一种水下激光通信系统的信道建模方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种水下激光通信系统的信道建模方法。

背景技术

水下激光通信系统通常以纯水或海水为传输媒介，以激光为信息载体进行信息传输。但水下链路环境复杂，其组成、密度会随时间、空间的变化而不同，因此水下信道具有复杂的随机参数。激光光束在水下信道中传播时，因信道复杂多变而发生多种物理效应。虽通过实验测量手段可获取可靠数据，但操作困难，且信道的复杂多变限制了实验数据的有效性。因此建立合理有效的信道模型，理论分析光脉冲的传输特性对于水下激光通信的稳定性及可靠性至关重要。传统上大多基于双伽马函数(DGF：Double Gamma Functi ons)以及加权双伽马函数(WDGF：Weighted Double Gamma Functions)进行蒙特卡罗法(MC：MonteCarlo method)仿真，且仅考虑前向散射。而同时考虑含前后向散射的散射相位函数，可以更全面地描述散射效应对于水下通信的影响，建立更为准确的信道模型并得到信道脉冲响应理论表达式，从而进一步提高水下信道建模研究的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下激光通信系统的信道建模方法，解决了现有信道建模基于DGF以及WDGF函数，仅考虑前向散射而进行MC仿真导致的水下激光通信误码率较高的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种水下激光通信系统的信道建模方法，包括以下步骤：

步骤1、建立非视距水下单粒子几何散射模型；

步骤2、基于模拟前后向双峰值散射的二项HG函数，得到非视距信道脉冲响应理论值表达式；

步骤3、基于水下光子传输路径进行MC仿真验证。

本发明的特点还在于，

步骤1具体为：将系统噪声假设为加性的高斯分布，基于激光光源的非视距水下激光通信系统建立水下信道等效数学模型：

步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1、基于二项HG函数模拟前后向双峰值散射特性，得到散射相位函数的表达式为：

ζ(θ

式(4)中，θ

则发送端光束经散射体散射后的总能量为：

式(5)中，

粒子径向及角坐标ψ＝l

式(6)中，E

步骤2.2、将式(5)代入式(6)，得有效散射后接收端的能量：

式(7)中，c为光速；

步骤2.3、将ψ＝ct/l代入式(7)化简后得信道脉冲响应理论值的表达式为：

式(8)中，t为时间；α

步骤3具体为：

步骤3.1、采用MC法模拟光子轨迹，运用方位角α

步骤3.2、设海水体积衰减系数为d，光子经一次散射后的随机运动步长L与光子被吸收或被散射的概率P(t)满足关系式：P(t)＝de

步骤3.3、光子随机运动步长L至新位置，由MC法随机抽样判定其消光类型；

步骤3.4、方位角α

步骤3.3中的判定准则具体为：若吸收率φ

本发明的有益效果是：本发明一种水下激光通信系统的信道建模方法，将光束视为若干光子的集合，建立非视距水下单粒子几何散射模型以研究信道脉冲响应对信号传输的影响。将理论推导与蒙特卡罗仿真方法相结合对信道脉冲响应进行建模，得出的海岸水域的信道脉冲响应仿真与所建信道模型的理论值拟合效果更好，进而验证了水下光子传输信道模型的有效性，切实可行，易于实现。

附图说明

图1是本发明一种水下激光通信系统的信道建模方法建立的水下信道等效数学模型示意图；

图2是本发明一种水下激光通信系统的信道建模方法建立的水下单粒子几何散射模型示意图；

图3是水下光子传输路径示意图；

图4是信道脉冲响应理论值与仿真拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

水下激光通信系统的激光光束从发送端出射，经水体信道因吸收及散射影响而发生劣化。其中散射效应对于激光光波信号具有双重影响：一是导致发送端信号发生衰减；二是产生码间干扰(ISI：inter-symbol interference)，破坏信号波形，进而导致接收端得到的信号变化，影响系统通信性能。其对于通信性能影响的表现形式为信道脉冲响应，为方便分析水下信道对信号传输的影响，量化散射产生的时间弥散，可将系统噪声假设为加性的高斯分布。鉴于此，建立了水下信道等效数学模型，如图1所示。其中x(t)为发送端信号，n(t)为加性高斯白噪声，独立于发送光信号，y(t)为接收机接收信号。基于激光光源波长λ

假定水下散射体均匀分布，彼此独立，且有效散射区域中心至理想传输路径l的垂直距离为H。光束传输过程中的粒子散射情况复杂，为简化分析，仅讨论发送端A发出的光波单粒子经散射体的单次散射后至接收端B的情况，如图2所示。其中，A、B为发送、接收端，θ

式(1)中，l为发射与接收端的最短直线距离；P

假设发送端发送能量E

式(2)中，d为海水衰减系数；Ω

Henyey-Greenstein联合提出的H-G函数无法较好地同时拟合前后向散射，为克服此不足，基于二项HG函数以更好地模拟前后向双峰值散射特性，可得到散射相位函数的表达式为：

ζ(θ

上式中，θ

式(5)中，

粒子径向及角坐标ψ＝l

式(6)中，E

式(7)中，c为光速。将ψ＝ct/l代入式(7)化简后可得信道脉冲响应的近似表达式为：

式(8)中，t为时间；α

图3是水下光子受散射影响的传输路径。因水体中的粒子形态各异，其对于光波散射的影响程度具有随机性、独立性，彼此互不影响。故基于MC的水下激光传输过程可视为水下链路的分子及粒子与激光光束中的光子随机碰撞，相互作用。采用MC法模拟光子轨迹，其中方位角α

设海水体积衰减系数为d，光子经一次散射后的随机运动步长L与光子被吸收或被散射的概率P(t)满足关系式：P(t)＝de

本发明针对水下多径效应而导致的码间串扰，建立了非视距水下单粒子几何散射模型；基于表征前后向散射的散射相位函数，推导了非视距水下激光通信信道脉冲响应表达式并得到理论值。为从数学角度验证水下光子传输信道模型的有效性，分别对海岸(a＝0.179，b＝0.219)及港口(a＝0.366，b＝1.824)两类水域进行MC仿真，其中a，b分别为吸收及散射系数。其信道脉冲响应MC仿真曲线及水下单粒子几何散射模型理论值曲线如图4所示。仿真中取传输光子10

通过上述方式，本发明一种水下激光通信系统的信道建模方法，首先建立了非视距水下单粒子几何散射模型，基于模拟前后向双峰值散射的二项HG函数，推导了非视距信道脉冲响应表达式并得到理论值。然后基于水下光子传输路径示意图，对海岸及港口两类不同水域环境采用MC仿真以得到信道脉冲响应仿真与所建信道模型理论值拟合曲线，再对比数值拟合方差及相关系数，得出海岸水域的信道脉冲响应仿真与所建信道模型的理论值拟合效果更好，进而验证了水下光子传输信道模型的有效性。故后续有关信道方面的研究可直接采用海岸水域信道脉冲响应理论值。