基于MIMO-OFDM的水下无线可见光通信系统

发布时间：2019-09-25 02:07

【摘要】：多输入多输出-正交频分复用(multiple-input multiple-output orthogonal frequency division multiplexing,MIMO-OFDM)技术是当今无线通信的主流技术,也是无线可见光通信研究的一个热点,该技术能够提高可靠性和提高频带利用率。本文探索基于MIMO-OFDM技术的水下可见光通信技术,一方面缓解海水对光的吸收散射造成的信道衰落等影响,另一方面降低光链路准直性要求,增加系统有效通信的区域面积。为了深入透彻的理解与使用OFDM技术,作者先使用技术成熟的红光激光研究单发单收的水下无线高速OFDM光通信。红光虽然在水中衰减较大,但现在红光激光(LaserDiode,LD)的发射功率比一般的蓝绿光LD大很多,而且波长较长,多径效应小。通过实验验证了红光LD良好的调制特性,并采用OFDM的功率分配技术实现了接近5 Gb/s的速率和6-m的传输距离。有文献表明红光在高浊度水中的消光系数和信道带宽方面优于蓝绿光,由于水下无线光通信(Underwater Wireless Optical Communication,UWOC)在高浊度水中的可靠性是一个研究难题,我们设想直接调制红光LD通信方案是提高未来宽带UWOC系统对于不同水体类型的鲁棒性的强有力候选。同时我们知道MIMO技术可以通过多个发送天线之间联合编码实现空间分集增益提高传输速率,也可以实现空间复用增益,有效的提高系统可靠性。根据这样的设想本文采用蓝光发光二极管(Light Emitting Diode,LED)建立了水下无线MIMO-OFDM可见光通信系统,从MIMO-OFDM信号模型出发,探讨实现该系统的各个关键技术,如同步技术、信道估计技术、空时频编译码技术等。系统在稳定清水中实现了最高27.082 Mb/s的净传输速率和2-m通信距离。最后模拟在不同浊度水体下进行两发两收的MIMO-OFDM实验,并对采用重复编码(Repetition Code,RC)、采用正交空时分组编码(Orthogonal Space-time Block Code,STBC)、采用正交空频分组编码(Orthogonal Frequency-time Block Code,STBC)的三种 MIMO-OFDM系统进行了比较分析。同时多发单收(Multiple-InputSingle-Output,MISO)系统作为基准也进行了相应的实验。MIMO系统相对于MISO系统因为接收分集增益,性能获得了一定的提高;空间分集产生的接收信号时延对采用重复编码的系统影响较大,而采用正交空时/空频分组码的系统,由于编码的正交性,在接收端多路信号的译码是独立的,接收信号的时延对系统是没有影响的。所以采用正交空时/空频分组码的MIMO-OFDM系统比采用重复编码的系统会有较稳定的性能。
【图文】：

ｎｔ个发射天线逦ｎｒ个接收天线逡逑图１－１．ＭＩＭ０系统示意图．逡逑ＭＩＭＯ的核心内容是空时信号处理，通过空时联合编码来实现有效的分集或复用增逡逑益。由贝尔实验室提出的分层空时编码（ＬａｙｅｒＳｐａｃｅＴｉｍｅＣｏｄｅ，邋ＬＳＴ）把高速的数据传逡逑输分解为若干低速的数据传输，基于空分复用的思想来提高系统频谱效率，能够在不增逡逑加信道带宽的前提下成倍的提高信道容量（８１。正交空时分组编码（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＳｐａｃｅＴｉｍｅ逡逑ＢｌｏｃｋＣｏｄｅ，ＯＳＴＢＣ）就是通过增加信息冗余来提高系统性能，其最早由Ａｌａｍｏｕｔｉ提出，逡逑利用码字的正交性来获得满分集增益且译码简单１９］。空时格码（Ｓｐａｃｅ邋Ｔｉｍｅ邋Ｔｒｅｌｌｉｓ邋Ｃｏｄｅ，，逡逑ＳＴＴＣ）将编码、调制和空间发射分集结合在一起，利用网格图将同一信号通过多个天线逡逑发送，而且接收端只需要相对简单的线性处理，就能够获得最大的分集增益［１（）］。逡逑１．２．２邋ＯＦＤＭ邋概述逡逑ＯＦＤＭ是一种频分复用技术

第２章水下可见光通信传输特性逡逑海水的水质因地而异，一般将海水根据衰减因子如表２－１分为纯净海水、清澈海水、逡逑沿海海水、港口浑油海水。文献［３６］给出２０－ｍ传输距离下的海水信道冲击响应如图２－２。逡逑表２－１．各类海水与仿真的相关参数．逡逑吸收系数ａｆｎｒ１］散射系数ｌ＾ｎｒ１］反向散射系数Ｍｍ－１］衰减系数ｃ［ｍ１逡逑纯净海水逦０．０５３逦０．００３逦０．０００６逦０．０５６逡逑清澈海水逦０．０６９逦０．０８逦０．００１逦０．１５逡逑沿海海水逦０．０８８逦０．２１６逦０．００１４逦０．３０５逡逑港邋口海水逦０．２９５逦１．８７５逦０．００７６逦２．１７逡逑—２０逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逡逑］；：：；：：！：！逡逑－３０邋—？邋？邋？邋？：逦＊．逦：逦逦逦：逦：逦：逦：逦：逦－逡逑－４０邋－？邋？邋？邋ｆ邋Ｉ？邋？邋：逦：逦逦？：逦：？？？逦ｃ＝０．０５ｍ＇邋，邋ｃＺ＝１．０逦…；逦－逡逑＿５0邋－……＼邋１．：逦：？逦邋逦：逦：…一■—ｃ＝０．１５ｍ＊１
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN929.1

【参考文献】

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本文编号：2541172