来越小，并且存在上限。

[0103] 以上证明结果表明：在水下可见光通信技术中，传统的调制技术已经完全不能满足实际的通信需要，而通过OFDM调制技术与补零、迫零结合的通信系统是一种更合适的选择，尤其是在高比特率和恶劣的信道环境下具有传统调制技术不可比拟的优势，能够兼顾通信效率和质量，具有广泛的应用前景。

[0104] 图4为本发明实施例中水下可见光通信系统的模块图。该水下可见光通信系统的工作原理可以参考前述实施例内通信方法，在此不作展开描述。该水下可见光通信系统，包括：

[0105] 处理器201，用于获取用于传输信号的水下信道的冲激响应函数；

[0106] 所述处理器201，用于对所述冲激响应函数进行采样，得到信道特性矩阵；

[0107] 发射机202，用于通过反向傅里叶变换IFFT将待传输信号调制到多个子载波，并将经过调制的各子载波均拆分成多个信号块；

[0108] 所述发射机202，还用于根据所述冲激函数的采样量确定补零量，并根据所述补零量对各信号块的末尾进行补零处理；

[0109] 所述发射机202，还用于将经过补零处理的信号块形成串行数据；

[0110] 光信号源203，用于接收所述串行数据并据此产生可见光信号；

[0111] 接收机204，用于根据所述可见光信号生成电信号，并根据所述信道特性矩阵对所述串行信号进行迫零均衡处理；

[0112] 所述接收机204，还用于将经过迫零均衡处理的信号进行傅里叶变换FFT，并恢复出所述待传输信号。

[0113] 在实际应用中，可以通过在发射机202内设置补零模块，接收机204内设置迫零均衡处理模块来实现前述补零和迫零均衡处理，这两个模块的位置可以根据信号处理次序嵌入传统的OFDM通信系统，在此不做赘述。

[0114] 优选的，所述处理器201，具体用于：

[0115] 获取所述水下信道的双伽马函数，所述双伽马函数包括未知参数；

[0116] 获取针对所述水下信道的蒙特卡洛仿真结果；

[0117] 通过所述蒙特卡洛仿真结果确定出所述双伽马函数内未知参数，并以确定后的双伽马函数作为所述水下信道的冲激响应函数。

[0118] 优选的，所述发射机202，还用于：

[0119] 将所述信道冲激函数低于10-10的数据直接设置为0值。

[0120] 优选的，所述补零量等于采样量减一。

[0121] 优选的，所述水下通信系统为OFDM通信系统。

[0122] 综上，由以上本发明实施例提供的技术方案可见，本发明实施例所提供的水下可见光通信系统，通过OFDM调制技术与补零、迫零结合的通信系统是一种更合适的选择，尤其是在高比特率和恶劣的信道环境下具有传统调制技术不可比拟的优势，能够兼顾通信效率和质量，具有广泛的应用前景。

[0123] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

[0124] 以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。