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基于多光束合束发射和SiPM分集接收的长距离高速水下光无线通信技术研究

批准号:
62101486
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
洪晓建
依托单位:
学科分类:
海上和水下通信
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
洪晓建

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
长距离高速水下光无线通信(UOWC)在水下信息传输中具有巨大的应用前景。由于吸收、散射和湍流等影响,光信号在长距离水下传输时存在严重的损耗和畸变(目前>100米传输距离,速率仅Mbps量级)。鉴此,本项目提出采用多光束合束发射和硅光电倍增管(SiPM)分集接收的系统方案,以提高接收灵敏度、延长传输距离和增强系统可靠性,并通过先进的数字信号处理技术改善UOWC的系统性能,最终在实际的外场环境测试中实现传输距离/速率至少:100米/1.5Gbps、200米/100Mbps的目标。研究内容包括:静态/动态因素影响下的长距离UOWC海水光信道建模;UOWC收发端优化设计;基于奈奎斯特准则的正交波形传输、基于时域/频域压缩的非正交波形传输和概率整形编码等技术对基于SiPM的长距离高速UOWC系统的性能改善。研究成果将大幅提升UOWC的应用前景,满足长距离、高速率和高可靠性的水下通信应用需求。
英文摘要
Long reach and high speed underwater optical wireless communication (UOWC) has a great application prospect in underwater information transmission. Due to the effects of absorption, scattering and turbulence, optical signal suffers from serious attenuation and distortion during long reach underwater transmission, and the data rate is limited to the order of Mbps at a transmission distance large than 100 meters. In this project, a multi-beam combined emission and silicon photomultiplier (SiPM) diversity reception based UOWC system is proposed to improve the receiver sensitivity, extend the transmission distance, and enhance the reliability of the system. Advanced digital signal processing techniques are also employed to improve the performance of the UOWC system, realizing an experimental demonstration of at least 100m/1.5Gbps and 200m/100Mbps in the field test. The main research includes optical channel modeling for long reach UOWC systems under the influence of static/dynamic factors, design of UOWC transceivers, performance improvement exploration to the SiPM-based long reach and high speed UOWC systems using orthogonal waveform transmission based on Nyquist criterion, non-orthogonal waveform transmission based on time/frequency domain compression, and probabilistic shape coding techniques. The research results will forecast well application of UOWC systems and meet the requirements of long reach, high speed, and reliable underwater communication.
水下光无线通信(UOWC)因其带宽大、时延小、能耗低和安全性高,可支持数十至数百米距离的高速数据传输,受到研究者的广泛关注。由于海水吸收、散射和湍流等作用影响,光信号在长距离水下传输时存在严重的损耗和畸变(目前>100米传输距离,速率仅Mbps量级)。本项目瞄准UOWC系统传输距离和传输速率受限这一关键问题,开展了如下研究内容:(1)长距离UOWC系统海水光信道建模:针对海洋环境中静态和动态因素影响,分别建立基于蒙特卡洛仿真的海水光信道模型和基于功率谱反演法的海洋湍流随机相位屏模型,通过静态和动态因素影响下的海水光信道建模获得长距离UOWC系统的信道传输特性。(2)基于奈奎斯特准则的正交波形传输技术研究:采用基于硅光电倍增管(SiPM)的UOWC系统实现了105米/2Gbps的指标,此外,采用基于大带宽光电倍增管(PMT)的UOWC系统实现了100.6米/3Gbps的指标;(3)基于非正交波形传输技术UOWC系统研究:理论证明半正交多载波传输方案同时具有高频谱效率和大欧氏距离的优势,此外还提出了一种新型的频谱高效的非正交波形调制系统及低复杂度的解码算法,实验验证了算法的有效性;(4)逼近容量极限的概率整形编码技术研究:实验实现了基于LD的19.96Gbps(5米传输距离)的净传输速率,是目前报道的UOWC系统单个LD净传输速率的最高记录。(5)基于FPGA的高速实时UOWC系统研究:通过流水线和数据并行提升了数字信号处理的吞吐率和延迟性能,实现4Gbps的传输速率,延迟低至0.92μs。本项目的研究将大幅提升UOWC的应用前景,满足长距离、高速率和高可靠性的水下通信应用需求。
面向非平稳信道的高谱效水下无线光通信系 统研究
  • 批准号:
    Y24F050017
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2024
  • 负责人:
    洪晓建
  • 依托单位:
国内基金
海外基金